聲光雙控延時開關電路的設計與制作(杜奕飛)

1、電工電子技能訓練總結報告項目名稱：聲光雙控延時開關電路的設計與制作所在學院：礦業(yè)技術學院 姓 名： 杜奕飛 同組成員： 郭恩博 杜奕飛 王界驕 王鵬 劉毅 指導教師：宋紹樓 毛姣姣 施澤勇 訓練地點：靜遠218 完成時間：2017年7月2日 摘要聲光雙控延時開光不僅適用于住宅區(qū)的樓道，而且也適用于工廠、辦公室、教學樓等公共場所，它具有體積小，外形美觀，制作容易，工作可靠等優(yōu)點，而且降低能耗，節(jié)約能源，注重環(huán)保是當今世界的主潮流。此外，它在一定的場所使用還可起防盜作用。它是公共場所照明開關的理想選擇，被人們譽為“長明燈的克星”。本次設計的是一個靈敏度較高的聲光控制開關，行人只要拍個巴掌就能電路觸

2、發(fā)。本電路僅使用一只CMOS門電路TC4081BP、一個CRZ2-113F型小型駐極體式電容話筒、一個CdS型光敏電阻器以及若干電阻、電容配合就能將電路觸發(fā)，使其導通，將電燈打開。它不需要發(fā)送關閉信號，由電路自身的延時電路將燈關閉。當燈被打開后，延時電路延時約25s后將燈自動關閉。該電路還具有自動光控作用，在白天由光敏電阻器控制著電路。即使受到聲音信號的觸發(fā)，開關也不會打開。關鍵詞：變壓；整流；濾波；穩(wěn)壓；檢音、感光；放大；整形；延時可調。    III目錄1 市場同類產(chǎn)品綜述32 設計方案及原理分析52.1 主要電子元器件清單52.2 CD4011構成

3、的聲光控延時開關參考電路52.3工作原理63 電路制作及調試、試驗93.1 燈一直不亮93.2 燈常亮不熄93.3 實際操作94 技術經(jīng)濟分析95 總結106 參考文獻101 市場同類產(chǎn)品綜述隨著傳感器技術的不斷成熟，國內外已經(jīng)將傳感器技術列為優(yōu)先發(fā)展的科技領域之一，聲光傳感器由于反應速度快，能實現(xiàn)非接觸測量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半導體光敏器件具有體積小、重量輕、功耗低、便于集成等優(yōu)點，因而廣泛應用于軍事、宇航、通信、檢測與工業(yè)自動化控制等多種領域中。為此我們設計了聲光控臺燈電路，這是一種電路新穎、安全省電、結構簡單、安裝方便、使用壽命長的聲光雙控臺燈開關。本聲光控制開關的設計

4、節(jié)電效果十分明顯，同時也大大減少了維修量、節(jié)約了資金，使用效果良好,方便了人們的日常生活，隨著科學技術的發(fā)展，公共場所照明控制手段也在日新月異地更新，除了聲光控開關外，還有微波感應開關和熱釋遠紅外感應開關.但就目前而言，微波感應開關的抗干擾性能尚不理想，紅外感應開關在性能上較為理想，但安裝復雜，價格也偏高，比較適合在一些管理完善的場所如賓館、大飯店樓道及家庭走廊應用，在普通住宅樓、辦公樓道等場所的照明控制考慮到價格、管理及安裝方便等因素，根據(jù)我國情,可以預計在相當一段時期內，聲光控延時開關將是首選的主流產(chǎn)品。2 設計方案比較，電氣原理圖繪制，電路工作原理簡要分析2.1 主要電子元器件清單序號元

5、器件名稱器件型號位號備注1單向可控硅MCR100-6VS2光敏電阻RL5-10kRL3駐極體話筒MCHB-EM-4FMC3V/2.2k-60+2DB4三極管C9014VT5二極管1N4007VD1-VD4RU2(1A,600V)6二極管1N4148VD67穩(wěn)壓二極管12VVD58邏輯門電路芯片CD4011A(-)二輸入四與非門9電阻R13k10電阻R23M續(xù)表序號元器件名稱器件型號位號備注11電阻R3510k12電阻R44.7k13電阻R53.3M,14電阻R627k15電阻R733k16電阻R8120k17電容C10.1uF18電解電容C222uF/16V19電解電容C347uF/16V20

