聲光控制樓道燈設(shè)計(jì)項(xiàng)目報(bào)告

南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系模塊化課程工程研究報(bào)告課程名稱(chēng)：工程名稱(chēng)：班級(jí):姓名：學(xué)號(hào)：同組成員：成績(jī)：教師簽名：一、引言目前公共場(chǎng)所和居民居住區(qū)的公共樓道燈的控制主要采用，按鈕式、觸摸式和聲光控制式。按鈕式開(kāi)關(guān)控制的樓道燈,由于各種原因往往出現(xiàn)許多燈泡點(diǎn)亮長(zhǎng)明的現(xiàn)象,故使燈泡壽命短,浪費(fèi)電量,為國(guó)家、單位、個(gè)人造成經(jīng)濟(jì)損失。另外，由于頻繁開(kāi)關(guān)或其他人為因素，墻壁開(kāi)關(guān)的損壞率很高，既增大了維修量、浪費(fèi)了資金，又容易造成事故隱患。觸摸式的樓道燈開(kāi)關(guān)，價(jià)格昂貴，而且用在公共樓道觸摸的人比擬多，易損壞，不衛(wèi)生。而聲光控制式開(kāi)關(guān)采用集成電路，是一種電路新穎、平安節(jié)電、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便的聲光雙控樓道燈節(jié)能自動(dòng)開(kāi)關(guān)。它能自動(dòng)控制公共樓道燈白天開(kāi)關(guān)、夜間聞聲亮燈。具有靈敏、低耗、性能穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、節(jié)能等特點(diǎn)。這里介紹聲、光空自動(dòng)節(jié)能開(kāi)關(guān)，綜合了聲、光控制、工作穩(wěn)定、節(jié)電并可延長(zhǎng)燈泡壽命。在白天火光線(xiàn)較強(qiáng)的場(chǎng)合即使有較大的振動(dòng)聲響也能控制燈泡不亮；晚上或光線(xiàn)較暗遇到聲響、振動(dòng)后燈光自動(dòng)點(diǎn)亮。二、方案的論證方案1主要由555集成塊組成的聲光延時(shí)電路，系統(tǒng)框圖如下列圖：主要包含四部份電路，分別為：電源電路、光控電路、聲控延時(shí)電路、晶閘管開(kāi)關(guān)電路。電源局部主要為控制電路提供工作電壓，通過(guò)降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓，使電路輸出12V直流電壓供應(yīng)控制電路。光控電路是根據(jù)光線(xiàn)的強(qiáng)弱愛(ài)優(yōu)先決定電燈的亮滅。該電路可以對(duì)聲控延時(shí)電路進(jìn)行控制，光線(xiàn)較強(qiáng)時(shí)，光控電路輸出低電平將聲控電路封鎖；光線(xiàn)較暗時(shí)，光控電路輸出高電平，那么聲控功能翻開(kāi)。采用光敏電阻和其他電阻組成的分壓電路來(lái)控制555定時(shí)器的觸發(fā)輸入端2腳，并且將555定時(shí)器的2腳和6腳連接在一起，通過(guò)一電容接地，555定時(shí)器的輸出控制聲控電路的555定時(shí)器的復(fù)位端。聲控延時(shí)電路在白天，該電路在光控電路的控制作用下，處于關(guān)閉狀態(tài)，，對(duì)任何聲音信號(hào)都不響應(yīng)；在晚上，光控電路將該電路的功能翻開(kāi)，使得該電路能根據(jù)外界聲音信號(hào)作出相應(yīng)的響應(yīng)。經(jīng)放大處理后的聲音信號(hào)控制處于單穩(wěn)工作模式的555定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)聲控及延時(shí)功能。晶閘管開(kāi)關(guān)電路該電路受聲控電路555定時(shí)器輸出端的控制。當(dāng)其輸出低電平時(shí)，晶閘管截止，由于照明燈與晶閘管串聯(lián)，所以燈熄滅；當(dāng)其輸出高電平時(shí)，晶閘管導(dǎo)通，照明燈點(diǎn)亮。繼電器電路放大電路單穩(wěn)態(tài)電路方案2主要由三極管和繼電器構(gòu)成，主要由三局部電路組成：放大電路、單穩(wěn)態(tài)電路、繼電器電路。