声光控灯设计报告(东北石油大学)

东北石油大学

课  程  设  计

 

201*年 7 月**日


东北石油大学课程设计任务书

课程                          电子技术课程设计                                             

题目                             声光控灯设计                          

专业    测控技术与仪器    姓名     ***    学号  ***** 

一、主要内容：

1、电路设计：设计一个声光控灯；画出电路原理图； 确定元器件及元件参 数。用Protues软件进行仿真。

2、电路焊接练习：本次课程设计需要完成几个电路焊接任务。

二、基本要求：

1、设计一个声光控灯，准确地理解有关要求，独立完成系统设计，要求所设计的电路具有以下功能：

  1）当电路检测到声音并且光线暗时，灯泡被点亮，

  2）灯点亮一段时间后自动熄灭；

  3）设计电路所需的正负直流电源。

    2、给出设计方案，画出设计电路的电路图、写明电路工作原理、有源元件给出芯片介绍。

    3、用Protues软件进行仿真，给出仿真结果。

三、主要参考资料：

[1]童诗白华成英.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社,2001:87-120.

[2]邱关源.电路[M].北京:高等教育出版社,2006:105-116.

[3]张新喜.Multisim10电路仿真及应用[M].北京:机械工业出版社,2011:1-2.

  完成期限     201*.7.4—201*.7.13    

指导教师      ***    **   

专业负责人    ****          

201*年 7月 **日


摘要

声光控灯是一种声控电子照明装置，声控灯由话筒、音频放大器、选频电路、倍压整流电路、鉴幅电路、恒压源电路、延时开启电路、可控延时开关电路、可控硅电路组成。而声控灯有一种有趣的现象，那就是光线充足时，任你发出多大的声音都不亮 ；但在黑夜，轻轻一声它就发出了亮光，这是为什么呢？原来声控灯还光控电路，以使其在光线足够的时候不工作，所以声控灯的控制盒是声、光同时控制的，在光亮度能达到的情况下，灯不会亮。你可以做一个小实验，你可以用手遮挡声控开关的光控原件然后再发出声音，灯就会亮了。

关键词：声控灯，光敏电阻，放大电路，选频电路。


目录

一、绪论....................................................... 1

1、课题背景................................................ 1

2、设计任务和要求分析...................................... 1

    二、系统设计方案............................................... 2

1、基本原理分析............................................ 2

2、设计方案论证和原理...................................... 2

三、硬件电路设计............................................... 4

1、单元电路设计............................................ 4

2、系统硬件电路设计........................................ 7

3、元器件清单.............................................................................................. 8

四、系统仿真................................................... 9

1、仿真软件介绍............................................ 9

2、仿真结果............................................... 10

    五、电路焊接练习.............................................. 11

1、方波发生器............................................. 11

2、电子幸运转盘........................................... 12

3、收音机................................................. 13

    总结.......................................................... 15

    参考文献...................................................... 16


一、绪论

1、课题背景

由于近年来我国的照明器材行业的迅速崛起，中国已经成为电光源产品的主要输出国之一。照明器材行业属一般性竞争行业，是我国轻工业对外开放较早的行业之一。WTO后，国际上一些知名品牌大企业相继进入国内产销领域，使得国内竞争国际化。努力增加节能光源和不同档次、花样、不同用途的照明器具的开发，加快绿色、节能光源产品的开发推广和应用是我国目前照明器材行业结构调整的重点。我国照明器材行业将面临着前所未有的机遇和挑战，而由此带来的巨大商业利益也成为一些企业瞩目的焦点。随着全球经济一体化，发达国家产业调整的步伐进一步加快，一般照明电器产品生产大量向发展中国家转移，而中国又是一个比较适合的国家，一是中国具备生产这些产品的条件，二是劳动力成本比较低，从而使中国逐步成为照明电器产品出口大国。展望未来的国内市场，需求仍会呈逐年增长趋势，以下强力因素都预示着我国照明市场仍有很大的潜力可挖。降低能耗、节约能源、注重环保是当今世界的主潮流，高能耗且会加剧温室效应的白炽灯越来越不受欢迎。继公布“欧盟后年封杀白炽灯”的时间表后，世界各地陆续抛弃白炽灯已成定局，环保型节能荧光灯VS白炽灯是白炽灯的替代者。随着人们生活现代化水平不断提高，国民经济的快速发展，电力的供需矛盾日益加剧生产更多的电即意味着要消耗更多的煤、石油、天然气、核原料等不可再生资源，还会带来许多相应的环境问题。为此，我们应该从身边做起，珍惜并节约每一度电。所以，现在很多住宅楼道都安装了自动控制楼道灯。

