声光控开关实验报告

实验目的：通过对声光开关的制作，掌握焊接技术，以及声光开关的基本原理。

实验器材：印刷电路板，电容若干，电阻若干，单向可控硅一个，三极管一个，光敏电阻一个，话筒一个，二极管若干，CD4011芯片一块。

实验内容：

工作原理：

选用CD4011集成块为延时电路，选用1A单向进口可控硅以及性能稳定的光敏电阻和驻极体组成的声光控动作电路，此电路节省能源，制作方便。

 声光控开关必须同时具备两个条件，声光才起作用。从声光控开关的结构上分析，开关面板表面装有光敏二级管，内部装有柱极体话筒。而光敏二极管的敏感效应，只有在黑暗时才起到作用（可用液晶万用表测得数值）。也就是说当环境变暗到一定程度，光敏二级管感应后会在电子线路板上产生一个脉冲电流，使光敏二级管一路电路处在关闭状态，只要声音刺激，柱极体活简就会同样产生脉冲电流，这时声光控制开关电路就连通起作用。因为必须要二个条件同时存在，声光控开关才起作用。

实验成果展示：

    外观展示            电路背面             电路正面

通过对开关延时性能的测试，在黑暗中受到声波刺激后，与之相连的台灯发光，此开关延时53秒后熄灭，达到了延时效果。

实验总结：在实验中，我们制作了这种通过声音与光照控制电路的开关，它可以用于楼梯，车库，过道等公共场所。在白天强光，多杂音的情况下，开关保持断开，不导通；在黑暗，安静的环境中，通过一个声音刺激就能使开关导通，从而接通电路，过段时间后自动熄灭。

电路中的器件廉价，可靠，稳定，使得它可以广泛的运用与生活之中，达到节能的效果，做到用科技改变生活。

通过本实验，我在实践中运用了所学到的知识，深入了解电路的设计，并牢固掌握。

同时，我们在焊接过程中，也掌握了一门技术，在理论学习中加强了实践动手能力，全面发展了自我。在此过程中的种种问题，以及在实验中解决问题的方法，都将是以后的生活工作中的一笔宝贵的财富。

 

第二篇：声光控开关

声光控延时开关电路设计与制作指导书

 一任务与要求

1任务：设计声光控制的开关电路

2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，掌握检测方法及其应用电路。

（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（50秒左右）后自动熄灭

二、原理描述

1、声光控延时开关电路的组成

声光控延时开关实现在白天呈关闭状态，只有在晚上且存在声响情况下（如人的脚步声等）才开启，开启后延时一段时间后又能自动关闭。这种开关广泛应用于楼梯、走廊、公厕等公共场合作照明灯自动控制开关。

声光控延时开关电路方框组成如图5.3.1所示，包括声音检测、亮度检测、判别电路、延时电路和开关电路等几个主要部分。

声音检测通常由驻极体话筒或高灵敏度的压电陶瓷片完成。亮度检测由光敏电阻器完成。判别电路综合检测信号，符合预定条件（晚上且存在声响情况）输出控制信号开启开关。延时电路在开关开启后延时预定时间，输出控制信号关闭开关。开关常用可控硅或继电器。

2、驻极体话筒的特性及其检测

驻极体话筒简称ECM，通称MIC（Microphone），是一种常用的能将声音信号转换成电信号的声—电转换器件。它的突出特点是体积小、重量轻、结构简单、使用方便、寿命长、频响宽、灵敏度高，且价格也比较低廉。因而被广泛应用于盒式录音机、无线话筒及声控开关等电子电路中。

驻极体话筒的核心器件是驻极体振动膜。它实际上是一种经永久性极化处理的电介质。其制作原理是，将一片极薄的塑料膜片的一面蒸发上一层纯金薄膜，然后将其置于高压电场之下驻极，使两面分别驻有能长期保持的异性电荷。膜片的蒸金一面向外，与金属外壳相连通，膜片的另一面与金属极板之间用很薄的绝缘衬圈隔离开。这样，蒸金膜与金属极板之间便形成了一个电容。当驻极体膜片受到声波作用而振动时，就引起电容两端的电场发生变化，从而产生随声波变化的交变电压信号。

驻极体的输出阻抗值很高，约几十兆赫以上。因此，使用时不能直接与音频放大器匹配，需加一级阻抗变换器，将高阻抗变为几百欧或几千欧的低阻抗。通常在驻极体话筒产品内部加装有由低噪声结型场效应管构成的阻抗变换器，形成三端话筒。

图5.3.2是驻极体话筒的实物结构分解、接线、外形和电路符号。

三端驻极体话筒应用电路有两种接法，分别可接成源极输出或漏极输出方式。

不少驻极体话筒产品内部没有加装场效应管，两个输出接点可以任意接人电路，但最好把接外壳的一点接地，另一点接人由场效应管组成的高阻抗输入前置放大器。

在选用驻极体话筒时，重点应注意其灵敏度的高低。驻极体话筒的灵敏度通常用白、蓝（绿）、黄、红等色点来分挡，白点灵敏度最高，红点最低。有的话筒则以防尘罩的相应颜色来表示灵敏度，也有的用与型号有明显区别的A、B、C等字母表示，A为最低灵敏度，顺序逐次类推。

