長延時光控開關(guān)電路的設(shè)計

1、東 北 石 油 大 學(xué)課 程 設(shè) 計課 程 光電檢測技術(shù) 題 目 長延時光控開關(guān)的設(shè)計 院 系 電子科學(xué)學(xué)院 專業(yè)班級 電子101班 學(xué)生姓名 MPZ 學(xué)生學(xué)號 YYMPZ 指導(dǎo)教師 2014年2月28日東北石油大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書課程 光電檢測技術(shù)題目 長延時光控開關(guān)電路的設(shè)計專業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù) 姓名 MPZ 學(xué)號 YYMPZ主要內(nèi)容： 應(yīng)用光敏電阻，HTD，與非門等器件，設(shè)計一長延時光控開關(guān)電路，實現(xiàn)當(dāng)有聲音開始照明3-5分鐘的聲光控制。基本要求：1） 研究光敏電阻，HTD功能特性。2） 設(shè)計長延時光控開關(guān)電路的設(shè)計的功能框圖。3） 設(shè)計長延時光控開關(guān)電路中的各器件的參數(shù)。4） 有聲時自動

2、照明3-5分鐘。5） 調(diào)試安裝。6） 完成課程設(shè)計總結(jié)報告。主要參考資料：1）陳有卿編著. 新穎集成電路制作精選M.人民郵電出版社, 2005.4.2) 陳振官 , 陳宏威等編著.光電子電路制作實例M. 2006.4.3) 黃繼昌等編著.檢測專用集成電路及應(yīng)用M. 2006.10.完成期限 2014.2.242014.2.28 指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人 2014年2月24日第1章 概述本設(shè)計主要介紹的是長延時光控開關(guān)電路。光控開關(guān)是借助光敏電阻，并通過聲音和光照度來控制開關(guān)及實現(xiàn)所需要的功能。當(dāng)環(huán)境的亮度低于既定的設(shè)定值，同時環(huán)境的噪音超過既定的設(shè)定值，此時開關(guān)就會開啟。就是說，白天光照比較好，不

3、管所處的環(huán)境噪音是否超過既定的設(shè)定值，開關(guān)都不會啟動；只有在夜晚，光線較暗，如若所處的環(huán)境的噪音超過既定值，開關(guān)才會開啟。這樣，在生活中借助長延時光控開關(guān)，不僅給我們帶來了方便，也達(dá)到了節(jié)能的目的，延長了用電器的壽命，同時也大大減少了維修量、節(jié)約了資金，且使用效果良好。1.1研究意義 用聲光控延時開關(guān)代替住宅小區(qū)的樓道上的開關(guān)，只有在天黑以后，當(dāng)有人走過樓梯通道，發(fā)出腳步聲或其它聲音時，樓道燈會自動點亮，提供照明，當(dāng)人們進(jìn)入家門或走出公寓，樓道燈延時幾分鐘后會自動熄滅。在白天，即使有聲音，樓道燈也不會亮，可以達(dá)到節(jié)能的目的。聲光控延時開關(guān)不僅適用于住宅區(qū)的樓道，而且也適用于工廠、辦公樓、教學(xué)樓

4、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，適合于各種樓房走廊的照明設(shè)備。 降低能耗、節(jié)約能源、注重環(huán)保是當(dāng)今世界的主潮流，高能耗且會加劇溫室效應(yīng)的白熾燈越來越不受歡迎。繼公布?xì)W盟后年封殺白熾燈的時間表后，世界各地陸續(xù)拋棄白熾燈已成定局，環(huán)保型節(jié)能熒光燈是白熾燈的替代者。節(jié)能熒光燈VS白熾燈，勝券在握已無懸念，但樓道照明卻限制了熒光燈的使用，因為樓道照明是非持續(xù)性的，有人經(jīng)過才需要光亮，而不斷的開關(guān)通斷會影響熒光燈的使用壽命，所以聲光控白熾燈在樓道照明領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。1.2發(fā)展趨勢隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的高科技節(jié)能產(chǎn)品出現(xiàn)在我們生活的角角落落，聲控開關(guān)和光控開關(guān)廣

