数字电路实验报告

 实验项目：   声光控延时开关  

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  （ 20   ---20    ）学年第    学期

声光控延时开关实验报告

                             

一、设计目的

1、进一步掌握CD4011数字集成电路的工作原理和应用；    

2、学会如何选择主要元件及参数计算；

3、进一步提高分析、设计和动手能力。

二、电路的工作原理
     声光控延时开关的电路原理图见图一所示。电路中的主要元器件是使用了数字集成电路CD4011，其内部含有4个独立的与非门VD1～VD4，使电路结构简单，工作可靠性高。

   

     声光控延时开关就是用声音来控制开关的“开启"，若干分钟后延时开关“自动关闭"。因此，整个电路的功能就是将声音信号处理后，变为电子开关的开动作。明确了电路的信号流程方向后，即可依据主要元器件将电路划分为若干个单元，由此可画出图二所示的方框图。
     结合图二来分析图一。声音信号(脚步声、掌声等)由驻极体话筒BM接收并转换成电信号，经C1耦合到VT的基极进行电压放大，放大的信号送到与非门(VD1)的2脚，R4、77是VT偏置电阻，C2是电源滤波电容。
    为了使声光控开关在白天开关断开，即灯不亮，由光敏电阻RG等元件组成光控电路，R5和RG组成串联分压电路，夜晚环境无光时，光敏电阻的阻值很大，RG两端的电压高，即为高电平，改变R8或C3的值，可改变延时时间，满足不同目的。VD3和VD4构成两级整形电路，将方波信号进行整形。当C3充电到一定电平时，信号经与非门VD3、VD4后输出为高电平，使单向可控硅导通，电子开关闭合；C3充满电后只向R8放电，当放电到一定电平时，经与非门VD3、VD4输出为低电平，使单向可控硅截止，电子开关断开，完成一次完整的电子开关由开到关的过程。
    二极管VD1～VD4将交流220v进行桥式整流，变成脉动直流电，又经R1降压，C2滤波后即为电路的直流电源，为BM、VT、IC等供电。

三、元器件的选择
    IC选用COMS数字集成电路CD4011，其里面含有四个独立的与非门电路。内部结构见图3，VSS是电源的负极，VDD是电源的正极。可控硅T选用1 A／400V的进口单向可控硅1 00-6型，如负载电流大可选用3A、6A、10A等规格的单向可控硅，单向可控硅的外形如图4所示，它的测量方法是：用R×1档，将红表笔接可控硅的负极，黑表笔接正极，这时表针无读数，然后用黑表笔触一下控制极K，这时表针有读数，黑表笔马上离开控制极k这时表针仍有读数(注意触控制极时正负表笔是始终连接说明该可控硅是完好的。驻极体选用的是一般收录机用的小话筒，它的测量方法是：用R×100档将红表笔接外壳的S、黑表笔接D，这时用口对着驻极体吹气，若表针有摆动说明该驻极体完好，摆动越大灵敏度越高；光敏电阻选用的是625A型（本实验采用5516型），有光照射时电阻为8K以下，无光时电阻值大于1M，说明该元件是完好的。二极管采用普通的整流二极管IN4007。总之，元件的选择可灵活掌握，参数可在一定范围内选用。其它元件按图一所示的标注即可。

四、 安装制作
   准备好全套元件后，用万用表粗略地测量一下各元件的质量，做到心中有数。
    焊接时注意先焊接无极性的阻容元件，电阻采用卧装，电容采用直立装，紧贴电路板，焊接有极性的元件如电解电容、话筒、整流二极管、三极管、单向可控硅等元件时千万不要装反，注意极性的正确，否则电路不能正常工作甚至烧毁元器件。在安装时我们主要是采取先安装小的元件比如电阻、整流管，再安装比较大的元件如电容、IC插座等。在安装过程中同时考虑元件的所占的空间和位置，以便节省材料，节约成本。以下是本次实验的元件清单。

