模电实验课程设计报告书.docx

课程设计报告书声光控制灯感应系统的设计 学 院 电子与信息学院 专业班级 信息工程（1）班 学生姓名 陈朝宾 学生学号 0 指导教师 袁炎成/甘伟明/赖丽娟/吕念玲 课程编号 课程学分 1 起始日期 2015年3月2日2015年3月6日 教师评语教师签名：日期：成绩评定备注 目录一、选题背景 4二、方案论证 41、设计题目要求 42、总体设计方案 42. 1设计思路 42. 2设计方案 42. 2. 1方案一 42. 2. 2方案二 52. 3对各方案进行可行性分析、比较，选出最佳方案 5三、单元电路设计 51、电源电路 52、声控电路 63、光控电路 74、延迟电路 85、照明电路 8四、整机电路 91、整机电路图 92、元件清单 103、电路实现的功能和系统使用说明 10五、性能指标的测量与分析 101、测试使用的仪器 102、指标测试步骤、测量数据与分析 103、 故障分析及处理 12六、课程设计总结 12参考文献 12声光控制灯感应系统的设计一、选题背景在某些公共场合，我们时常看到灯常亮灯下却无人的现象。这种现象不符合我们建设资源节约型社会的要求。对此，我们应该鼓励使用节约型的照明技术，而如今性价比最高、安装最普遍的要数声光控制灯了。本设计旨在以简单的电路设计声光感应控制系统，要求做到光线较亮时灯长暗，光线较暗时有声音灯才亮，声音消失后灯延迟一段时间后自动暗。二、方案论证 1、设计题目要求1.1具有光控功能：白天光线较亮、即使有声音时路灯也不亮，光线较暗、有声音时路灯点亮； 1.2 具有声控功能：晚上光线较暗、有声音时路灯点亮，声音消失后延时照明一段时间后自动关断，延时照明时间要求110s可调； 1.3 采用发光二极管作为照明光源。 1.4 设计本电路所需的电源。2、总体设计方案2. 1设计思路此设计需要实现声光控制功能和照明功能，因此需要声音信号和光信号采集电路。由于采集到的信号比较小，所以还需要用到放大电路。由于系统要求延迟功能，所以必须有延迟电路。此外，还应该有照明电路和电源电路。2. 2设计方案满足上述设计功能可以实施的方案很多，现提出以下两种方案：2. 2. 1方案一原理方框图如图1所示此方案的基本原理利用LM358将声控电路采集到的声音信号放大后输入NE555，利用LM358接成电压比较器后与光敏电阻和其他电阻构成光控电路后输入到NE555，将NE555接成施密特触发器，对输入波形进行变换和整形，将输入信号整形成边沿陡峭的矩形脉冲后输入单稳态触发器从而延时，最后接发光二极管和电阻。2. 2. 2方案二原理方框图如图2所示此方案的基本原理利用简单的单管放大电路将咪头采集到的声音信号放大后与光敏电阻上的电压一起接入一个与非门使其输出稳定的高电压或者低电压，然后再经过一个与非门，之后是电容组成的延迟电路，然后还是经过两个串联的与非门，最后接入可控硅的控制端控制照明电路的通断。2. 3对各方案进行可行性分析、比较，选出最佳方案方案一用了两个集成块，虽然比较简单但是接线比较麻烦，方案二用到了比较多的分立元件来放大声音信号，性能指标比较好，电路比较明确简单，用与非门来调整电压，电路很简单，最后也能做到题目要求的功能，所以选择方案二。三、单元电路设计 1、电源电路 1.1 电源电路图如图3所示 1.2 电源电路图的功能和工作原理 让频率为50Hz、有效值为220V的市电通过电源变压器降压后输入到单相桥式整流电路使其成为直流电压，再通过电容滤波电路减小电压的脉动使其平滑，最后通过稳压管稳压电路使直流电压的稳定性足够好。 1.3 各参数的详细计算过程 图3所示电路图中，设经过电源变压器后的交流电压有效值为U1=10V由 n1/n2 = 220U1 （1） 得：变压器原边与副边之比为22经过单相桥式整流电路后的电压平均值 U0AV1=0.9 U1=9V经过电容滤波电路后的电压平均值 UOAV2=1.2U1=12V设滤波电路中与C1并联的负载电阻为RL由 RLC1=35T2 （2）得：C1=35T21R稳压电路中的稳压管使用5V的稳压管，其最大工作电流 IZmax=45mA，最小工作电流为IZmin=10mA，内阻为r50。