5、泛應(yīng)用于聲控?zé)?、光控?zé)舻染蛹艺彰饕约皹怯钛b飾領(lǐng)域，光控?zé)羰怯晒饪亻_關(guān)和LED燈組合而成，聲控?zé)粲甥溈孙L(fēng)，放大電路和LED燈組成。在地球資源日漸衰竭的今日，環(huán)保、節(jié)能是當(dāng)今各產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重心，尤其是需要消耗大量電力的照明產(chǎn)業(yè)，基于此目的的研發(fā)工作更是趨向環(huán)保、節(jié)能的特性上著眼。因此，開發(fā)新型高效、節(jié)能、壽命長、環(huán)保的電路對居家照明具有十分重要的意義。由此聲控、光控LED燈的諸多優(yōu)點在現(xiàn)在正逐漸取代傳統(tǒng)的照明設(shè)備，是照明產(chǎn)品的新興光源，有綠色照明光源之稱，未來將光芒耀眼，發(fā)展?jié)摿o限。聲控、光控LED具有節(jié)能、體積小、發(fā)熱量低、壽命長、耗電量小、反應(yīng)速度快、易控制優(yōu)點，極大的滿足了人們?nèi)粘Ｉ畹男枰?/p>

6、，因此十分被燈飾業(yè)者看好。光控?zé)?，安裝方便，使用壽命長。集光學(xué)、材料和電路技術(shù)為一體組成的自動照明開關(guān)，白天或光線較強(qiáng)時，開關(guān)電路為自鎖狀態(tài)，LED燈不亮，當(dāng)光線黑暗時或晚上來臨時，開關(guān)自動打開，LED燈亮，從而實現(xiàn)了白天自動熄滅夜間自動打開的目的，節(jié)省了人為的控制。聲光控集聲控、光控、延時自動控制技術(shù)為一體,內(nèi)置聲音感應(yīng)元件,光效感應(yīng)元件,白天光線較強(qiáng)時，受光控自鎖，有聲響也不通電開燈；當(dāng)傍晚環(huán)境光線變暗后，開關(guān)自動進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，遇有說話聲、腳步聲等聲響時，會立即通電,亮燈，延時半分鐘后自動斷電；能延長燈泡壽命6倍以上，節(jié)電率可達(dá)90。第2章 長延時光控開關(guān)電路設(shè)計原理2.1工作原理光控開關(guān)

7、，即在有光或光照比較強(qiáng)的時候，開關(guān)自動關(guān)閉，在無光照或者光照弱的時候，同時噪音達(dá)到或超過既定值，開關(guān)自動開啟。將光控開關(guān)應(yīng)用于光控?zé)?，首先要掌握光敏電阻的特性，光敏電阻又稱光導(dǎo)管，是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料，這些制作材料具有在特定波長的光照射下其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換。經(jīng)測量隨著外部環(huán)境的改變，光敏電阻的阻值在

8、有光照射時阻值下降，無光照時阻值上升，根據(jù)這一特性可以設(shè)計控制三極管工作狀態(tài)進(jìn)而控制燈的亮滅的電路。三極管工作狀態(tài)分為放大、截止和飽和。當(dāng)工作在放大區(qū)時，發(fā)射極正偏，集電極反偏；當(dāng)工作在截止區(qū)時，發(fā)射極和集電極均反偏；當(dāng)工作在飽和狀態(tài)時，發(fā)射極和集電極均正偏。同時三級管有兩種材料做成，一種為硅管，其正偏發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓為0.7V；一種為鍺管，其正偏發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓為0.3V。額定電壓220V的燈泡充電直接整流。在輸出端串聯(lián)25W燈泡，輸出端接可控硅（負(fù)載）供電電路穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓電路是給話筒放大，音頻放大等提供8.2V直流電，話筒放大，可以把聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號并放大，然后，經(jīng)過音頻放大器使信號達(dá)到