元件清单

五、调试
    调试前，先将焊好的电路板对照原理图认真核对一遍，查看是否有错焊、漏焊、短路、元件相碰等现象发生，确定没有问题后将进行通电实验。首先我们将电路改为低压即低于10V的电压进行通电实验（我选择4.48V的电压），然后先将光敏电阻的光挡住，将ab分别接在电灯的开关位上（我用耐压比较高的灯当做负载），用手轻拍驻极体，这时灯亮，若用光照射光敏电阻，再用手重拍驻极体，这时灯不亮，说明光敏电阻完好，说明实验成功。

    然后我又将电路改回220V的电路进行220V市电进行实验，市电进行实验要注意人体不允许接触电路板的任一部分，防止触电，注意安全。用万用表检测时，只用将万用表两表笔接触电路板相应处即可。实验也取得了成功。
 

六、测量

测量得到的技术指标：

1.输入电压：4.48V         

2.触发电压：2.32V

3.延时范围：5S~ 62S

4.静态电流：102uA

七、问题讨论

实验调试过程中出现的故障及解决方法：

 1．灯泡一直不亮   这种情况可能是灯泡断路．也可能是电源或控制电路出现故障。在确认灯泡正常的情况下先检查C2两端是否有10V以下直流电压。如果没有，说明整流二极管VD1~VD4或电阻或焊点出现开路性故障．或C2损坏．应逐一检查确诊。若C2两端电压正常，再检查光敏电阻是否正常．光敏电阻在用黑纸包裹起来后测量其阻值应在1MΩ以上。在有光照射下阻值应只有数百欧姆．否则应予更换。当确认光敏电阻正常后，用黑纸严密包裹起来．然后在四个与非门输入端依次加入人为触发信号．并用万用表监测其输出端电平是否改变。若不变．在外围元件正常的情况下，说明CD4011损坏。若证明CD4011正常。在CD4011（11）脚有高电平输出的前提下．灯泡仍不亮．那只有是R3或可控硅出现开路性损坏。若在CD4011各输入端人为加入触发信号，CD4011能正常翻转且灯泡能点亮。则应检查话筒、C1、VT。经过以上流程一级一级的排查，最终发现光敏电阻损坏。可能被电烙铁的高温损坏。

 2．灯泡长亮不熄   这种情况表明故障主要在控制电路．可先检查可控硅是否已击穿。若正常，再查VT c—e极是否开路；R7阻值是否增大：VD5是否开路。若未发现异常，则有可能是CD4011内部损坏．可按上述人为加触发信号的方法予以确认。若CD4011正常。则应考虑本控制开关的两引线接线柱是否有相碰的地方。最终发现由于供电是直流导致可控硅达不到断开的条件所致。

八、制作结论

本制作测得输入电压：4.48V而触发电压：2.32V符合CD4011集成电路的技术指标;同时我们将电路改进使得电路实现延时可调的功能，其调整范围为5S~ 62S，日后也可根据自身需要自行改变C3、R8、R9、R10的值以扩大其延时时间。我们还测得其静态电流：102uA，这样大大降低电路的功耗，提高电源效率，所以认为此次试验取得成功。与此同时我从此实验进一步掌握数字集成电路的应用，同样也提高了我们对电路的分析能力和自身的动手能力。

 

第二篇：声光控延时开关

课程设计报告

课程名称：电子技术课程设计

设计题目：声光控延时开关

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指导教师：

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摘要

光控灯和声光控灯是居家照明的重要组成部分（如楼道、卫生间、小巷等），它们的出现使我们的生活方便许多，既可避免摸黑找开关造成的摔伤碰伤，又可杜绝楼道灯有人开、没人关浪费能源的现象。