2、设计任务和要求分析

设计任务：

声光控延时开关采用行人脚步，拍手或咳嗽声来控制灯的开启。灯光延时一定时间自动关闭。白天光线强时将其闭锁，即使有行人的脚步声开关始终处于闭锁状态也不会开启。实现声来灯亮、声离灯灭，令我们无论在家里还是在别处，方便自如，都能够乐在其中”。ZX2027灯头型声光控延时开关，在灯头上装上白炽灯安装在走廊、楼梯间或厕所里，白天不亮，晚上只要你发出声响灯就亮20秒，人离开后灯熄灭。

设计要求：

（1）了解声光控延时开关电路的组成及工作原理。

（2）熟悉驻极体话筒和光敏电阻器的特性。

（3）学习声光控延时开关电路设计。 

（4）光线暗时，声音触发开关接通灯亮，延时一定时间后自动熄灭。


二、系统设计方案

1、基本原理分析

声控灯是一种声控电子照明装置，由音频放大器、选频电路、延时开启电路和可控硅电路组成。它提供了一种操作简便、灵活、抗干扰能力强，控制灵敏的声控灯，它采用人嘴发出约1秒的控制信号“嘶”声，即可方便及时地打开和关闭声控照明装置，并有防误触发而具有的自动延时关闭功能，并设有手动开关，使其应用更加方便。声控灯由话筒、音频放大器、选频电路、倍压整流电路、鉴幅电路、恒压源电路、延时开启电路、可控延时开关电路、可控硅电路组成。

2、设计方案论证和原理

 1)、设计思路

在白天或光线较亮时，节电开关呈关闭状态，灯不亮，夜间或光线较暗时，节电开关呈预备工作状态。当有人经过该开关附近时，脚步声等把节电开关启动，灯亮，延时40-50秒，不同的是我们这里用5～15V直流稳压电源供电，由分离元器件或数字集成电路组成。

 2)、总体方案框图

 

图1 基本原理框图

 

图1为原理框图，它主要由一个话筒，电压比较器，有光敏电阻控制的总开关和声控电子开关，一个延时电路等部分组成。我设计的这个声光联控延时照明电路的主要原理就是利用光控部件控制电路白天不工作，而夜晚则由声控部件控制其工作，再由延时部件控制其工作时间。在白天由光控部件控制电路，无论外界有无声音发出电路都不会工作，而到了夜晚光控部件就不在起作用由声控部件控制电路，只要在一定范围内有声音发出且达到一定响度电路就会导通工作，又由延时部件控制其工作时间；由该事例可知声、光、延时三部分是相互联系的没有光控电路不完善，没有声控电路也谈不上延时，而没有延时电路也谈不上控制，总的来说电路的设计较完备。

 3)、基本原理

图2 总体设计电路

电路主要由三部分组成：

I.声控照明电路：

作为声控电路对声音信号的要求既不能太强也不能太弱，太强声控难以实现；而太弱电路结构复杂也难以实现，最好是能接收到如人的讲话声，脚踏地板声。当这类信号转化为电信号时，电信号一般较弱，必须对其进行放大对此可选择功放电路，运放电路，差分电路等，根据电路对信号的要求一般选择运放电路较好，提高信号输出电压。经过这一步实现了声音信号到电信号的转换。有了电信号实现声控就容易了，我们可以让产生的电信号去触发触发器使电路导通。半导体器件必须保证灵敏度高，各电参数精确稳定。实验还提示了驻极体话筒，可以直接将声音信号转换为电信号，下面就运用声音传感器设计的声控照明电路加以分析： 

