硬件課程設(shè)計--自動節(jié)能開關(guān)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

1、<p>　電子信息工程學(xué)院電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)室</p><p>　課程設(shè)計報告</p><p>　題 目：自動節(jié)能開關(guān)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)</p><p>　指導(dǎo)教師：</p><p>　年 級：09級</p><p>　專 業(yè)：電子</p><p>　學(xué) 號：</

2、p><p>　學(xué)生姓名：</p><p>　年月日</p><p>　　1、功能與技術(shù)指標(biāo)：</p><p>　　實(shí)現(xiàn)一個由聲音和環(huán)境亮度共同控制的開關(guān)，其功能是在白天，電路總是關(guān)斷。在黑暗條件下，電路處于等待工作狀態(tài)，當(dāng)有聲音出現(xiàn)時（或有人經(jīng)過），可控硅導(dǎo)通，驅(qū)動燈泡發(fā)光，并開始進(jìn)入延時狀態(tài)，一段時間后可控硅自動關(guān)斷，燈泡熄滅。</p&g

3、t;<p><b>　　2、原理框圖：</b></p><p>　　感應(yīng)電路對信號進(jìn)行采集后將信號傳至控制與延時電路，進(jìn)而控制可控硅通斷，實(shí)現(xiàn)課題所要求的功能與指標(biāo)。</p><p><b>　　3、電路圖</b></p><p><b>　　4、安裝調(diào)試</b></p>

4、<p>　　（1）、首先按照電路圖將元器件在面包板上搭建電路，對原理圖的可行性進(jìn)行檢驗(yàn)，此時電壓由穩(wěn)壓源提供，用發(fā)光二極管代替燈泡作為測試的物理量；</p><p>　?。?）、在面包板上測試成功，發(fā)光二極管能按照理論預(yù)期進(jìn)行工作，此時證明電路圖正確、可行，隨之在用電烙鐵在萬能板上進(jìn)行焊接，焊接過程中不停的檢測有沒有漏焊、虛焊；</p><p>　?。?）、焊接完成后，檢測燈泡能

5、否正常工作，此時發(fā)現(xiàn)燈泡沒有按預(yù)期工作，而且整流二極管有燒掉的跡象，經(jīng)檢測，發(fā)現(xiàn)忽略的萬能板的連線以至于造成整流橋的短路；</p><p>　?。?）換上新的整流二極管，重新焊接完成并對萬能板的連線進(jìn)行的一點(diǎn)改變后，重新測量燈泡能否正常工作，此時發(fā)現(xiàn)一切正常，燈泡能在預(yù)期中工作并能達(dá)到要求的時間范圍；</p><p>　?。?）、此時，將燈泡與萬能板連線封裝好并將燈座固定在萬能板上，隨后將

6、完成作品交由老師檢驗(yàn)，檢測合格后上交。</p><p><b>　　元件清單</b></p><p>　　5、設(shè)計方案與方案比較</p><p>　　此電路設(shè)計原理結(jié)構(gòu)模塊比較清晰，其中電源、聲控、光控部分基本相同，只有在延時部分可以用不同方案實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)有如下兩種方案：</p><p>　　方案一：采用555定時器<

7、/p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：555定時器能實(shí)現(xiàn)精確的延時時間，延時時間比較穩(wěn)定；</p><p>　　缺點(diǎn)：設(shè)計線路復(fù)雜，成本較高。</p><p>　　方案二：采用RC延時電路</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計簡單，成本較低，使用方便；</p><p>　　缺點(diǎn)：延時時間不穩(wěn)定。</p><p>　　考

8、慮到此次設(shè)計要求中要求延時時間為1~2分鐘，要求不是很精確，再考慮經(jīng)濟(jì)成本，此次設(shè)計優(yōu)先選擇方案二。</p><p>　　6、單元電路設(shè)計與參數(shù)計算</p><p><b>　　（1）電源部分</b></p><p>　　D1到D4整流部分，將市電220v整流為12v的直流電。電容C1的功能只是為了改善電源的性能，減小電源的內(nèi)阻，尤其在電池使用

9、較久、電壓下降時，C1可以使聲控放大電路繼續(xù)發(fā)揮較好的作用。</p><p><b>　?。?）聲控電路</b></p><p>　　由麥克風(fēng)BM、三極管9013、電容C1 及電阻R2～R4 、R5 等組成,其中BM 為聲檢測</p><p>　　元件。當(dāng)環(huán)境聲音信號很弱時,三極管9013 處于飽和狀態(tài), 集電極為低電平,11 腳亦為</