9、足夠大；檢波音頻信號的正半周，即把音頻信號轉(zhuǎn)換為直流信號。經(jīng)過延時電路以后送到控制電路，由控制電路去控制可控硅，若可控硅斷開，則整流電路負(fù)載斷開，若導(dǎo)通，則整流電路負(fù)載導(dǎo)通。光敏控制電路把光照變成電信號，從而去控制音頻信號往后邊輸送情況?？梢姡罕倦娐窡襞菀芸煽毓璧目刂?，可控硅受話筒取得的音頻信號和光敏電阻的控制，從而可以實現(xiàn)聲控和光控；燈亮的時間由延時電路的時間長度決定。2.2工作原理框圖聲光控延時開關(guān)的電路原理框圖如圖1所示。電路中的主要元器件是使用了數(shù)字集成電路CD4011，其內(nèi)部含有4個獨立的與非門VD1VD4，使電路結(jié)構(gòu)單，工作可靠性高。顧名思義，聲光控延時開關(guān)就是用聲音來控制開關(guān)的

10、開啟，數(shù)分鐘后延時開關(guān)自動關(guān)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(guān)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，由此如圖1所示的框圖：控制門延時R8 C3感光 RG放大VT檢查BW整形 D2二次整形TD3D4D3D4D1L1電子開關(guān)二次整形D3D4照明燈D3D4 圖1檢音模塊: 檢音模塊主要由MIC（駐極體話筒）、C1(104電容)和R1(22k)、直流電源組成。駐極體話筒由聲電轉(zhuǎn)換和阻抗變換兩部分組成。聲電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件是駐極體振動膜。它是一片極薄的塑料膜片，在其中一面蒸發(fā)上一層純金薄膜。然后再經(jīng)過高壓電場駐極后，兩面分別駐有異性電荷。膜

11、片的蒸金面向外，與金屬外殼相連通。膜片的另一面與金屬極板之間用薄的絕緣襯圈隔離開。這樣，蒸金膜與金屬極板之間就形成一個電容。當(dāng)駐極體膜片遇到聲波振動時，引起電容兩端的電場發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了隨聲波變化而變化的交變電壓，然后使C1有電流通過，并輸入到放大模塊的三極管的基極。如果沒有聲音信號則電流被C1阻隔，又因為R2（3M）很大，所以流入三極管基極的電流很小。放大模塊: 放大模塊有一個共射極放大電路組成，電路中由R2（3M）、R3（33k）、T1（三極管）、直流電源、外界電流（檢音模塊提供）。當(dāng)外界電流不提供電源時，也就是僅由R2提供三極管基極電源時，因為電流比較微小，且三極管是一個電流控制元件

12、，所以微小的電流不能夠驅(qū)動三極管工作。因此只有在外界電流提供一定大的電流時三極管才能正常工作，并通過其內(nèi)部構(gòu)造將電流放大倍，再通過集電極把電流傳輸?shù)郊尚酒?管口。感光模塊：感光模塊由R4（5.1k）、Rg（光敏電阻）和直流電源組成。光敏電阻的特性就是它的阻值大小由光照強(qiáng)弱所決定。當(dāng)外部光照較強(qiáng)時電阻阻值比較小，當(dāng)光強(qiáng)較弱時電阻阻值較大。R3主要起到一個與光敏電阻分壓的作用。在光照條件小，光敏電阻分壓小，向2管口輸入一個低電位信號。反之，在周圍環(huán)境較暗時，光敏電阻阻值大，分壓大，向2管口輸入一個高電位信號。控制門模塊：控制門模塊有兩個與非門YFA、YFB組成。與非門的特點是只有兩端都輸入高電

13、位時輸出地才是低電位，其他情況下輸出的都是高電位。所以只有當(dāng)YFA的1、2都輸入高電位時，3端才輸出低電位，YFB的輸入端5、6得到低電位，輸出端4得到低電位。整形模塊：整形模塊由二極管D1組成。二極管的最重要特征就是它具有單向?qū)щ娦?。也就是說只有在4管口電壓高于8管口電壓時，4與8之間才是導(dǎo)通的，二極管才能工作,才能給C5（5.1M）充電。延時模塊：延時模塊由R5和C2(10uF)組成。當(dāng)二極管D1處于工作狀態(tài)時，瞬間給C2充電。當(dāng)D1不工作，C2開始放電，由于二極管的單向?qū)щ娦裕珻2放電使8、9同時得到一個高電位。二級整形模塊：二級整形模塊由兩個與非門（YFC、YFD）、R7(1k)、D3