下面對(duì)其電路的工作原理作簡(jiǎn)單的分析。繼電器電路放大電路單穩(wěn)態(tài)電路MICMICMIC將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，所轉(zhuǎn)換的電信號(hào)很微弱，只有通過(guò)三極管VT1放大電路把微弱的信號(hào)進(jìn)行放大后，才能去觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路。放大后信號(hào)中的負(fù)脈沖作用在三極管VT2的基極上時(shí)，可以使單穩(wěn)態(tài)電路翻轉(zhuǎn)。電路中的電容C3是電源退耦濾波電容器。在電路的穩(wěn)態(tài)過(guò)程下，單穩(wěn)態(tài)電路中的三極管VT2導(dǎo)通，三極管VT3截至。三極管VT3的集電極為高電平，接在它上面的三極管VT4是PNP型三極管，所以三極管VT4沒(méi)有導(dǎo)通，繼電器不工作。一旦有外界的聲音來(lái)觸發(fā)電路，單穩(wěn)態(tài)電路中三極管VT2的基極受到負(fù)脈沖的作用而截至，單穩(wěn)態(tài)電路處在了暫態(tài)的過(guò)程中。這時(shí)三極管VT3導(dǎo)通，他的集電極電壓下降，導(dǎo)致與它連接的三極管VT4也導(dǎo)通，繼電器吸合。由于單穩(wěn)態(tài)電路的暫態(tài)時(shí)間是由電阻R3與電容器C2的參數(shù)決定的，所以十秒后單穩(wěn)態(tài)電路會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)過(guò)程下，繼電器停止工作。方案3主要由四與非門(mén)CD4011集成塊構(gòu)成，電路由直流供電電路、控制電路、延時(shí)電路三局部組成?？刂齐娐凡捎酶緮?shù)字邏輯單元進(jìn)行設(shè)計(jì)。聲控?zé)粼砜驁D直流供電電路直流供電電路由D1-D4組成橋式整流電路。交流220V電壓經(jīng)橋式整流橋后變成脈動(dòng)的直流電，供后續(xù)電路工作?？刂齐娐房刂齐娐酚伤呐c非門(mén)CD4011、駐極體話(huà)筒BM、光敏電阻R5、三極管9014、單向可控硅SCR等元器件組成。白天，由于光敏電阻R5阻值低，其兩端電壓低，CD4011的一腳為低電平，3腳即變成高電平，導(dǎo)致11腳為低電平，即單向可控硅控制極G為低電平，單向可控硅截止，燈泡不亮。夜晚，由于光敏電阻沒(méi)有受到陽(yáng)光照射，其阻值很高，兩端電壓較高，即1腳變成高電平，此時(shí)3腳的狀態(tài)受1、2腳控制，假設(shè)2腳為高電平，那么3腳為低電平，假設(shè)2腳為低電平，那么3腳位高電平。當(dāng)駐極體接收到聲音信號(hào)后，經(jīng)C4的濾波，送一個(gè)信號(hào)到5、6腳，而4腳變?yōu)榈碗娖?，使?3腳變?yōu)榈碗娖剑?1腳輸出高電平，單向可控硅控制極變成高電平，單向可控硅導(dǎo)通，燈泡點(diǎn)亮。當(dāng)駐極體沒(méi)有接收到聲音信號(hào)時(shí)，11腳為低電平，燈泡不亮，工作原理類(lèi)同白天情況。延時(shí)電路由C2、R7組成，通過(guò)C2的充放電來(lái)維持燈泡的點(diǎn)亮狀態(tài)，延時(shí)的時(shí)間由C2的容量及R7的阻值來(lái)決定。方案選擇由于方案一電路設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜，需要兩個(gè)555計(jì)時(shí)器，并且需要變壓器實(shí)現(xiàn)低電壓來(lái)執(zhí)行各個(gè)電路，所需要的元器件多，不易實(shí)現(xiàn)，可行性較差。方案二由于采用了繼電器電路中存在機(jī)械觸點(diǎn)，易產(chǎn)生電弧，存在平安隱患。而方案三設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，所用元器件少，可行性好。應(yīng)選擇三號(hào)方案。三、器件說(shuō)明元件介紹及其在該電路中組成的單元電路電阻英文名resistance，通?？