6、排針2針2.2 CD4011構成的聲光控延時開關參考電路2.3工作原理光敏電阻器是利用半導體光電效應制成的一種特殊電阻器，對光線十分敏感，它的電阻值能隨著外界光照強弱變化而變化。在無光照射時，它呈高阻狀態(tài)；當有光照射時，其電阻值迅速減小。常見的光敏電阻的外形，光敏電阻器通常由光敏層、玻璃基片(或樹脂防潮膜)和電極等組成。光敏電阻廣泛應用于各種自動控制電路（如自動照明燈控制電路、自動報警電路等）、家用電器（如電視機中的亮度自圖1動調節(jié)，照相機中的自動曝光控制等）及各種測量儀器中。聲光控延時開關的電路原理圖。電路中的主要元器件是使用了數(shù)字集成電路cd4011，其內部含有4個獨立的與非門vd1vd4

7、，使電路結構簡單，工作可靠性高。顧名思義，聲光控延時開關就是用聲音來控制開關的“開啟"，若干分鐘后延時開關“自動關閉"。因此，整個電路的功能就是將聲音信號處理后，變?yōu)殡娮娱_關的開動作。明確了電路的信號流程方向后，即可依據(jù)主要元器件將電路劃分為若干個單元，由此可畫出圖2所示的方框圖。聲音信號(腳步聲、掌聲等)由駐極體話筒b1接收并轉換成電信號，經(jīng)c1耦合到Q1的基極進行電壓放大，放大的信號送到與非門(U1A)的1腳，R2、R6是Q1偏置電阻，c2是電源濾波電容。 為了使聲光控開關在白天開關斷開，即燈不亮，由光敏電阻RL1等元件組成光控電路，R7和RL1組成交流24V聲光雙控延

8、時開關電路串聯(lián)分壓電路，夜晚環(huán)境無光時，光敏電阻的阻值很大，RL1兩端的電壓高，即為高電平s時t=2r8c3，改變R3或C5的值，可改變延時時間，滿足不同目的。U1C和U1D構成兩級整形電路，將方波信號進行整形。當C5充電到一定電平時，信號經(jīng)與非門U1C和U1D后輸出為高電平，使單向可控硅導通，電子開關閉合；C5充滿電后只向R3放電，當放電到一定電平時，經(jīng)與非門U1C和U1D輸出為低電平，使單向可控硅截止，電子開關斷開，完成一次完整的電子開關由開到關的過程。二極管d1d4將交流24v進行橋式整流，變成脈動直流電，又經(jīng)R9降壓，c2濾波后即為電路的直流電源，為B1、Q1、IC等電路供電。為安全起

9、見，當學生第一次調試該電路時，請使用交流24V的安全電壓。當電路的功能調試完成并符合要求之后，只需把電阻R9換為83K，該電路就可用來控制交流220V電路中100W以內的白熾燈，即可直接取代普通墻壁手動開關而不必更改原有照明線路。改造后的電路圖如下圖3所示。交流220V聲光雙控延時開關電路。為此在選擇電路元器件時應選擇靈敏度較高的聲音傳感器組成聲控電路控制電路的前端，同時還要為該傳感器設置傳感條件如聲音響度必須在20DB以上才能響應等。中間端采用觸發(fā)器構成，利用觸發(fā)器不觸不發(fā)，一觸即發(fā)的特點去推動照明電路工作，觸發(fā)器的選擇也應選擇靈敏度高，響應時間短的觸發(fā)器如D觸發(fā)器，JK觸發(fā)器等。 2.1.