由 UR=UOAV2-UZ （3） IR=URR （4） IZminIRIZmax （5）得：155.6R700 取 R=470 ，则63.8FC1106.3F ，取 C1=100F2、声控电路 2.1 声控电路图如图4所示 2.2 声控电路图的功能和工作原理 当声音信号很弱时，三极管处于饱和状态，集电极输出低电平，与非门被封锁；当外界声音信号强到一定程度时，咪头将声音信号转换为交流信号，交流信号经过放大电路放大后输入与非门。当声音信号达到一定强度时，集电极由低电平转变为高电平。 2.3 各参数的详细计算过程咪头的工作电流 100AIMIC500A ，而电源电压 Vcc=5V ，忽略咪头的内阻，则 10kR150k ，取 R1=20k 经过实验，当输入电压都高于2.6V时，与非门的输出才会为0，因此，可设置A点的静态工作电流为1.5V，由 VCC=ICR3+UA ( 6 ) IC=IB ( 7 ) VCC-UBE=IBR2 ( 8 )取 UBE=0.7V , =350 , IB=10A ，则 R3=1k ，R2=430k ,由于实验室没有 430k 的电阻，故取 R2=470k3、光控电路 3.1 光控电路图如图5所示 3.2 光控电路图的功能和工作原理 当光照强度较强时，光敏电阻两端电压较小，与非门被封锁；当光照强度较强时，光敏电阻两端电压较大，对与非门输入了高电平。 3.3 各参数的详细计算过程经过实验，光敏电阻不遮光时阻值为 5.44k ，遮光时阻值为 62k ，经过实验，当输入电压都高于2.6V时，与非门的输出才会为0，因此，可设置遮光时光敏电阻两端的电压为3.8V由 VCC=3.8V62kR4+61k （9）得：R4=20.6k ，取 R4=20k 4、延迟电路 4.1 延迟电路图如图6所示 4.2 延迟电路图的功能和工作原理 当光照强度较弱且有声音信号时，声控电路和光控电路都输出高电平，经过两个与非门后送入延迟电路，对电容 C3 充电，此时的电压为高电平，再经过两个与非门后接可控硅的控制端；当声音信号消失后，因开关二极管D的阻断作用，电容 C3 通过带电阻 R5 和电位器 RW2 放电，此时，若电容两端电压仍然大于2.6V，则第四个与非门输出的电压仍为高电平，直至电容两端电压下降到与非门阀值电压下时，可控硅才会自动关断，灯熄灭。 4.3 各参数的详细计算过程要求延迟时间为1到10s，取大电容 C3=100F 由 T=R5WC3 (10)得：10kR5W100k ，则可取 R5=10k ，RW2=100k 5、照明电路 5.1 照明电路图如图7所示 5.2 照明电路图的功能和工作原理 可控硅从关断到导通的两个必要条件是阳极电位高于阴极电位并且控制端有足够的正向电压和电流；可控硅维持导通的两个必要条件是阳极电位高于阴极电位并且阳极电流大于维持电流；只要阳极电位低于阴极电位或者阳极电流小于维持电流，可控硅就会从导通变为关断。光照强度比较大时，可控硅控制端电位很低，可控硅不导通，灯不亮；光照强度比较小时，当声音信号足够大时，可控硅控制端得到高电平，可控硅导通，灯亮。使阳极电流一直小于维持电流，则当可控硅控制端电压小于触发电压时，可控硅从导通变为关断，从而达到延迟与自动关断的功能。 5.3 各参数的详细计算过程 本设计所用可控硅的触发电流为 2060mA经过测试，与非门输出的高电压为5.1V由 0.025.1R60.06得：85R6255 ,取 R6=160本设计所用的可控硅维持电流为0.05A由 5R70.05得：R7100 ，取 R7=510四、整机电路 1、整机电路图如图8所示2、元件清单如表1所示表1 元件清单原件名称规格型号数量/个原件名称 规格型号 数量/个电阻160 1 整流管 4 510 1 三极管 9014 1 470 1 集成块 CD4001 1 1k1 可控硅MCR 100-8 1 10k 1 咪头 1 20k 2 光敏电阻 1 470k 1开关二极管 1电容 100F 2发光二极管 1 10F 2 稳压管 5.1V 1 电位器 10k 1 100k 1 变压器n1/n2=22 13、电路实现的功能和系统使用说明系统采用先将220V交流电压降压，再经过单相桥式整流电流将交流电压变成直流电压，再利用电容滤波电路滤波，最后通过稳压电路稳定输出的直流电压，为集成块、发光二极管、三极管提供所需的直流电压。