声控照明电路的主要原理:是利用了声学和电子学的原理即用声音传感器将声音信号转换成电信号从而推动触发器触发使电路导通工作。 

作为一个智能化声控照明电路应具有以下功能：

①能在声音的控制下实现电路的导通与截止。

②声音的发出应是多方面的如脚步声，物体打击声等。

③响应时间应越短越好。

II.光控照明电路：

光敏元器件的应用在光照的情况下使其电参数发生变化从而使其对电流的阻碍作用减小或增大，进而使电路导通或截止，电信号强弱的改变光控转化为电控电路功能的实现便容易了。在这样的电路设计中，对电路元器件的要求也极为高尤其是光敏元件是光控电路功能实现的核心，必须保证其各项参数的精确，稳定。故在选择这类元器件时一定要选择高灵敏度工作稳定可靠的元件，当然电路工作的稳定是否？功能能否实现？并不仅仅只和电路元器件有关，外加电源也是不可忽视的，与声控电路一样最好也是给光控电路加上一个稳压电路确保电路能正常工作。

III.延时电路：

由硬件构成的定时器，一般是用改变R、C元件值控制定时的，其效率较高如555定时器，作为一个延时电路，在整个电路中其应在延时结束后能发出一个结束信号，控制电路是否继续工作下去。

总之，在白天由光控部件控制电路，无论外界有无声音发出电路都不会工作，而到了夜晚光控部件就不在起作用由声控部件控制电路，只要在一定范围内有声音发出且达到一定响度电路就会导通工作，又由延时部件控制其工作时间。声、光、延时三部分是相互联系。

三、硬件电路设计

  1、单元电路设计

1)        声控部分电路

声音传感器：用话筒把声音信号转化为电信号，电信号一般较弱，可对其进行放大对此可选择功放电路，经过这一步实现了声音信号到电信号的转换。有了电信号实现声控就容易了，我们可以让产生的电信号去触发触发器使电路导通。我用的是实验要求推荐的驻极体话筒，起到让声音信号变为电信号即声控开关的作用

图3 声音传感器电路

2）光控部分电路

光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。根据资料：光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。

图4 光控部分电路

2)        延时部分电路

采用555定时器为核心，设计一个定时集成电路，以达到收到电信号后能达到延时40-50s的实验目的。查阅了东北石油大学自编的《脉冲与数学电路》实验讲义，66页后得以下数据和示意图：

    

图5 555定时器示意图

图6 单稳态触发器

图7 555延时电路

表1 555延时电路方法和功能

   2、系统硬件电路设计

图8 总电路设计图

由于仿真系统上找不到MIC所以用一个微小正弦电流信号代替。

   3、元器件清单

表2 元器件清单

四、系统仿真

1、仿真软件介绍

Protues软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，20##年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

有了protel、Multisim、proteus、psice等一系列的软件的存在，就此便可以以虚代实、以软代硬，独立建立一个完善的虚拟实验室。代替了在实验室和教室里的以实物进行实践的方式，可以在计算机上学习电工基础，模拟电路、数字电路、单片机应用系统等课程，并进行电路设计、仿真、调试等。因此这一系列的软件受到广大电子设计爱好者的青睐，是他们工作、学习上难得的工具软件，也因此它们在全球得到了广泛应用。

其中，Proteus软件提供多达30多个元件库，元件涉及到数字和模拟、交流和直流等，有RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，编译方面支持Keil和MPLAB等编译器。它的功能强大，集电路设计、制版及仿真等多种功能于一身，不仅能够对电工、电子技术学科涉及的电路进行设计与分析，还能够对微处理器进行设计和仿真，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。它还提供多种现实存在的虚拟仪器，这些仪表有极高的输入阻抗、极低的输出阻抗，尽可能减少仪器对测量结果的影响。

此外，Proteus软件还有图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来。对于单片机硬件电路和软件的调试，Proteus 提供了两种方法：系统总体执行效果和对软件的分步调试。它还提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试，这些测试信号包括模拟信号和数字信号。在用Proteus进行仿真和程序调试时，只要关心从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。它还提供Schematic Drawing、SPICE仿真与PCB设计功能，同时可以仿真单片机和周边设备，可以仿真PIC、AVR、51系列等常用的MCU，并提供周边设备的仿真，例如示波器、373、led等。