s寫(xiě)為r，它是導(dǎo)體的一種根本性質(zhì)，與導(dǎo)體的尺寸、材料、溫度有關(guān)。電阻的根本單位是歐姆，用希臘字母“Ω〞表示，表示電阻阻值的常用單位還有千歐〔kΩ〕，兆歐〔mΩ〕。電阻器的種類(lèi)有很多，通常分為三大類(lèi)：固定電阻，可變電阻，特種電阻。電容電容器是“儲(chǔ)存電荷的容器〞,簡(jiǎn)稱(chēng)電容，用字母C表示。盡管電容器品種繁多，但它們的根本結(jié)構(gòu)和原理是相同的。兩片相距很近的金屬中間被某物質(zhì)〔固體、氣體或液體〕所隔開(kāi)，就構(gòu)成了電容器。兩片金屬稱(chēng)為的極板，中間的物質(zhì)叫做介質(zhì)。電容器也分為容量固定的與容量可變的。但常見(jiàn)的是固定容量的電容，最多見(jiàn)的是電解電容和瓷片電容。在電子線(xiàn)路中，電容用來(lái)通過(guò)交流而阻隔直流，也用來(lái)存儲(chǔ)和釋放電荷以充當(dāng)濾波器，平滑輸出脈動(dòng)信號(hào)。電容器的選用涉及到很多問(wèn)題。首先是耐壓的問(wèn)題。加在一個(gè)電容器的兩端的電壓超過(guò)了它的額定電壓，電容器就會(huì)被擊穿損壞。電阻和電容組成的延時(shí)電路C2、R8組成的延時(shí)電路二極管半導(dǎo)體是一種具有特殊性質(zhì)的物質(zhì)，它不像導(dǎo)體一樣能夠完全導(dǎo)電，又不像絕緣體那樣不能導(dǎo)電，它介于兩者之間，所以稱(chēng)為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體最重要的兩種元素是硅和鍺。二極管最明顯的性質(zhì)就是它的單向?qū)щ娞匦?，就是說(shuō)電流只能從一邊過(guò)去，卻不能從另一邊過(guò)來(lái)〔從正極流向負(fù)極〕。二極管種類(lèi)有很多，按照所用的半導(dǎo)體材料，可分為鍺二極管〔Ge管〕和硅二極管〔Si管〕。根據(jù)其不同用途，可分為檢波二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管、開(kāi)關(guān)二極管等。光敏二極管組成的光控電路光敏二極管也叫光電二極管。光敏二極管與半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是類(lèi)似的,其管芯是一個(gè)具有光敏特征的PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦?，因此工作時(shí)需加上反向電壓。無(wú)光照時(shí),有很小的飽和反向漏電流,即暗電流，此時(shí)光敏二極管截止。當(dāng)受到光照時(shí),飽和反向漏電流大大增加，形成光電流,它隨入射光強(qiáng)度的變化而變化。當(dāng)光線(xiàn)照射PN結(jié)時(shí)，可以使PN結(jié)中產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，使少數(shù)載流子的密度增加。這些載流子在反向電壓下漂移，使反向電流增加。因此可以利用光照強(qiáng)弱來(lái)改變電路中的電流。常見(jiàn)的有2CU、2DU等系列。光敏二極管組成的光控電路四個(gè)二極管組成的硅整流橋整流電路晶閘管可控硅也稱(chēng)作晶閘管，它是由PNPN四層半導(dǎo)體構(gòu)成的元件，有三個(gè)電極，陽(yáng)極a，陰極k和控制極g?？煽毓柙陔娐分心軌?qū)崿F(xiàn)交流電的無(wú)觸點(diǎn)控制，以小電流控制大電流，并且不象繼電器那樣控制時(shí)有火花產(chǎn)生，而且動(dòng)作快、壽命長(zhǎng)、可靠性好。在調(diào)速、調(diào)光、調(diào)壓、調(diào)溫以及其他各種控制電路中都有它的身影?？煽毓璺譃閱蜗虻暮碗p向的，符號(hào)也不同。單向可控硅有三個(gè)PN結(jié)，由最外層的P極和N極引出兩個(gè)電極，分別稱(chēng)為陽(yáng)極和陰極，由中間的P極引出一個(gè)控制極。單向可控硅有其獨(dú)特的特性：當(dāng)陽(yáng)極接反向電壓，或者陽(yáng)極接正向電壓但控制極不加電壓時(shí)，它都不導(dǎo)通，而陽(yáng)極和控制極同時(shí)接正向電壓時(shí)，它就會(huì)變成導(dǎo)通狀態(tài)。