10、3 光控電路光控電路的主要原理：利用光敏元件隨光照強度的變化而阻抗發(fā)生變化的特點，去控制電信號的強弱，再由傳感器將變化的電信號傳遞給觸發(fā)器，只要電信號強度達到一定程度將觸發(fā)觸發(fā)器使其導通工作。在這樣的電路設計中，對電路元器件的要求也極為高，尤其是光敏元件。光敏元件是光控電路功能實現(xiàn)的核心，必須保證其各項參數(shù)的精確、穩(wěn)定。半導體光敏元件是基于半導體光電效應的光電轉換傳感器，又稱光電敏感器。采用光、電技術能實現(xiàn)無接觸、遠距離、快速和精確測量，因此半導體光敏元件還常用來間接測量能轉換成光量的其他物理或化學量。半導體光敏元件按光電效應的不同而分為光導型和光生伏打型（見光電式傳感器）。光導型即光敏電阻，

11、是一種半導體均質結構。光生伏打型包括光電二極管、光電三極管、光電池、光電場效應管和光控可控硅等，它們屬于半導體結構型器件。半導體光敏元件的主要參數(shù)和特性有靈敏度、探測率、光照率、光照特性、伏安特性、光譜特性、時間和頻率響應特性以及溫度特性等，它們主要由材料、結構和工藝決定。半導體光敏元件廣泛應用于精密測量、光通信、計算技術、攝像、夜視、遙感、制導、機器人、質量檢查、安全報警以及其他測量和控制裝置中。常見光敏元件有：光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等。延時電路基本原理：從20世紀中后期數(shù)字電路的飛速發(fā)展到今天技術已越來越成熟。自從電子計數(shù)器的出現(xiàn)之后各式各樣，功能萬千的定時/計數(shù)器層出不窮。然而

12、正是電子計數(shù)器的出現(xiàn)才使得電子技術的發(fā)展上了一個新的臺階。定時/計數(shù)這一功能在電子電路中的應用，使智能化電路的設計更加名副其實。我們常見的交通紅綠燈，公園里的娃娃車等都是采用了定時計數(shù)技術的典型示例。我們大家都看過智力競賽，都有知道搶答器，然而搶答器更是電子定時/計數(shù)器的典型應用。雖然我們可以花幾元錢就可以從街上買一個不錯的搶答器，但要讓我們自己動手做一個出來就不是一件容易的事的，它不僅只是我們所看到的結果能夠搶答更為重要的是其功能的實現(xiàn)是集成了很多技術。如定時，鎖存，顯示等等，由此可見定時/計數(shù)器的應用不僅廣泛，而且意義深遠。延時電路原理是利用了電子計數(shù)器的原理實現(xiàn)定時功能。延時電路其構成方

13、案一般有三種，即硬件構成，軟件構成和軟硬相結合構成。對于由硬件構成的定時器，一般是用改變R、C元件值控制定時的，其效率較高，但靈活性，通用性較差如555定時器；而由軟件構成的定時器是用執(zhí)行一段程序來實現(xiàn)定時的，其靈活性通用性較高，但效率較差；故現(xiàn)在設計定時器一般都是采用軟硬相結合的方法集兩者之長通過編程設定不同的延時常數(shù)，而由硬件控制定時過程，其效率和靈活性都得到了較大的提高。如大規(guī)模集成電路可編程計數(shù)器8253，51單片機通過編程構成計數(shù)器等。在一 個實際的電路中延時不是主要目的，而主要目的是為了完善電路功能。故作為一個延時電路，在整個電路中其應在延時結束后能發(fā)出一個結束信號，控制電路是否繼

14、續(xù)工作下去。所以前述聲控，光控電路盡管也能實現(xiàn)控制電路的功能，但其功能是不完善的，為此應對其進行改進有三種方案可行：聲控延時；光控延時；聲光聯(lián)控延時；此三種方案可用于不同的場合，現(xiàn)就第三種方案加以事例進行分析。電路設計分析：該電路由電源電路、聲電轉換及放大電路、單穩(wěn)態(tài)延時電路和光控電路組成。為了確保用電安全，220V交流市首先經(jīng)過1：1 隔離變壓器，隔離變壓器的初、次繞組級之間沒有電的聯(lián)系，次級任一線與大地之間沒有電位差，所以人接觸任一線不會觸電。但如果同時接觸兩線也會觸電。電路總體框架：電源電路電源電路由C1、Rl、VD、VS及C2組成。交流市電經(jīng)C1電容降壓，VD整流，VS穩(wěn)壓，再由C2濾