2、仿真结果

图9 仿真结果截图

首先输入一次脉冲信号，调节555定时器做的单稳态触发器中的可调变阻器RW，使延迟时间变为实验所需的40-50秒，即可正常工作。

 实验结果：

当白天时，光敏电阻RL成低阻状态，与非门输出高电平，555定时器3脚则保持低电平，继电器开关K保持断开状态，照明电路断开，有声音时灯也不会亮。

当夜晚时，光敏电阻RL成高阻状态。阻值远远大于R6，输出高电平。这是如果话筒未接收到声音时，LM3900的4脚输出为高电平，电容C2右端为高电平，信号通过逻辑门电路后变为高电平，输入到555定时器2脚，555定时器3脚则保持低电平，继电器开关K保持断开状态，照明电路断开，灯不亮。如果话筒接收到声音时，LM3900的4脚输出为低电平。由于电容两端电压不能突变，电容C2右端为低电平，信号通过逻辑门电路后变为低电平。输入到555定时器2脚，当555定时器2脚接收到一个低电平时，555定时器3脚则输出一定时间的高电平，使三极管T导通，继电器开始工作，继电器开关K闭和，照明电路接通。照明持续一段时间后，555定时器3脚变为低电平，继电器开关K关断，照明电路断开。

五、电路焊接练习

    1、方波发生器

1)、电路图

图10 方波发生器电路原理图

2)、基本原理

本电路用1块LM324运放器和6个元件。它的脉冲频率调节范围可从400Hz到4kHz；占空比调节范围从1%到99%，输出脉冲最大幅度可接近±5V。

如图９所示，ICA为阈值检测器，ICB为积分器，它的输出为三角波。ICA输出正向电压使ICB输出负向三角波。当负向三角波达到某一值时其正反馈量使ICA翻转，输出变负，从而引起ICB输出为正向三角波。由此周而复始。ICA的输入偏置电压和输出饱和电压将决定三角波的幅值。本电路中的三角形输出幅值峰峰值为1V，并与地对称。ICC为电压跟随器，100KΩ电位器提供可变的参考电压，ICC输出的参考电压与ICB输出的三角波电压送比较器。

改变参考电压可改变比较器输出脉冲的占空比，而且输出脉冲频率不变。调节P1可改变比较器输出脉冲频率，R1的改变使积分器积分常数变化，但它并不改变输出波形的占空比。

3)、焊接情况及总结

由于之前没有接触过电路焊接，缺乏电路焊接的经验导致焊点较大。焊接好后拿去测试没有成功，经检查后发现遗漏的焊接一处，焊接好该处后再次拿去测试示波器显示出了完整的方波。

2、电子幸运转盘

1)、电路图

图11 电子幸运转盘电路原理图

    2)、基本原理

电路主要由脉冲产生器和十进制计数器组成。脉冲产生器誘NE555及外围元件构成多谐振荡器，当按下按键S1时Q1导通，NE555的3脚输出脉冲，则CD4017的10 个输出端轮流输出高电平驱动起哦只LED轮流发光。松开按键后，由于有电容C1的存在，Q1不会立即截止，随着C1两端电压的下降，Q1的导通程序逐渐减弱，3脚输出脉冲频率变小，LED移动频率也随之变慢。最后当C1放电结束后。Q1 截止，NE555的3脚不再输出脉冲，LED停止移动。一次“开奖”过程就这样完成了。R2决定LED移动的速度，R1、C2决定等待“开奖”的时间。

