聲光控路燈電路

1、1 軟件簡介1.1 protel 的簡介早期的PROTE住要作為印制板自動(dòng)布線工具使用，運(yùn)行在DOS境，對(duì)硬件的要求很低，在無硬盤286 機(jī)的1M 內(nèi)存下就能運(yùn)行，但它的功能也較少，只有電原理圖繪制與印制板設(shè)計(jì)功能，具印制板自動(dòng)布線的布通率也低，而現(xiàn)今的PROTEIE發(fā)展到PROTEL99（網(wǎng)絡(luò)上可下載到它的測試板），是個(gè)龐大的 EDA軟件，完全安裝有 200M它工作在WINDOWS95境下，是個(gè)完整的板級(jí)全方位電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)，它包含了電路原理圖繪制、模擬電路與數(shù)字電路混合信號(hào)仿真、多層印制電路板設(shè)計(jì)（包含印制電路板自動(dòng)布線）、可編程邏輯器件設(shè)計(jì)、圖表生成、電子表格生成、支持宏操作等功能，并具有

2、 Client/Server（客戶 / 服務(wù)器） 體系結(jié)構(gòu)，同時(shí)還兼容一些其它設(shè)計(jì)軟件的文件格式，如 ORCA，DPSPICE，EXCELS,其多層印制線路板的自動(dòng)布線可實(shí)現(xiàn)高密度PCB勺100%布通率。1.2 protel 的功能Protel99 SE 共分 5個(gè)模塊，分別是原理圖設(shè)計(jì)、PCB 設(shè)計(jì)（包含信號(hào)完整性分析） 、自動(dòng)布線器、原理圖混合信號(hào)仿真、PLD 設(shè)計(jì)。本次課設(shè)主要利用其繪制原理圖的功能。1.3 proteus 的簡介Proteus 軟件是英國Labcenter electronics 公司出版的EDA 工具軟件 （該軟件中國總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它

3、EDA 工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus 是世界上著名的EDA 工具 （ 仿真軟件），從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB 設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB 設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)。在編譯方面，它也支持IAR 、 Keil 和 MPLAB等多種編譯器。1.4 proteus 的功能Proteus軟件具有其它EDAT具軟件（例

4、：multisim ）的功能。這些功能是: （ 1）原理布圖(2) PCB自動(dòng)或人工布線(3) SPICE電路仿真革命性的特點(diǎn)：(1)互動(dòng)的電路仿真用戶甚至可以實(shí)時(shí)采用諸如 RAM ROM鍵盤，馬達(dá)，LED LCD AD/DA部分SPI器 件，部分IIC器件。(2)仿真處理器及其外圍電路可以仿真51系列、AVR PIC、ARM等常用主流單片機(jī)。還可以直接在基于原理圖的 虛擬原型本課設(shè)主要用到其強(qiáng)大的仿真功能。2電路中用到的新元器件2.1 駐極體話筒駐極體話筒屬于電容式話筒的一種，聲電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件是駐極體振動(dòng)膜。當(dāng)聲波輸 入時(shí)，駐極體膜片隨聲波的強(qiáng)弱而振動(dòng)，使電容極板間的距離發(fā)生變化，引起電容

5、量 C發(fā) 生變化，因?yàn)轳v極體兩側(cè)的電荷來變，因此電容兩端的電壓(UC=Q/C)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)了聲電轉(zhuǎn)換。由于振動(dòng)引起的輸出電壓的變化量較小，所以要在電容的后面加一個(gè)效 應(yīng)管進(jìn)行放大，提高話筒的靈敏度，同時(shí)場效應(yīng)管還可以與音頻放大器匹配。駐極體話筒的外形和內(nèi)部電路如圖 2.1所示：背楣 背橫肢 場敕應(yīng)管(a)外形圖(b)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖2.1駐極體話筒的外形與結(jié)構(gòu)2.2 光敏電阻光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變 的電阻器；入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。常用的光敏電阻器硫化鎘光

6、敏電阻器，它是由半導(dǎo)體材料制成的。光敏電阻器的阻值隨入射光線（可見光）的強(qiáng)弱變化而變化，在黑暗條件下，它的阻值（暗阻）可達(dá)170M歐，在強(qiáng)光條件（100LX） 下，它阻值（亮阻）僅有幾百至數(shù)千歐姆。光敏電阻器對(duì)光的敏感性（即光譜特性） 與人眼對(duì)可見光的響應(yīng)很接近，只要人眼可感受的光，都會(huì)引起它的阻值變化。圖2.2光敏電阻原理圖2.3 51單片機(jī)51單片機(jī)是對(duì)目前所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱。該系列單片機(jī)的始 祖是Intel的8031單片機(jī)。后來隨著Flash Rom技術(shù)的發(fā)展，8031單片機(jī)取得了長足的進(jìn) 展，成為目前應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)之一，其代表型號(hào)是 ATMEL公