一旦導(dǎo)通，控制電壓便失去了對(duì)它的控制作用，不管有沒(méi)有控制電壓，也不管控制電壓的極性如何，將一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。要想關(guān)斷，只有把陽(yáng)極電壓降低到某一臨界值或者反向。普通晶閘管的陽(yáng)極與陰極之間具有單向?qū)щ姷男阅?，其?nèi)部可以等效為由一只PNP晶閘管和一只NPN晶閘管組成的組合管。晶閘管控制電路聲控元件本電路中采用駐極體話(huà)筒，駐極體話(huà)筒也稱(chēng)駐極體傳聲器，它是利用駐極體材料制成的一種特殊電容式“聲—電〞轉(zhuǎn)換器件。其主要特點(diǎn)是體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻響寬、靈敏度高、耐震動(dòng)、價(jià)格廉價(jià)。駐極體話(huà)筒是目前最常用的傳聲器之一，在各種傳聲、聲控和通信設(shè)備〔如無(wú)線(xiàn)話(huà)筒、盒式錄音機(jī)、聲控電燈開(kāi)關(guān)、機(jī)、、多媒體電腦等〕中應(yīng)用非常普遍。常見(jiàn)的機(jī)裝型駐極體話(huà)筒形狀多為圓柱形，其直徑有φ6mm、φ9.7mm、φ10mm、φ10.5mm、φ11.5mm、φ12mm、φ13mm……多種規(guī)格；引腳電極數(shù)分兩端式和三端式兩種，引腳形式有可直接在電路板上插焊的直插式、帶軟屏蔽電線(xiàn)的引線(xiàn)式和不帶引線(xiàn)的焊腳式3種。如按體積大小分類(lèi)，有普通型和微型兩種。駐極體話(huà)筒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理圖:駐極體話(huà)筒的工作原理：當(dāng)駐極體膜片遇到聲波振動(dòng)時(shí)，就會(huì)引起與金屬極板間距離的變化，也就是駐極體振動(dòng)膜片與金屬極板之間的電容隨著聲波變化，進(jìn)而引起電容兩端固有的電場(chǎng)發(fā)生變化〔U＝Q/C〕，從而產(chǎn)生隨聲波變化而變化的交變電壓。由于駐極體膜片與金屬極板之間所形成的“電容〞容量比擬小〔一般為幾十波法〕，因而它的輸出阻抗值〔XC=1/2πfC〕很高，約在幾十兆歐以上。這樣高的阻抗是不能直接與一般音頻放大器的輸入端相匹配的，所以在話(huà)筒內(nèi)接入了一只結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體三極管來(lái)進(jìn)行阻抗變換。通過(guò)輸入阻抗非常高的場(chǎng)效應(yīng)管將“電容〞兩端的電壓取出來(lái)，并同時(shí)進(jìn)行放大，就得到了和聲波相對(duì)應(yīng)的輸出電壓信號(hào)。駐極體話(huà)筒內(nèi)部的場(chǎng)效應(yīng)管為低噪聲專(zhuān)用管，它的柵極G和源極S之間復(fù)合有二極管VD，主要起“抗阻塞〞作用。由于場(chǎng)效應(yīng)管必須工作在適宜的外加直流電壓下，所以駐極體話(huà)筒屬于有源器件，即在使用時(shí)必須給駐極體話(huà)筒加上適宜的直流偏置電壓，才能保證它正常工作，這是有別于一般普通動(dòng)圈式、壓電陶瓷式話(huà)筒之處。局部常用駐極體話(huà)筒的性能參數(shù)表根據(jù)電路分析選擇上表中的加黑框的型號(hào)。聲控電路CD4011CD4011是CMOS電路，內(nèi)部是四個(gè)與非門(mén)，14個(gè)引腳，工作電壓3~18V，頻率約5MHz，輸入/輸出為CMOS電平。