15、波后供給整個電路工作。電路采用電容降壓，與使用變壓器相比，不但縮小了體積，杜絕了噪聲，而且也減小了電路能耗。聲控電路在本次試驗設計中我重點做了聲控方面的實驗和研究，在選擇器材的時候我經(jīng)過研究比較最終選用了HTD煙點陶瓷片作為聲電轉換器材。壓電陶瓷片是一種結構簡單、輕巧的電聲器件，因具有靈敏度高、無磁場散播外溢、不用銅線和磁鐵、成本低，耗電少、修理方便、便于大量生產(chǎn)等優(yōu)點而獲得了廣泛應用。適合超聲波和次聲波的發(fā)射和接收，比較大面積的壓電陶瓷片還可以運用檢測壓力和振動，工作原理是利用壓電效應的可逆性，在其上施加音頻電壓，就可產(chǎn)生機械振動，從而發(fā)出聲音。如果不斷對壓電陶瓷片施加壓力它還會產(chǎn)生電壓和電

16、流。壓點陶瓷片有兩種檢測方法，第一種方法是將萬用表的量程開關撥到直流電壓2.5V擋，左手拇指與食指輕輕捏住壓電陶瓷片的兩面，右手持萬用表的表筆，紅表筆接金屬片，黑表筆橫放陶瓷表面上，然后左手稍用力壓一下，隨后又松一下，這樣在壓電陶瓷片上產(chǎn)生兩個極性相反的電壓信號，使萬用表的指針先向右擺，接著回零，隨后向左擺一下，擺幅約為0.1一0.15V，擺幅越大，說明靈敏度越高。若萬用表指針靜止不動，說明內部漏電或破損。 切記不可用濕手捏壓電片，測試時萬用表不可用交流電壓擋，否則觀察不到指針擺動，且測試之前最好用R×l0k擋，測其絕緣電阻應為無窮大。第二種方法是用R×10k擋測兩極電阻，

17、正常時應為,然后輕輕敲擊陶瓷片，指針應略微擺動。根據(jù)換能器的功能壓電陶瓷片大體上按照發(fā)射型,接收型,收發(fā)型來選用陶瓷,分別對應pzt8,pzt5,pzt4，參數(shù)主要包括：d33,Fr,Fp,D,Cp0。陶瓷片的用量根據(jù)功率極限來算，一般為0.3W/kHz/cm3，厚度要根據(jù)響應或者靈明度來選取。我們設計的聲電轉換及放大電路由HTD、V1、V2等組成。聲控元件采用壓電陶瓷片HTD，它對猝發(fā)聲響極為敏感，作為聲-電換能元件。它將聲響信號轉換為相應的電信號后，通過C3耦合至V1、V2組成的直耦式雙管放大器進行放大。該放大器由R2、RPl提供偏流，調節(jié)RP1，可改變放大器的增益，用以控制聲控靈敏度。R

18、4為直流負反饋電阻，用來穩(wěn)定工作點。C4為交流旁路電容，用以補償放大器的交流增益，R3為放大器的輸出直流負載電阻，放大后的負脈沖信號經(jīng)C5去觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)延時電路，達到控制負載的目的。單穩(wěn)態(tài)延時電路單穩(wěn)態(tài)延時電路由555時基集成電路、R6與C6組成延時回路。穩(wěn)態(tài)時，555集成塊3 輸出端為低電平，當其2腳觸發(fā)端得到一負脈沖觸發(fā)信號時，電路即進入暫態(tài)，輸出端3腳立刻翻轉為高電平、觸發(fā)雙向晶閘管VT導通，燈泡EL發(fā)光。此后，電源經(jīng)R6向C6充電，當C6端電位升至約2/3VCC電路又自動回復到初始穩(wěn)定狀態(tài)，3腳恢復低電平。此時，可控硅因失去觸發(fā)電路而關斷，燈泡熄滅，控制電路暫態(tài)結束，進入穩(wěn)態(tài)，等待下一次