国产驻极体话筒的典型产品有CRZ2-9、CBZ2-11和ZCH-12等型号。其中CRZ2-9的外形尺寸为Φ1.5×19（mm），引出线使用的是屏蔽线，为两端引线方式，屏蔽层是正极。它的电压灵敏度为0.5mV/mPa，频响范围为50~10 000Hz，输出阻抗为1kΩ。

驻极体话筒的检测包括电阻测量和灵敏度测量。

电阻测量时，将万用表置于R×100或R×1k挡，红表笔接驻极体话筒的芯线或信号输出点，黑表笔接引线的金属外皮或话筒的金属外壳。一般所测阻值应在500Ω~3kΩ范围内。若所测阻值为∞，则说明话筒开路，若测得阻值接近0，则表明话筒有短路性故障。如果阻值比正常值小得多或大得多，都说明被测话筒性能变差或已经损坏。

灵敏度检测方法是：将万用表置于R×100挡，将红表笔接话筒的负极（一般为话筒引出线的芯线），黑表笔接话筒的正极（一般为话筒引出线的屏蔽层），此时，万用表应指示出某一阻值（例如1kΩ），接着正对着话筒吹一口气，并仔细观察指针，应有较大幅度的摆动。万用表指针摆动的幅度越大，话筒的灵敏度越高，若指针摆动幅度很小，说明话筒灵敏度很低，使用效果不佳。若吹气时发现指针不动，可交换表笔位置再次吹气试验，若指针仍然不摆动，则说明话筒已经损坏。另外，如果在未吹气时，指针指示的阻值便出现漂移不定的现象，则说明话筒稳定性很差，这样的话筒是不宜使用的。

对三端驻极体话筒，只要正确区分出三个引出线的极性，将黑表笔接正电源端，红表笔接输出端，接地端悬空，采用上述方法仍可检测鉴定话筒的性能优劣。

3、光敏电阻器的特性及其检测

光敏电阻器是利用半导体光电效应制成的一种特殊电阻器，其外形、结构、电路符号和光照特性如图5.3.3所示。光敏电阻器由玻璃基片、光敏层、电极等部分组成。为

了利于吸收更多的光能，光敏电阻体通常都制成薄片结构。

根据制作光敏层所用的材料，光敏电阻可以分为多晶光敏电阻器和单晶光敏电阻器。根据光敏电阻的光谱特性，又可分为紫外光光敏电阻器、可见光光敏电阻器以及红外光光敏电阻器等。

光敏电阻的特点是对光线非常敏感。无光线照射时，光敏电阻呈高阻状态，当有光线照射时，电阻值迅速减小。在图5.3.3（d）所示的对数坐标曲线中，a、b分别代表两种光敏电阻的光照特性。它表明了电阻值R与照度E之间的对应关系。在没有光照时，即E=0，光敏电阻的阻值称为暗阻，用R_R表示。一般产品此值为一百kΩ至几十MΩ。在规定照度（例如E=1000Lx)下，电阻值降至几千欧，甚至几百欧姆，此值称之为亮阻，用R_L表示。显然，暗阻R_R越大越好，而亮阻R_L，则越小越好。

光敏电阻的检测方法：检测光敏电阻时，将万用表置于R×1k挡，两表笔分别任意各接光敏电阻的一个引脚，然后分别进行暗阻、亮阻和灵敏性测试。

检测暗阻：用一黑纸片将光敏电阻的透光窗口遮住，此时万用表的指针基本保持不动，阻值接近∞。此值越大说明光敏电阻性能越好。若此值很小或接近为零，说明光敏电阻已烧穿损坏。

检测亮阻：将一光源对准光敏电阻的透光窗口，此时万用表的指针应有较大幅度的摆动，阻值明显减小。此值越小说明光敏电阻性能越好。若此值很大甚至为∞，表明光敏电阻内部开路损坏。

检测灵敏性：将光敏电阻透光窗口对准入射光线，用小黑纸片在光敏电阻的透光窗上部晃动，使其间断受光，此时万用表指针应随黑纸片的晃动而左右摆动。如果万用表指针始终停在某一位置不随纸片晃动而摆动，说明光敏电阻的光敏材料已损坏。

4、声光控延时开关电路介绍

图5.3.4是某工厂生产的声光控延时节电开关电路原理图。

开关电路中声音检测采用驻极体话筒MIC，三极管T2组成放大器。无声响静态时T2是处于饱和导通状态，当有声响时，话筒MIC接收声响信号，可使T2截止。亮度检测由光敏电阻R_G完成。电路使用的CMOS数字集成电路CD4011，内含有四个2输入端与非门。CD4011中除其中一个直接用为2输入端与非门作为判别电路外，其余三个均接成反相器作放大器用。D6、R₆、C₄组成延时电路。开关采用可控硅T1。二极管D1~D4与可控硅T1组成可控整流电路，当T1导通时，灯泡LAMP发亮；T1截止时，灯泡熄灭。