CD4011引腳圖元件清單LibRef〔元件名〕Designator〔元件序號(hào)〕規(guī)格數(shù)量PartType〔元件標(biāo)注〕Footprint〔元件封裝〕BRIDGE1D14007整流橋1VD1~VD4D-37DIODEVD54148二極管1DIODEDIODE0.4RES2R1180kΩ、1180kΩAXIAL0.4RES2R224kΩ、124kΩAXIAL0.4RES2R3、R62MΩ、22MΩAXIAL0.4RES2R4120kΩ、1120kΩAXIAL0.4RES2R568kΩ、168kΩAXIAL0.4RES2R76.2MΩ、16.2MΩAXIAL0.4RES2R830kΩ、130kΩAXIAL0.4POT2R9100~50滑動(dòng)變阻器1100~50VR1ELECTRO1C1100uF/25V1100uF/25VRB.2/.4ELECTRO1C210uF/25V110uF/25VRB.2/.4CAPC31521152RAD0.1CAPC4333~2231333~223RAD0.1CAPC56811681RAD0.1Component_1A1CD40111DIP14聲控MK聲控器件1聲控麥SCRMCR100~8可控硅1SCRTO-92BPHOTO光敏器件光敏二極管1PHOTODIODE0.4LAMP白熾燈15~25W白熾燈112~15WSIP2四、原理圖及PCB電路設(shè)計(jì)1．自建元件庫(kù)及封裝庫(kù)因?yàn)楸倦娐沸枰玫紺D4011集成塊，而它是一個(gè)復(fù)合式元件，由四個(gè)與非門(mén)組成，所以需要自己創(chuàng)立它的元件庫(kù)。首先新建一個(gè)名為“我的元件庫(kù).ddb〞的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，并保存。翻開(kāi)“我的元件庫(kù).ddb〞中的“Documents〞，翻開(kāi)后在“Documents〞內(nèi)新建一個(gè)名為“YFM.lib〞的元件庫(kù)文件。翻開(kāi)“YFM.lib〞在編輯畫(huà)面的中心繪制第一個(gè)單元，單擊繪圖工具欄上的“矩形“按鈕，繪制元件的輪廓。然后放置引腳，在1、2引腳的屬性對(duì)話(huà)框中的“Electrical〞欄選為“Input〞，3引腳選為“Output〞3引腳的“Dot〞項(xiàng)應(yīng)被選中，所有引腳的引腳名“Name〞欄設(shè)置為空，“Pin〞欄寫(xiě)入“30〞。此時(shí)查看一下“BrowseSchLib〞選項(xiàng)卡中“Part〞區(qū)域，顯示為“1/1〞，說(shuō)明此時(shí)4011元件只有一個(gè)元件，新建一個(gè)元件單元或子元件，執(zhí)行菜單命令“Toos〞—“NesPart〞，于是出現(xiàn)一個(gè)新的編輯畫(huà)面。將第一個(gè)單元的圖形復(fù)制過(guò)來(lái)，按第二單元圖形修改引腳號(hào)即可。重復(fù)上述步驟，繪制第三、第四單元。全部單元符號(hào)繪制完畢后，在每個(gè)單元放置電源VCC〔“Number〞欄為“14〞〕和GND〔“Number〞欄為“7〞〕，根據(jù)要求，隱藏其中的幾個(gè)腳，最后保存。注意：各個(gè)單元的電源引腳的“Number〞都是“14〞和“7〞。新建“我的封裝庫(kù).ddb〞，在其中新建一個(gè)“SK.lib〞的封裝庫(kù)文件，根據(jù)所選的聲控器件的外形及引腳尺寸〔9.7mm*6.7mm〕繪制聲控器件的封裝。點(diǎn)擊“圓〞按鈕，繪制一個(gè)直徑為9.7mm的圓，在圓的中間放置兩個(gè)焊盤(pán)，使其間距剛好為6.7mm。保存封裝庫(kù)。繪制原理圖重新新建一個(gè)名為“聲光控制樓道燈.ddb〞的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，并保存，在“Documents〞中新建一個(gè)SGB.sch的原理圖文件，將其翻開(kāi)，根據(jù)元件清單中的各元件，裝載其元件庫(kù)，同時(shí)也將“YFM.lib〞和“SK.lib〞裝載進(jìn)來(lái)。將所用到的元件依次都放置到繪圖區(qū)，并按要求擺放好位置，在用繪圖工具欄上的“導(dǎo)線(xiàn)〞按鈕，將所要連接的點(diǎn)連接好。按元件清單中元件的序號(hào)和封裝名將原理圖中的元件進(jìn)行標(biāo)注和封裝，并根據(jù)原理圖生成網(wǎng)絡(luò)表。注意：元件管腳處理，將整流橋的四管腳，按封裝D-37中管腳的名稱(chēng)進(jìn)行修改:1腳和3腳改為AC，2腳改為+，4腳改為—。二極管和光敏二極管按封裝DIODE0.4將管腳進(jìn)行修改：1腳改為A，2腳改為K。繪制P