14、（LED燈）組成。當(dāng)YFC得輸入端8、9輸入高電位時，輸出端10得到低電位。YFD的輸入端12、13輸入低電位，輸出端11得到高電位，從而使D3（LED燈）發(fā)亮。當(dāng)YFC得輸入端8、9輸入低電位時，輸出端10得到高電位。YFD的輸入端12、13輸入高電位，輸出端11得到低電位，從而使D3（LED燈）不發(fā)亮。電子開關(guān)模塊：電子開關(guān)模塊由R6(56k)、R8(1K)、D2(LED發(fā)光二極管)、MCR(單向可控硅)組成。其中MCR是此模塊的中心元件?？煽毓枋荘1N1P2N2四層三端結(jié)構(gòu)元件，共有三個PN結(jié)，分析原理時，可以把它看作由一個PNP管和一個NPN管所組成，第一層P型半導(dǎo)體引出的電極叫陽極A

15、，第三層P型半導(dǎo)體引出的電極叫控制極G，第四層N型半導(dǎo)體引出的電極叫陰極K。第3章 長延時光控開關(guān)電路設(shè)計3.1 電路設(shè)計使用了數(shù)字集成電路CD4011，其內(nèi)部含有4個獨立的與非門VD1VD4，使電路結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠性高。電路圖如圖2所示：圖23.2 整體電路工作原理結(jié)合圖2來分析圖1。聲音信號，如腳步聲、掌聲等，由駐極體話筒BM接收并轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)C1到VT的基極進(jìn)行電壓放大，放大的信號送到與非門VD1的2腳，R4、R7是VT偏置電阻，C2是電源濾波電容。為了使聲光控開關(guān)在白天開關(guān)斷開，即燈不亮，由光敏電阻Rg等元件組成光控電路，R5和Rg組成串聯(lián)分壓電路，夜晚環(huán)境無光時，光敏電阻的阻值

16、很大，Rg兩端的電壓高，即為高電平間T=2R8C3，改變R8或C3的值，可改變延時時間，滿足不同目的。VD3和VD4構(gòu)成兩級整形電路，將方波信號進(jìn)行整形。當(dāng)C3充電到一定電平時，信號經(jīng)與非門VD3、VD4后輸出為高電平，使單向可控硅導(dǎo)通，電子開關(guān)閉合；C3充滿電后只向R8放電，當(dāng)放電到一定電平時，經(jīng)與非門VD3、VD4輸出為低電平，使單向可控硅截止，電子開關(guān)斷開，完成一次完整的電子開關(guān)由開到關(guān)的過程。 二極管VD1VD4將交流220V進(jìn)行橋式整流，變成脈動直流電，又經(jīng)R1降壓，C2濾波后即為電路的直流電源，為BM、VT、IC等供電。3.3部分?jǐn)?shù)值計算3.3.1單管放大電路參數(shù)的設(shè)置經(jīng)測試，得知

17、r=164,實測9013的導(dǎo)通電壓為Uon=Ube=0.4V，給定電源電壓Vcc=+6V。 在靜態(tài)工作的時候，要使三極管發(fā)處于放大狀態(tài)，則Vce一般取大于2V小于Vcc的2/3。又由于Vce是根據(jù)公式Vce=Vcc-Vr4-Vr5,Vr4+Vr5=(Rc+Re)*Ice而得，而Ice=(Vr3-0.4)/Re,Vr3=Rb2/(Rb2+Rb1)*Vcc。先假定Rb2=6.8K，則有：Rb1=75K，Rc=24K，Re=2K。此時              

18、    Ice=(Vr3-0.4)/Re =0.1mA Vce=Vcc-(Rc+Re)*Ice=3.43V Vbe=0.4+Ice*Re=0.50V這些參數(shù)滿足使三極管工作在放大狀態(tài)。3.3.2 Au的計算Au=Uo/Ui=-(r*Rc)/Rbe其中r=164, Rbe=Rbb+(1+r)*Ut/Ice,Ut=26mV經(jīng)計算得出： Rbe=43.1k,Au=95.47其中C1的作用是對電源進(jìn)行濾波，通常取得較大，這里取C1=100UF。R1取10K是為了給麥克風(fēng)起保護(hù)作用。第4章 安裝與調(diào)試4.1對實際購買元件進(jìn)行測試4.1.1電解電容器的極性檢測 電解電容的正負(fù)