3)、焊接情况及总结

经过上一次的电路焊接练习，已经可以熟练掌握电路焊接。加上此次焊接的是印刷电路板不用设计电路图，所以可以快速完成焊接实验并成功实验。

3、收音机

1)  电路图

图12 收音机电路原理图

2)  基本原理

本机电路图如图12所示。由B1及C1-A组成的天线调谐回路感应出广播电台的调幅信号，选出我们所需的电台信号f1进入V1基极，本振信号调谐在高出f1一个中频(465KHz)的f2进入V1发射极，由V1三极管进行变频(或称混频)，在V1集电极回路通过B3选取出f2与f1的差频(465KHz中频)信号；中频信号经V2和V3二级中频放大,进入V4检波管,检出音频信号经V5低频放大和由V6、V7组成变压器耦合功率放大器进行功率放大，推动扬声器发声。图中D1、D2组成1.3V±0.1V稳压，提供变频、一中放、二中放、低放的基极电压，稳定各级工作电流，保证整机灵敏度。V4发射结结用作检波。R1、R4、R6、R10分别为V1、V2、V3、V5的工作点调整电阻，R11为V6、V7功放级的工作点调整电阻，R8为中放的AGC电阻，B3、B4、B5为中周，既是放大器的交流负载又是中频选频器，该机的灵敏度、选择性等指标靠中频放大器保证。B6、B7为音频变压器，起交流负载及阻抗匹配的作用。本机由3V直流电压供电。为了提高功放的输出功率，因此，3V直流电压经滤波电容C15去耦滤波后，直接给低频功率放大器供电。而前面各级电路是用3V直流电压经过由R12、VD1、VD2组成的简单稳压电路稳压后供电。目的是用来提高各级电路静态工作点的稳定性。

3)  焊接情况及总结

收音机的零件比较多，焊接需要耐心和细心。有了前面两个电路的焊接练习，收音机的焊接工作进行得比较顺利。虽然需要焊接的零器件比较多但是经过自己的耐心焊接后还是挺容易就焊接出来了。将焊接好的收音机拿到外面接受信号时发现调补出电台，经过老师的指导后，拿螺丝刀在真当线圈后面调节后可以听到有然说话的声音，虽然不是很清晰但是毕竟还是收到了电台不枉环肥了一上午的时间在它身上。

总结

在这次课程设计中我遇到了这样那样的问题，理论知识的不足，没有设计灵

感，设计电路有缺陷，没达到任务书要求，画图，排版，最让我痛心的是第二天下午我做了一下午要存盘时竟然死机了！一下午的努力付之东流，我是欲哭无泪，晚饭都没心情吃了，但等到最总设计完成时很高兴，设计中遇到的种种问题似乎倒成了我的美好回忆，一种成就感让我在那一直傻笑，还有了一些体会：

这次课程设计让我很难忘，通过此次电子设计我明白了想要把所学的知识应用于实践一定要有扎实的基本功，完整的知识体系，所以说这次课程不仅锻炼了我的创作能力——用所学知识设计了自己的电子产品，而且加深了我对模拟电路和数字电路的了解和利用，大幅度提高了自己的知识水平和运用知识的能力，也认识到了由于自己知识水平有限，没有使用更合理技术，设计出更好的作品。设计的作品缺陷是电路复杂，但能比较精确的控制时间，能基本达到任务书中所要求的内容，当然我知道这还远远不够。

我还认识到了不光是理论课，与之配套的实验课内容有着同等重要的作用，我的这次设计主要要解决的就是延迟电路的设计，而给我思路与灵感的正是这学期所学的，与数字与模拟电路实验课所学的，咱们大庆石油学院自编的实验教材——“《脉冲与数字电路》实验讲义”中对555定时器的推广应用——“单稳态触发器”，有了这个理论基础做后盾后，剩下的问题显得迎刃而解，一个光敏总开关，一个麦克当信号源跟稳态触发器一接，再加个电源，我很快就完成了设计任务，心里很高兴，有一种说不出的成就感，毕竟这是我从理论走向实际，从让老师手把手教的学生变成一个自主运用知识解决实际问题的设计者，这是我在大学学习生活的又一大收获。

我爱我的设计，也喜欢我们这次让我难忘的课程设计实习过程。

参考文献

[1]童诗白华成英.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社,2001:87-120.

[2]邱关源.电路[M].北京:高等教育出版社,2006:105-116.

[3]张新喜.Multisim10电路仿真及应用[M].北京:机械工业出版社,2011:1-2


东北石油大学课程设计评价表

指导教师：                         年     月     日

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