10、p><p>　　低電平,晶閘管T 阻斷。當(dāng)環(huán)境聲音信號達(dá)到一定強(qiáng)度時,通過BM 拾音輸出經(jīng)C1 耦合</p><p>　　到9013 的基極,使集電極亦即IC(2) 腳電位隨著聲強(qiáng)而高低變化,當(dāng)(2) 腳處于高電平</p><p>　　時,由于(1) 腳早已處于高電平而滿足了與非門反轉(zhuǎn)條件, (3) 腳跳變?yōu)榈碗娖健?lt;/p><p>　?。?）4

11、011內(nèi)部幾個與非門電路的工作過程</p><p>　　由四二輸入與非門IC(CD4011) 及R6 、R7 等組成。當(dāng)白天或光線很亮?xí)r,與非門IC(a)</p><p>　　的(1) 腳為低電平, (3) 腳輸出為高電平,經(jīng)過IC(b) 、IC(c) 、IC(d) 的電平轉(zhuǎn)換,IC(d) 的</p><p>　　(11) 腳輸出為低電平,晶閘管T 不被觸發(fā),燈不亮

12、;當(dāng)環(huán)境光線較暗使IC(a) 的(1) 腳為</p><p>　　邏輯高電平時,為IC(a) 的翻轉(zhuǎn)提供了條件, IC(a) 翻轉(zhuǎn)與否受控IC(a)(2) 腳的電平高低</p><p>　　(聲控電路的輸入端) 。當(dāng)有聲音信號輸入使IC(a) 的(2) 腳為高電平時,輸出端(3) 腳跳</p><p>　　變?yōu)榈碗娖? (4) 腳跳變?yōu)楦唠娖讲⒔?jīng)VD6 向C3 充電

13、,C3 上的電壓不斷升高,當(dāng)C3</p><p>　　上的電壓上升到IC 邏輯高電平時, (10) 腳變?yōu)榈碗娖? (11) 腳輸出高電平,經(jīng)R6 、R8</p><p>　　分壓后加到晶閘管T 的控制極,晶閘管T 被觸發(fā)導(dǎo)通。</p><p><b>　?。?）延時電路</b></p><p>　　由R8 、C3 、D

14、5 等元件組成。結(jié)合聲控電路及主電路分析,當(dāng)晶閘管T 被觸發(fā)導(dǎo)通</p><p>　　時,C2 上的電壓降低,BM 拾音靈敏度降低,VT 重新飽和, (3) 腳為高電平, (4) 腳變?yōu)?lt;/p><p>　　低電平,由于D5 的隔離作用,C3 上的電壓仍維持(8) 、(9) 腳高電平, (11) 腳也為高</p><p>　　電平。C3上的電壓通過R7 放電,直至C

15、3 上的電壓降至IC 邏輯低電平時, (11) 腳變?yōu)?lt;/p><p>　　低電平,晶閘管T 在正、負(fù)極間的電壓過零時被正向阻斷,C2 上的電壓重新升高,BM </p><p>　　恢復(fù)拾音靈敏度,等待下一次聲控信號輸入, IC(8) 、(9) 腳電位從高電平降低為低電平</p><p>　　的時間,即為開關(guān)接通的維持時間,由C3 和R8 的數(shù)值確定。</p&

16、gt;<p><b>　?。?）光控電路</b></p><p>　　由R5 、RG 組成。電路中晶閘管的通斷,取決于控制極信號的有無。光敏電阻RG的阻</p><p>　　值隨著光照強(qiáng)度的變化而變化,當(dāng)光照達(dá)到一定強(qiáng)度時,其阻值變小到與R5 分壓后使IC(a) 的(1) 腳處于邏輯低電平, (1) 腳所在的與非門被封死,這時不管有無聲音信號輸入,IC(

17、d) 的(11) 腳都是低電平,晶閘管正向阻斷。隨著光照強(qiáng)度的減弱,RG阻值逐漸增大, (1) 腳電位逐漸上升,當(dāng)(1) 腳電位上升到邏輯高電平后,即滿足了開門條件,此時聲控開始起作用。(3) 腳是否反轉(zhuǎn)只取決于IC(a) 的(2) 腳電位(聲控電路的輸入端) 是否達(dá)到了邏輯高電平。</p><p><b>　?。?）橋式整流電路</b></p><p>　　圖（5）