此次设计通过模拟电子技术的学习，提出了一种基于晶体三极管工作状态的系统设计方法，结合光敏电阻的随着外部环境的阻值改变的特性，给出光控灯的设计方案，在此基础上结合数字电子技术的优点，引入拾音器将声控功能加如其中，同时实现声控和光控，以下给出了二者详细的设计过程，包括软件设计、软件仿真，以及测试和实验结果。

目录

第1章  绪论…………………………………………………3

第2章  设计方案……………………………………………4

第3章  电路设计……………………………………………5

3.1 单元电路设计………………………………………………5

3.2 总体电路设计………………………………………………7

第4章  软件设计……………………………………………8

第5章 电路调试与程序测试………………………………9

第6章 总结…………………………………………………10

第1章  绪论

随着现代科学技术的发展，越来越多的高科技节能产品出现在我们生活的方方面面，声控灯、光控灯是居家照明的重要组成部分，光控灯是由光控开关和LED灯组合而成。声控灯由麦克风，放大电路和LED灯组成。在地球资源日渐衰竭的今日，环保、节能是当今各产业发展的重心，尤其是需要消耗大量电力的照明产业，基于此目的的研发工作更是趋向环保、节能的特性上著眼。因此，开发新型高效、节能、寿命长、环保的电路对居家照明节能具有十分重要的意义。由此声控、光控LED灯的诸多优点在现在正逐渐取代传统的照明设备，是照明产品的新兴光源，有「绿色照明」光源之称，未来将光芒耀眼，发展潜力无限。声控、光控LED具有节能、体积小、发热量低、寿命长、耗电量小、反应速度快、易控制等众多优点，极大的满足了人们日常生活的需要，因此十分被灯饰业者看好。

光控灯，安装方便，使用寿命长。集光学、材料和电路技术为一体组成的自动照明开关，白天或光线较强时，开关电路为自锁状态，LED灯不亮，当光线黑暗时或晚上来临时，开关自动打开，LED灯亮，从而实现了白天自动熄灭夜间自动打开的目的，节省了人为的控制。

声光控集声控、光控、延时自动控制技术为一体,内置声音感应元件,光效感应元件,白天光线较强时，受光控自锁，有声响也不通电开灯；当傍晚环境光线变暗后，开关自动进入待机状态，遇有说话声、脚步声等声响时，会立即通电,亮灯，延时半分钟后自动断电；能延长灯泡寿命6倍以上，节电率达90％。二者都为人们的日常生活提供诸多方便。

第2章  设计方案

此设计是为了实现声控光控延时开关的功能。在白天时无论是否有声音，小灯都不能被点亮，即白天时不需要光照，在夜晚当有声音产生时，小灯被点亮，且在声音消失后，小灯能够维持一段时间亮度，即在夜晚有人经过的时候，灯被点亮，并有足够的时间让人通过。 

所设计的电路分为五个模块：电源模块，信号收集模块，信号处理模块，延时模块和被控制模块。(模块图如2.1)电源模块为整个电路提供稳定的直流电源，使驱动三极管，芯片TC4081BP和小灯。信号收集模块分为声音信号收集模块和光信号收集模块。声音信号收集模块将声音信号转变为音频电信号从而能够输入电路，起到控制开关的作用。光信号收集模块将光强度的改变转变为电压的改变，与声音信号一起控制芯片的输入。信号处理模块即是芯片TC4081BP对声音，光信号导致的电信号的改变进行处理，从而驱动被控制电路，并作用于延时模块。延时模块是在信号处理模块的作用下工作，起到延时的作用。被控制模块在信号处理模块及延时模块的共同作用下工作，达到设计的目的。

电路方框如所示：

图2.1声光控延时开关电路方框图

第3章  电路设计

3.1 单元电路设计

可以将此电路分为主电路、电源电路、光控电路、声控电路、逻辑电平反转及触发电路、延时电路等几个单元电路:

1)主电路和电源电路

主电路由整流桥D1～D4 、晶闸管T1 组成。T1为开关执行器件。晶闸管T1 被触发导通后,电路接通,白炽灯发光。当晶闸管的控制极上无触发信号时,晶闸管T 1正向阻断,电路呈关断状态。