7、司的AT89系列， 它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。目前很多公司都有51系列的兼容機(jī)型推出，在目前乃至今后很長的一段時(shí)間內(nèi)將占有大量市場。51單片機(jī)即是基礎(chǔ)入門的一個(gè)單片機(jī)，還是應(yīng) 用最廣泛的一種。3聲光控節(jié)能燈電路的組成下面將總電路分為以下五個(gè)模塊： 電源電路，光控電路，聲控電路，單片機(jī)控制電路, 繼電器驅(qū)動(dòng)電路。3.1 電源電路本課程設(shè)計(jì)使用的是 12V雙電源和+5V單電源的兩級(jí)電路。如圖所示:Tn iiar縣 0圖3.1直流電源電路nk電源電路由變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓四部分構(gòu)成。變壓電路由普通的電源變壓器組成，將220V的交流電轉(zhuǎn)換成低壓交流電；整流電路由一個(gè)橋式整流組成，將低壓交流電轉(zhuǎn)換

8、成脈動(dòng)直流電；濾波電路由濾波電容 C1和C2構(gòu)成，濾除交流成分，增加直流成分；穩(wěn)壓 電路主要由7812, 7912及7805三個(gè)集成穩(wěn)壓器，輸入端電容C5和C6和輸出端電容C3, C4, C7, C8構(gòu)成，集成穩(wěn)壓器利用負(fù)反饋進(jìn)一步穩(wěn)定經(jīng)過濾波后的電壓，輸出端電容用以改善負(fù)載的瞬態(tài)效應(yīng)，消除電路的高頻噪聲，同時(shí)具有消振的作用；發(fā)光二極管D2作為電源指示，電阻R1作為限流電阻保護(hù)發(fā)光二極管。除此之外，單排 J1, J2, J3和J4作 為電源和地的輸出端。3.2 聲控電路光控電路由拾音電路，兩級(jí)放大電路和遲滯比較器構(gòu)成，如圖所示:圖3.2光控電路拾音電路將聲音轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號(hào)。然后，微弱的電

9、壓信號(hào)經(jīng)過兩級(jí)放大成伏級(jí)的電壓，電壓通過遲滯比較器轉(zhuǎn)變成單片機(jī)識(shí)別的方波信號(hào)，經(jīng)過雙向穩(wěn)壓管變成 5V的方波，然后傳給單片機(jī)的外部中斷 P3.4 口。拾音電路由小型麥克和限流電阻組成，自制 5V電源向其提供驅(qū)動(dòng)電流；兩級(jí)放大電 路由兩級(jí)共射單管放大組成，前級(jí)是 NPNt,后級(jí)是PNPt;遲滯比較器的正向閾值電壓 為：Vth% R11 % jVzR11 R12R11 R12負(fù)向閾值電壓為：、/R10 R11 Ra”R10 、/VthV REF -V VZR11 R12R11 RI2由圖而知，Vref 0V ,故:VthR10R11R2VzVthR10R11R12Vz（式 3.2）可以通過閾值電壓

10、的設(shè)置來消除兩級(jí)放大的噪聲，防止噪聲對(duì)產(chǎn)生方波信號(hào)的干擾, 從而消除噪聲對(duì)單片機(jī)的干擾，增強(qiáng)對(duì)有用信號(hào)的識(shí)別。電阻k 200K ,非常大，延長電容放電時(shí)間。3.3 光控電路圖3.3光控電路當(dāng)光敏電阻受光照時(shí)，電阻減小，運(yùn)放同向輸入端為低電平；當(dāng)光照較弱時(shí)，電阻增 加，運(yùn)放同向輸入端為高電平。光控電路的輸出信號(hào)經(jīng)過電壓跟隨器后，將比較微弱的電 流信號(hào)放大到單片機(jī)能夠識(shí)別的電流，然后由運(yùn)放輸出端將放大后的信號(hào)傳給單片機(jī)的P1.6 口。電路圖中的集電極電阻R16作為限流電阻，保護(hù)三極管；調(diào)節(jié)變阻器R15能夠改變基 極電流ib,從而控制發(fā)射結(jié)和集電極電流，進(jìn)而控制整個(gè)光控電路對(duì)光信號(hào)的靈敏度。3.4