咪头检测到的声音信号和光敏电阻感应到的光信号通过两个与非门输出高低电平。当输出高电平时对电容充电，并且使可控硅由导通从而使灯亮。当两个与非门输出的高电平转换为低电平时，由于开关二极管的存在，电容只能对其并联的电阻放电，若电阻两端电压仍然大于与非门的阀值电压，则可控硅依旧导通；若电阻两端电压小于与非门的阀值电压，可控硅由于阳极电流小于维持电流，从导通变为断开，从而使灯暗，延迟功能因此实现。使用时，通过调整 RW1 可以调整声控电路输入与非门的静态电压从而调整对声音信号的灵敏度。通过调整 RW2 可以调整延迟时间。不对光敏电阻遮光，无论有没有声音，发光二极管都不亮。对光敏电阻遮光时，有声音时发光二极管会亮，声音消失后，发光二极管过一段时间才暗下去。五、性能指标的测量与分析 1、测试使用的仪器数字万用表、直流稳压电源、数字示波器、数字交流毫伏表、函数信号发生器2、指标测试步骤、测量数据与分析 2.1 测试步骤用函数信号发生器、数字示波器测量集成块CD4001的阀值电压以及输出的高电平电压和低电平电压用数字万用表测量光敏电阻的遮光电阻和不遮光电阻以及光敏电阻在遮光和不遮光情况下两端的电压给咪头较强的声音信号，用数字示波器观察咪头的电压波形变化，用数字交流毫伏表测量咪头产生的声音信号的幅度以及经过三极管放大后的声音信号的幅度对光敏电阻遮光，给咪头一个较强的声音信号，观察电容充放电波形测试 RW1 能不能控制声控电路的灵敏度，测试 RW1 能不能控制延迟时间 2.2 测量数据与分析 电源电压为5.086V 光敏电阻在遮光情况下两端电压为4.178V，在不遮光情况下两端电压为1.130V分析：由 VG=VCCRG(RG+20) （11） 得：光敏电阻在遮光情况下和不遮光情况下两端电压分别为4.60V和1.07V，考虑到电阻标称值与实际值的误差以及测量仪器的精准度，测量到的数据可以接受。当有咪头采集到声音信号时，可以看到数字示波器的电压波形突然发生明显突变，声音信号消失后，波形又变平无声时，咪头的静态电压为0.52V，给咪头一个声音信号，测得咪头产生的交流信号幅值为33mV，经过单管放大电路后的幅值变为1.5V调整 RW1 ，声控电路输入与非门的直流分量在0.110V到2.046V之间分析：调整 RW1 ，可以调整声控电路的灵敏度，放大电路的电压放大倍数为45电容的某一次充放电过程如图9所示分析：延迟电路正常工作 调整 RW2 ，延迟时间在1到8s之间分析：功能基本实现3、 故障分析及处理 3.1仿真与计算时，我光敏电阻的大阻值用的是3M ，小电阻用的是20k ，而光敏电阻的实际阻值与此相差甚远，因此，我重新设置了 R3 的阻值 3.2搭接好电路后，电路不工作，而咪头两端电压为0，我发现咪头没有接入电路六、课程设计总结 在这短短的五天里，我通过设计声光控制感应系统，加深了自己对数字电子技术和模拟电子技术这两门课的认识，将课本上的知识用于实践中。在设计、测试、分析、解决问题的过程中，我复习了很多以前学过的知识，也查阅了很多资料知道了很多以前不知道的知识。当然，第一次做模电课程设计，难免会各种问题，但是好在最后都解决了。此外，我懂得了查找资料的重要性，在学习过程中，我们难免会遇到自己不懂的问题，很多时候都可以通过查找各种资料自学。然而，查找到的资料也不一定是正确的，还需要经过实际检验，就像网上给出的光敏电阻的阻值范围为20k至3M。 参考文献清华大学电子学教研组编，童诗白华成英主编. 模拟电子技术基础. 第4版. 北京：高等教育出版社， 2010.1 阎石北京.北京：高等教育出版社，20062 童诗白华成英背景：高等教育出版社，2006