白天时，光敏电阻R _G受光照呈低阻态，CD401113脚始终为低电平。这时不管CD401112脚为高电平（有响声使T2截止）还是低电平（无声响T2饱和导通），与非门输出11脚始终为高电平。经三次反相后，10脚输出为低电平，可控硅T1截止，灯泡不亮。可见由于光敏电阻R _G受光照作用，白天灯泡一直不会亮。

晚上天黑时，光敏电阻R_G无光照呈高阻态，CD401113脚始终为高电平。这时如果无声响，T2饱和导通，12脚为低电平，则与非门输出11脚仍然为高电平，电路状态与白天相同。但当有声响发生时，话筒MIC接收声响信号使T2截止，12脚为高电平，与非门输出11脚变为低电平，经一级反相放大后，3脚输出高电平。此时3脚输出的高电平经导通的D6迅速对电容C₄充电，使56脚升至高电平，再经两级反相后，10脚输出为高电平，由此触发可控硅T1导通，灯泡点亮。

声响消失后，T2恢复饱和导通，12脚为低电平，11脚输出高电平，经一级反相放大后，3脚输出低电平。此时由于C₄还来不及放电，D6截止。随后C₄通过R₆ 缓慢放电，C₄两端电压即56脚电压逐渐下降。当56脚电压下降至低电平电压值（1V左右）时，4脚输出高电平，10脚输出低电平使T1截止，灯炮熄灭。

由此可见，灯泡发亮的维持时间主要取决于C₄的放电时间常数。改变电阻R₆的阻值，可调整延时时间，通常设计延时45~60秒左右。调整电阻R₅，可改变电路白天到黑天的亮度阈值。话筒灵敏度可由R₂调整。

三、设计与测试内容

1、驻极体话筒的测试

按实验原理中介绍驻极体话筒的检测方法，用万用表测试驻极体话筒的电阻和灵敏度，并根据所测数据，判断驻极体话筒的的好坏。测量数据记入表5-3-1。

2、光敏电阻的测试

按实验原理中介绍光敏电阻的检测方法，用万用表测试光敏电阻的暗阻、亮阻和灵敏度，并根据所测数据，判断光敏电阻的的好坏。测量数据记入表5-3-2。

表5-3-1  驻极体话筒测试数据记录         万用表型号：        R×     Ω档    单位： Ω

表5-3-2  光敏电阻测试数据记录         万用表型号：        R×     Ω档    单位： Ω

注：测量暗阻，以黑纸片将光敏电阻的透光窗口全部遮住时测量。亮阻则以自然光环境下测量。

3、声光控延时开关电路实验

解剖市场上某一声光控延时开关电路产品，根据实物描绘产品PCB图和电路原理图，分析电路工作原理，测试关键点电压及波形。

测量方法及注意事项：

①接好声光控延时开关与灯泡，再通过1:1隔离变压器接入220V交流电源，分别在白天及模拟晚上天黑的环境下测试电路关键点电压及波形，并测量灯泡点亮维持时间t（延时时间）。记录测量数据时注意标明灯泡是在点亮还是熄灭状态。

②测量时要注意人身安全，当没有使用隔离变压器时，特别要注意身体任何部位均不能接触电路板任何裸露的铜箔部分，包括测量公共点即“地线”。

③操作要胆大心细，固定好开关电路板，选择好合适的万用表直流电压档测量，黑笔接好测量参考点，防止表笔接触引起电路短路。

4、根据声光控延时开关电路功能要求，试独立设计一声光控延时开关电路。要求：

（1）电路形式不拘，实现声光控延时开关，延时t=45s左右。

（2）根据设计电路提供材料清单，组织元器件进行组装与调试。

四、设计报告（按设计报告要求写出总结设计报告）

1、整理驻极体话筒和光敏电阻的测试数据。

2、声光控延时开关电路产品分析。绘出产品PCB图和电路原理图，整理实验测试数据及波形，并根据实验所测数据分析声光控延时开关电路的工作原理。

3、绘出声光控延时开关设计电路图（用系列值标明元件值）和印刷电路板（PCB）图，说明电路的设计过程：

（1）说明电路的组成及其工作原理；

（2）对延时电路中有关元件进行理论计算；

（3）说明电路的调试过程、结果及调试中所出现的故障现象和解决方法。

4、根据如图5.3.4所示的声光控延时开关电路原理图，分析在下列情况下的结果。

（1）当D1~D4中有任何一个的正负极反接时。

（2）当D1~D4中有任何一个被击穿短路时。

（3）当单向可控硅T1的AK之间被击穿短路时。

（4）当单向可控硅T1的AK之间被烧毁开路时。