电源电路其作用是给电路提供电源，使电路能正常的工作。由R1、D5、C1、C2等元件组成，它是一个简单的直流稳压电源，给整机供电。先将交流220v进行桥式整流，变成脉动直流电，又经R1降压，C1滤波使波形变得平滑，最后经稳压二极管稳压得到较为稳定的直流电源，为驻极体话筒（MIC）、放大电路（VT）、逻辑电平反转及触发电路（CD4011芯片）等供电。

2)光控电路

主要由R5、RG 组成。电路中晶闸管的通断,取决于控制极信号的有无。光敏电阻RG的阻值随着光照强度的变化而变化,当光照达到一定强度时,其阻值变小到与R5 分压后使IC(a) 的(13) 脚处于逻辑低电平, (13) 脚所在的与非门被封死,这时不管有无声音信号输入,IC(d) 的(10) 脚都是低电平,晶闸管正向阻断。随着光照强度的减弱,RG阻值逐渐增大, (13) 脚电位逐渐上升,当(13) 脚电位上升到逻辑高电平后,即满足了开门条件,此时声控开始起作用。(11) 脚是否反转只取决于IC(a) 的(12) 脚电位(声控电路的输入端) 是否达到了逻辑高电平。

3）声控电路

由麦克风MIC、三极管T2、电容C3 及电阻R2～R4等组成,其中MIC 为声检测元件。当环境声音信号很弱时,三极管T2 处于饱和状态, IC(12) 脚为低电平, (10) 脚亦为低电平,晶闸管T 1阻断。当环境声音信号达到一定强度时,通过MIC拾音输出经C3 耦合到T 1的基极,使集电极亦即IC(12) 脚电位随着声强而高低变化,当(12) 脚处于高电平时,由于(13) 脚早已处于高电平而满足了与非门反转条件, (11) 脚跳变为低电平。

4）延时电路

由R6 、C4、D6 等元件组成。结合声控电路及主电路分析,当晶闸管T1 被触发导通时,C1上的电压降低,MIC 拾音灵敏度降低,T2 重新饱和, (11) 脚为高电平, (3) 脚变为低电平,由于D6 的隔离作用,C4 上的电压仍维持(5) 、(6) 脚高电平, (10) 脚也为高电平。C4上的电压通过R6 放电,直至C4 上的电压降至IC 逻辑低电平时, (10) 脚变为低电平,晶闸管T 1在正、负极间的电压过零时被正向阻断,C1 上的电压重新升高MIC恢复拾音灵敏度,等待下一次声控信号输入, IC(5) 、(6) 脚电位从高电平降低为低电平的时间,即为开关接通的维持时间,由C4 和R6 的数值确定。

3.2 总体电路设计

■电路功能：

白天灯不亮，夜间有声音（喊话拍手）时灯亮，延时一段时间后自动关闭，起着节约用电、方便控制的作用。

■工作电压：

本电路设计工作电压为市电220V，用于控制5-60W以内的白炽灯通断电。实际应用时，改变R1的阻值可以改变本电路的工作电压，电压范围控制在5-250V的交流电为宜，可控制带有钨丝不同电压下的小灯泡（如汽车灯泡），220V时R1阻值为150K，22V时为15K，其它电压按比例增减。