11、單片機(jī)控制電路單片機(jī)最小系統(tǒng)如下圖所示：圖3.4單片機(jī)最小系統(tǒng)P1.6作為光控信號(hào)的輸入口， P3.4是聲控信號(hào)的輸入端，P1.7是作為輸出端，與繼電 器驅(qū)動(dòng)電路相連。由于沒有外部 ROM,所以EA與外部電源相接，置高平，直接讀取內(nèi)部ROM。本次課設(shè)通過單片機(jī)來完成延時(shí)電路和與電路的功能。程序原理如下所示：#include<reg52.h>#define uint unsigned intsbit JD=P1A7;sbit GM=P1A6;void delay(uint z);main()TMOD=0x10;EA=1;ET1=1;JD=0;GM=0;while(1)if(JD= =

12、1)delay(10000);JD=0;void counter1( ) interrupt 3if(GM=1)JD=1;void delay(uint z)uint x,y;for(x=110;x>0;x-)for(y=z;y>0;y-);3.5 繼電器驅(qū)動(dòng)及燈泡照明電路3.5.1 發(fā)射結(jié)接地型開關(guān)電路由限流電阻R,負(fù)載R及NPN管構(gòu)成，VCC為5伏直流電源。如圖所示:當(dāng)輸入端為0V （低電平），三極管的基極沒有合適的偏置電壓 Vbe 0.7V ,三極管處于 截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)輸入端為5V （高電平），使Vbe 0.7V,基極-發(fā)射極處于導(dǎo)通，即三極管導(dǎo) 通。如果不加限流電阻 R1,會(huì)

13、有非常大的基極電流通過。因此如圖所示，加上限流電阻 R1。3.5.2 繼電器驅(qū)動(dòng)運(yùn)放同相輸入端與單片機(jī) P1.7 口相連，電壓跟隨器將微弱的單片機(jī)I0 口輸出電流放大，提高帶負(fù)載能力，使電流能夠驅(qū)動(dòng)三極管，但為防止電流過大燒壞三極管，因此加上 限流電阻R13,從而通過三極管的開關(guān)作用來驅(qū)動(dòng)繼電器。當(dāng)開關(guān)的負(fù)載為電動(dòng)機(jī)或者繼電器等感性負(fù)載時(shí)，在截?cái)嗔鬟^負(fù)載的電流時(shí)（晶體管 進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)時(shí)），會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢（楞次定律）。這時(shí)產(chǎn)生的電壓非常大。當(dāng)這種電壓 超過晶體管的VCBO，VCEO時(shí)，晶體管將會(huì)被擊穿。因此給繼電器并上一個(gè)二極管，將集電極 的電位鉗制在（Vcc 0.5）V左右，防止三極管被擊穿

14、。3.6 原理總圖原理圖如下所示：圖3.6原理總圖由圖可知，聲光控節(jié)能燈電路聲控電路（由聲音拾取電路、放大電路、滯回比較器構(gòu)成），光控電路（電壓跟隨器），單片機(jī)控制電路（由延時(shí)電路和邏輯與電路構(gòu)成），繼電器驅(qū)動(dòng)電路及電源電路等部分組成。其中聲控電路和光控電路是整個(gè)電路的核心部分，作用是將MIC輸出的微弱聲音信號(hào)進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換成方 波信號(hào)。最后通過單片機(jī)的比較輸出來控制繼電器的導(dǎo)通，進(jìn)而控制燈的亮滅4.1 電源電路由于集成穩(wěn)壓器輸出端為 12V和5V,則輸入端至少為15V,因此選擇220V轉(zhuǎn)15V 的變壓器和7815, 7915和7805的集成穩(wěn)壓管。因?yàn)楸敬坞娐返碾娏鞫紴楹涟布?jí)別的，選 擇最

15、大輸出電流為1A的集成穩(wěn)壓管，能完全達(dá)到電路要求。濾波電容一般越大越好，一般選取 2200U或1000U,在這里選擇1000U的電容；輸入 端電容C5和C6用以抵消輸入端的電感效應(yīng)，以此防止自激震蕩和電源高平脈沖的干擾， 一般取0.1u至1u,在這里選取0.33u的電容。輸出端電容一般取一大一小，選取 0.1u和 100u的電容。4.2 聲控電路駐極體話筒將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，具大小為幾毫伏，話筒使用5V電源驅(qū)動(dòng)，電阻R2為限流電阻。電阻太大，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電流太?。浑娮杼?，導(dǎo)致電流太大，故設(shè)定電 阻為2K。兩級(jí)直接耦合放大電路放大倍數(shù) A A1A/2 ;而WR】）200 11 26mv）（幾為

16、二級(jí)的輸入電阻）；1 %11 Re Iq,AV 2Rc2（rbe2 200 1 2 "mv）（式 4.2）皿 12 Re22Ie2設(shè)定 AV 2000, Ic1= Ic2 1mA, Ib2 3mA, 12 100VbR3/R3R6Vcc,取Vb0.83V，則R35 ,又因基極電流比較小，故取R6 150K,R3 30K ;R.1 R7 Vb Vbe /Ie 130，取 R7 100;rbe 200 1126mV/IE =2.8K,幾 rbe2 200 12 26mV/匕=1.5K ；在輸入交流信號(hào)時(shí)，電容接通，電阻被短接，此時(shí)Re2 0；代入（式4.2）得：RL1 RL27100K（