19、極性不允許接錯，當(dāng)極性接反時，可能因電解液的反向極化，引起電解電容器的爆裂。當(dāng)極性標(biāo)記無法辨認(rèn)時，可根據(jù)正向連接時漏電電阻大、反向連接時漏電電阻相對小的特點判斷極性。交換表筆前后兩次測量漏電電阻，阻值大的一次，黑表筆接觸的是正極，因為黑表筆與萬用表內(nèi)電池正極相接（采用數(shù)字萬用表時，紅表筆接電池正極）。但用這種辦法有時并不能明顯地區(qū)分正、負(fù)向電阻，所以使用電解電容時，要注意保護(hù)極性標(biāo)記。4.1.2二極管測試二極管主要分為三種：整流二極管、穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管；此外，還有開關(guān)二極管。先打磨引腳，再用指針表測試，因二極管具有單相導(dǎo)電性，所以，在測試時，紅筆接負(fù)極，黑筆接正極，若是導(dǎo)通，且紅筆接正極

20、，黑筆接負(fù)極，為截止，則表明二極管是正常的，若不是則表明二極管是壞的。注：發(fā)光二極管用10K，其它用1K檔；發(fā)光二極管的光線是非常微弱的，因此，在觀察是要仔細(xì)。半導(dǎo)體二極管的極性判別一般情況下，二極管有色點的一端為正極，如：2AP1-2AP7，2AP11-2AP17等。如果是透明玻璃殼二極管，可直接看出極性，即內(nèi)部連觸絲的一頭是正極，連半導(dǎo)體片的一頭是負(fù)極。塑封二極管有圓環(huán)標(biāo)志的是負(fù)極，如1N4000系別。4.1.3三極管測試：和所有元件一樣三極管也要打磨引腳，然后在進(jìn)行測試。用手拿住元件，用指針表來回測量六次，判斷出基極、是PNP型還是NPN型。 若：紅筆不動，即為PNP型； 黑筆不動即為N

21、PN型。如果是NPN型：用手捏住三支引腳，用表筆測試兩邊引腳，并交換表筆；若指針偏轉(zhuǎn)較大，黑表筆接的是集電極，另一方則是發(fā)射集。如果是PNP型：步驟與NP N型一樣，但當(dāng)指針偏轉(zhuǎn)較大是，黑筆接的是發(fā)射極，另一方則是集電極。三極管除了判斷其管型和極點外，還要判斷出它所處的狀態(tài)，是截止、飽和、還是放大。4.1.4光敏電阻測試：光敏電阻的檢測：先用手拿住兩只引腳，使其對著光，然后，用數(shù)字表測出值；再用握住使其背光，測出其值。4.2 元器件清單序號名稱型號規(guī)格位號數(shù)量1集成電路CD4011IC 1塊2單向可控硅100-6T 1支3三極管9014 VT 1支4整流二極管IN4011VD1-VD5 5支5

22、駐極體54+2dB BM1支6光敏電阻625A RG 1支7電阻器10K、120KR6、R1 2支8電阻器47KR2、R3 2支9電阻器470K、1MR7、R5 2支10電阻器2.2K、5.1KR4、R6 各1支11瓷片電容104C1 1支12電解電容10uf/10VC2、C3 2支第5章 結(jié)論5.1實驗結(jié)果 白天當(dāng)光線照射到光敏電阻上時，其通過感應(yīng)使電路封鎖聲音通道，使聲音脈沖不能通過，則燈泡不受聲音控制，即聲控傳感器暫時失去作用，燈泡不亮。夜間或光線較暗時，光敏電阻因無光照呈低阻，經(jīng)感應(yīng)使聲音通道開通，當(dāng)有人走動或有人談話時，通過聲控傳感器的感應(yīng)，使得燈泡自動點亮，經(jīng)過內(nèi)部設(shè)定的時間后，燈泡自動熄滅。5.2實驗結(jié)論1、設(shè)計原理清晰，設(shè)計性能指標(biāo)的靈敏度基本達(dá)到設(shè)計的要求。2、在整個設(shè)計過程中，本著節(jié)約的精神，我們用的都是簡單廉價的元器件，降低了系統(tǒng)成本。3、這次課程設(shè)計對我們所學(xué)摸電知識起到了加深和鞏固的作用，也使我獲得了搭建和調(diào)試實驗電路的能力。4、通過這