18、 橋式二極管整流電路</p><p><b>　　參數(shù)計算：</b></p><p>　　二極管橋式整流電路輸入、輸出之間的數(shù)量關(guān)系及二極管選擇的條件：</p><p>　　輸出電壓VO、輸出電流IO與輸入電壓V2的關(guān)系：</p><p>　　VO=2×0.45V2=0.9V2</p><p

19、>　　IO=0.9×(VO/RL）</p><p>　　二極管所承受的電流及耐壓值</p><p>　　IV=IO/2=0.45×(VO/RL）</p><p><b>　　VRM=V2m</b></p><p>　　單向橋式整流電路二極管選擇條件：</p><p>　　

20、IVZ≥IO/2=0.45×(VO/RL）</p><p><b>　　VRM≥V2m</b></p><p>　?。?） 降壓濾波電路</p><p>　　由電路圖中的電阻R1、R2和電容C1組成。電路中燈泡也起到了很重要的降壓作用。橋式整流電路輸出的脈動直流電壓經(jīng)過R2限流降壓，電容C1濾波，獲得12V的直流電壓，作為控制電路的直

21、流電源。</p><p>　?。?）β值為250左右，Ic=Ib×β.通過上面計算R1與R2之間電位為12V。一腳電位為高是大于3.5V。R5:RG=(12-U1):U1,即可將R5計算出來。</p><p><b>　　設(shè)R1為120K；</b></p><p>　　三極管管壓降為0.7V。0.7+UR4=12，可估算出R4為2.2

22、M</p><p>　　由于要保持2腳電位為高，故可取R7和R6分別為470K 10K</p><p>　　延時時間計算：t=R8×C3=10M×10uF=100s</p><p><b>　?。?lt;/b></p><p><b>　　7、測試分析</b></p>&

23、lt;p>　　測試結(jié)果：再光敏電阻受到光照時，無論外界是否有聲音，燈光一直不亮。當(dāng)光</p><p>　　敏電阻不受光照時，如果外界有聲音，燈泡發(fā)光。延時90s后，燈泡自動熄滅。</p><p>　　結(jié)果分析：在光敏電阻受到光照時，其值為2.8千歐，與R5串聯(lián)分壓后CMOS</p><p>　　門一腳為低電平，導(dǎo)致11腳為低電平。使可控硅無法工作，不導(dǎo)通。使燈

24、泡不亮。</p><p>　　當(dāng)光敏電阻被擋住時，其電阻值為32千歐。一腳為高電平，同時2腳因?yàn)镸IC</p><p>　　的電流信號，通過三極管使其為高電平8、9腳為高電平，立刻為電容充電，使8、</p><p>　　9腳保持高電平，直到放電完了。此時11腳為高電平，可控硅工作，燈泡工作。</p><p><b>　　8、小結(jié)&l

25、t;/b></p><p>　　對于本次硬件課程設(shè)計，我們小組花了四個星期才完成，前兩次花在了面包板的</p><p>　　調(diào)試上面。雖然前期在做預(yù)設(shè)計報告時，查了不少的資料，電路結(jié)構(gòu)也了解的差不多</p><p>　　了，但在實(shí)踐階段，卻遇到了不少麻煩。光搭面包板都搭了四次，有時是因?yàn)橛械奈?lt;/p><p>　　置接觸不好，有的是因?yàn)?/p>

26、電阻未接地造成的。在最后一次搭面包板后，我們檢查了各</p><p>　　點(diǎn)的電位，CMOS的各個管腳電位，各電阻間的電位。最終查出了有電阻處接觸不好。</p><p>　　在焊接方面，由于沒看到電路版上有幾條線是連在一起的，直接將電源接地了。導(dǎo)致</p><p>　　后面將整流管燒了三個，保險絲燒了。最終改正了過來。</p><p>　　通

27、過本次的硬件課程設(shè)計，我對實(shí)踐方面又有了更深層次的認(rèn)識。現(xiàn)實(shí)實(shí)踐中發(fā)</p><p>　　生的問題比理論上要多得多，這要多多積累才能有所進(jìn)步。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》第四版 童詩白 華成英 主編</p><p>　　[2] 《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》第五版