17、RLR,/ /RC1, RL2RL2/RC2）,而取RC15K,則R1=1K,RL2=7.1K,取RC215K。三極管采用互補(bǔ)對(duì)稱的9013與9012完全滿足要求。將其代入電路算得 A 2092,仿真為700倍左右，經(jīng)檢驗(yàn)實(shí)際放大倍數(shù)為 500左右； 因此設(shè)計(jì)遲滯比較器時(shí)，采用實(shí)際值。由于兩級(jí)放大電路存在噪聲，經(jīng)測量大約為5mV左右，需要加遲滯比較器，設(shè)置合適的閾值電壓，將此段噪聲濾掉。而經(jīng)測量聲音信號(hào)經(jīng)兩級(jí)放大后為 0.5V左右，因此將閾 值電壓設(shè)為0.25V ,Vref 0V , Vz= 5V0因此，在遲滯比較器的輸出端加上 5V的穩(wěn)壓管， 并加上限流電阻R5,取1K。設(shè)電阻Rio=10K

18、,由式3.2得：則電阻Rii=200K,滑動(dòng)變阻器 設(shè)為150K,根據(jù)外面聲音信號(hào)的大小來調(diào)節(jié)閾值電壓的值。4.3 光控電路將基極電流設(shè)為0.1mA,當(dāng)有光照射時(shí)，R15 Vcc Vce /Ib，R,5=50K,與光敏電阻此 時(shí)的阻值（約為1K到10K）相比,光敏電阻可以忽略。選if¥ 100K的滑動(dòng)變阻器來替代50K, 讓基極電流可調(diào)，從而控制射級(jí)電流和控制光控電路的靈敏度。集電極電阻為限流電阻， 取值為22K。4.4 繼電器驅(qū)動(dòng)電路單片機(jī)高電平時(shí)輸出拉電流，大概是 0.08-0.16mA,表明52的輸出能力很弱，因此需 要加驅(qū)動(dòng)，本次采用UA741構(gòu)成電壓跟隨器，提高帶負(fù)載的能力

19、。繼電器選擇5V電壓供電，觸點(diǎn)電流為1A,吸合電流電流設(shè)為50mA,將基極電流控制在0.5mA,故選擇三極管 的 100,基極電流所以三極管的集電極電流（負(fù)載電流）的額點(diǎn)值要大于50mA,三極管的集電極-發(fā)射極和集電極-基極間的最大額定值Vcbo ,Vceo要大于5V ,即 Ic 50mA,100, Vcbo 5V,Vceo 5V ,三極管9013完全滿足要求，參數(shù)為集電極-基極擊穿電壓Vcbo為30 V ,集電極-發(fā)射極擊穿電壓Vce。為25 V,集電極電流為500 mA ,基 極電流為50mA,放大倍數(shù)滿足要求。單片機(jī)P1.7輸出信號(hào)為5V高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通。繼電器驅(qū)動(dòng)電路的輸入端為 5

20、V, 由圖可知，以5V減去基極與發(fā)射極的結(jié)電壓0.7V,得到限流電阻上的分壓為4.3V,然后 代入R=U/I公式，4.3V/0.5mA=8.6K。所以使用8.6K的限流電阻就可以了。但 8.6K不在 四環(huán)電阻的系列值里，可以使用 8.2K代替。止匕外，UA741的最大輸出電流為40mA,完全可以滿足基極電流的輸出；繼電器在三 極管斷開的瞬間產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢很大，一般為一百伏或幾百伏，因此選擇反向電壓達(dá) 1000V的1N4007,能夠達(dá)到要求。5仿真(1)聲控部分仿真電路圖，如圖所示:圖5.1仿真原理圖(2)聲控部分仿真結(jié)果，如圖所示:圖5.2 聲控電路仿真如圖所示：第一條為50HZ的交流信號(hào)來替代人的聲音信號(hào)，輸入電壓為峰峰值為6mv, 兩級(jí)放大后為4v， 放大倍數(shù)為667 倍， 經(jīng)過遲滯比較器后輸出5V 的方波， 完全符合要求。在失真的情況下，電路所消耗的能量最小。6 調(diào)試與小結(jié)本次設(shè)計(jì)過程中，遇到了許多問題，但經(jīng)過調(diào)試解決。光控部分：經(jīng)過兩級(jí)放大的聲音信號(hào)，開始是直接經(jīng)過過零比