19、觸發(fā)脈沖。圖中R5和RP2組成分壓電路，為集成塊的觸發(fā)端提供一個開門閾值電平，調節(jié)RP2，使觸發(fā)端2腳的電壓略大于 1/3Vcc，迫使3腳輸出低電平。當2腳一旦出現(xiàn)負脈沖信號時，單穩(wěn)態(tài)電路即動作，適當調節(jié)RP2，也可改變控制靈敏度。光控電路光控電路由555時基集成電路、V4、晶閘管等組成。在白天，由于光照度較強，V4的e-c間呈低阻態(tài)，為V3提供了一個較大的偏置電流，使其飽和導通。此時，V3的集電極即555集成塊的強制復位端4腳被強制為低電平，555集成塊處于復位狀態(tài)，使其輸出端3腳恒為低電平，雙向晶閘管因無觸發(fā)電流而關斷，燈泡EL不亮。因此，白天不管聲控信號如何增強，555集成塊的3腳始終為

20、低電平，VTH關斷，達到白天停止照明的目的。晚間，由于光線明顯減弱，V4因無光照而使e-c間呈高阻狀態(tài)，使V3截止，555集成塊強制復位端4腳為高電平，555集成塊退出復位狀態(tài)，電路可受控制。改變R9的值，可以控制光控靈敏度。因此，在設計時不僅須考慮方案的可行性、穩(wěn)定性，還必須充分考慮元器件的靈敏度，尤其是光敏元件必須選擇靈敏度高的，這樣電路的功能才能較容易實現(xiàn)。3 電路制作及調試、試驗按照電路路來進行相對的焊接工作，并將其進行測試和調試，期間注意電解電容器的極性和三極管的管腳排列。壓電陶瓷片要通過導線與電路板連接,注意在焊接壓電陶瓷片時,時間不能太長以免燙壞壓電陶瓷片的鍍銀層。3.1 燈一直

21、不亮 可能是燈泡壞掉，也可能是電源或控制電路出現(xiàn)故障。在確認燈泡正常下先檢查C2兩端是否有10V以下直流電壓，若沒有就說明整流二極管出現(xiàn)故障，需對整流電路進行排障；若C2兩端電壓正常，在檢查光敏電阻正常否，光敏電阻在無光照下阻值應在1M以上，有光照下只有數(shù)百歐姆，若不滿足上述條件應更換光敏電阻；讓光敏電阻無光照下對CD4011四個與非門輸入端依次加入觸發(fā)信號，并用萬用表監(jiān)測期輸出端電平是否改變，若不變，在其他元件正常下則說明芯片損壞；若芯片正常，就檢查R3和可控硅是否異常；若對CD4011各輸入端加入觸發(fā)電平，CD4011能正常翻轉且能點亮燈泡，則應檢查話筒、C1、VT。3.2 燈常亮不熄 首

22、先應該想到這種情況主要是控制電路出現(xiàn)了問題，先檢查可控硅是否損壞，若正常再檢查VT有沒有開路、R7阻值是否增大、VT5是否開路；若未發(fā)現(xiàn)異常，則可能CD4011內部損壞，用以上方法確認后予以更換；若芯片正常則檢查電路有沒有短路。3.3 實際操作1、在焊接R2時拿錯了R6，幸好在焊接R6是發(fā)現(xiàn)并及時排除故障；2、在焊接BM時導線裸露部分過長，并且導線也過長，導致安裝不上，而后將BM下壓縮短與板的距離時出現(xiàn)了裸露部分導線短路現(xiàn)象，不過有早觀察到并更換導線；3、缺乏焊接鍛煉，為此在焊接過程比較生疏，焊點也不是焊得太好；4 技術經(jīng)濟分析本聲光控制開關的設計節(jié)電效果十分明顯，同時也大大減少了維修量、節(jié)約了資金，使用效果良好,方便了人們的日常生活。隨著科學技術的發(fā)展，公共場所照明控制