图3.2声光控延时开关原理图

■电路原理：

220V交流电通过灯泡流向D1～D4，经D1～D4整流，R1限流降压，LED稳压（兼待机指示），C1滤波后输出约1.8V左右的直流电给电路供电。由于LED采用发光二极管，一方面利用其正向压降稳压，同时又利用其发光特性兼作待机指示。控制电路由R2、驻极体话筒MIC、C2、R3、R4、VT、RG组成。在周围有其它光线的时候光敏电阻的阻值约为1kΩ左右，VT的集电极电压始终处于低电位，就算此时拍手，电路也无反应。到夜间时，光敏电阻的阻值上升到1MΩ左右，对VT解除了钳位作用，此时VT处于放大状态，如果无声响，那么VT的集电极仍为低电位，晶闸管因无触发电压而关断。当拍手时声音信号被MIC接收转换成电信号，通过C2耦合到VT的基极，音频信号的正半周加到VT基极时，VT由放大状态进入饱和状态，相当于将晶闸管的控制极接地，电路无反应。而音频信号的负半周加到VT基极时，迫使其由放大状态变为截止状态，集电极上升为高电位，输出电压触发晶闸管导通，使主电路有电流流过，等效于开关闭合，而串联在其回路的灯泡得电工作。此时C2的正极为高电位，负极为低电位，电流通过R3缓慢地给C2充电（实为C2放电），当C2两端电压达到平衡时，VT重新处于放大状态，晶闸管关断，电灯熄灭，改变C2大小可以改变电灯熄灭时间。此开关可带100W以下的负载，适用于家庭照明和楼梯走廊等场所。

第4章  软件设计

（有程序设计的，画出程序流程图。无程序设计的不写此项）

第5章 电路调试与程序测试

调试前，先将焊好的电路板对照印刷电路图认真核对一遍，不要有错焊、漏焊、短路、元件相碰等现象发生。通电后，人体不允许接触电路板的任一部分，防止触电，注意安全。如用万用表检测时，只要将万用表两表笔接触电路板相应处即可。

将本电路分为主电路、电源电路、光控电路、声控电路、逻辑电平反转及触发电路、延时电路等几个单元电路进行调试 。

1 、断开光敏电阻RG、电容C3 ,由原理图图可知,与非门IC(a) 的(13) 脚为高电平, (12) 脚为低电平,（11) 脚输出为高电平,经IC(b) 、IC(c) 、IC(d) 逻辑电平转换,IC(10) 脚输出为低电平,晶闸管T 1不被触发,灯不亮。

2 、断开三极管T 2的集电极或发射极,同时断开光敏电阻RG,由图可知,与非门IC(a) 的(12)脚、(13) 脚为高电平, (11) 输出为低电平,经IC(b) 、IC(c) 、IC(d) 逻辑电平转换, IC(10) 脚输出为高电平,晶闸管T1被触发,灯亮。经上述二步调试,电源电路、主电路及逻辑电平反转及触发电路工作正常。

3 、断开光敏电阻RG,接通电源,这时灯不亮。击掌触发声控电路,灯亮。经一段时间延时,灯灭。说明声控电路及延时电路电路正常。

4 、最后检查光控电路。电路全部复位,接通电源,灯不亮。用深色物品(如绝缘胶布) 将光敏电阻RG遮挡,击掌触发声控电路,灯亮。至此电路调试完毕

第6章 总结

刚开始拿到设计课题时，不知道从那边下手，经过在图书馆翻阅相关书籍和在网上查阅相关资料，对我这次的课程设计有很大的帮助。经过不同方案的比较与仿真，结合本次设计要求，选定了此次方案。此次设计我学到了很多东西，比如： 

1.学会使用仿真软件，及其调试。虽然不是精通，但为以后的深入学习打下课良好基础。 

2.了解了PCB电路板制作的过程，以及相关软件的应用。 

3.对整个课题设计需要考虑的各方面的要素，并不是将各个元件连接起来就行的。整个方案的可行性，是必须提前考虑的。 

通过本次设计，我学到了很多知识，虽然设计不够完美，但已经达到本次设计的目的，及巩固了所学知识，也为以后的学习打下基础。是我对本专业所学知识有了更加深刻的理解，使我对本专业的知识产生了浓厚的兴趣。

通过本次设计，我也越发深刻的认识到节能的重要性。

附录

附录1：（如有PCB图请附PCB图）

附录2：（如有实物请附实物图片）