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夜間照明電路課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容
摘要
在地球資源日益枯竭的今日，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)，在燈種的研發(fā)上，更是趨向環(huán)保、節(jié)能的特性上發(fā)展。因此開(kāi)發(fā)新型、高校、節(jié)能壽命長(zhǎng)、顯示指數(shù)高、環(huán)保的光源對(duì)居家照明節(jié)能具有十分重要的意義。
而聲光控符合現(xiàn)代社會(huì)對(duì)環(huán)保、節(jié)能的要求。聲光控級(jí)聲學(xué)、光學(xué)和延時(shí)技術(shù)為一體、內(nèi)置聲音感應(yīng)元件，光效感應(yīng)元件。光敏電阻、駐體式電容傳感器、二極管、三極管、電容等元器件與四個(gè)與非門(mén)電路的結(jié)合使得聲光控樓道燈有效地將電能轉(zhuǎn)換成光能。
白天或者光線(xiàn)較強(qiáng)時(shí)，開(kāi)關(guān)電路為自鎖狀態(tài)，燈不亮，當(dāng)光線(xiàn)黑暗或晚上來(lái)臨時(shí)，開(kāi)關(guān)進(jìn)入預(yù)備工作狀態(tài)，此時(shí)，當(dāng)來(lái)人有腳步聲、說(shuō)話(huà)聲、拍手聲等聲源時(shí)，開(kāi)關(guān)自動(dòng)打開(kāi)，燈亮，延時(shí)一段時(shí)間后自動(dòng)熄滅，從而實(shí)現(xiàn)了“人來(lái)燈亮，人去燈熄”，杜絕了長(zhǎng)明燈，使得聲光控?zé)舻湍芎�、長(zhǎng)壽命。
本次強(qiáng)化訓(xùn)練的主要內(nèi)容是掌握基本元器件的識(shí)別方法、聲光控樓道燈工作原理以及對(duì)電路的仿真與調(diào)試。
關(guān)鍵詞：聲光控；光敏電阻；與非門(mén)
1設(shè)計(jì)目的和任務(wù)
1.1鞏固加深對(duì)模擬、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，提高綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。
1.2通過(guò)查找資料、選方案、設(shè)計(jì)電路、仿真或調(diào)試、寫(xiě)報(bào)告等環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，熟悉設(shè)計(jì)過(guò)程、步驟。為今后從事電子線(xiàn)路的設(shè)計(jì)、研制電子產(chǎn)品打下良好的基礎(chǔ)。
1.3作為電力電子技術(shù)的入門(mén)，學(xué)習(xí)晶閘管的應(yīng)用。
1.4設(shè)計(jì)模擬和數(shù)字電子混合電路，實(shí)現(xiàn)特定功能。學(xué)習(xí)這一技能，積累這方面的經(jīng)驗(yàn)
2設(shè)計(jì)要求
2.1設(shè)計(jì)一個(gè)光線(xiàn)暗淡有聲響時(shí)燈亮，延時(shí)照明后自動(dòng)熄滅的節(jié)電控制電路。
2.2光線(xiàn)明亮，有無(wú)聲響，燈不亮；
2.3光線(xiàn)暗淡，有聲響，燈亮且延時(shí)40至60秒自動(dòng)熄滅（延時(shí)時(shí)間可調(diào)）；
2.4光線(xiàn)暗淡，無(wú)聲響，燈不亮。
3總體框圖設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)思路
通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)要求分析之后知道要完成設(shè)計(jì)需要以下幾個(gè)部分：光控電路，聲控電路，延時(shí)電路，電磁繼電器電路。當(dāng)且僅當(dāng)光控電路和聲控電路同時(shí)工作時(shí)，電磁繼電器開(kāi)關(guān)被吸下，燈泡亮。若聲控開(kāi)關(guān)和光控開(kāi)關(guān)一直閉合，則燈泡一直亮，若此時(shí)斷開(kāi)聲控或光控開(kāi)關(guān)，由于延時(shí)電路的作用，燈泡能繼續(xù)亮一段時(shí)間，過(guò)一段時(shí)間后電磁繼電器銜鐵斷開(kāi)，燈泡熄滅。
3.2方案的設(shè)計(jì)與比較
在設(shè)計(jì)過(guò)程中本人設(shè)計(jì)了兩種電路，下面對(duì)兩種電路進(jìn)行比較與選擇。
3.2.1方案一
由三級(jí)管構(gòu)成的射極偏置放大聲控，由分壓電路構(gòu)成光控電路，然后利用與非門(mén)進(jìn)行信號(hào)傳輸，利用RC制成一個(gè)延時(shí)電路，前面的控制電路最終控制電磁繼電器電路從而控制燈泡的亮滅以及延時(shí)。
3.2.3方案的比較
方案一的元件均為常見(jiàn)的基本元件，用到的有電阻，電容，三極管，與非門(mén)，二極管，光敏電阻，電磁繼電器，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。相比之下方案二用到的元件555芯片，運(yùn)放，電阻，電容函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，二極管，光敏電阻。相比之下方案一的元件比較簡(jiǎn)單而且易于得到，在實(shí)際仿真過(guò)程中，方案二出了很多問(wèn)題，所以最終決定選用方案一，得到了比較滿(mǎn)意的結(jié)果。
4整體電路的分析4.1光控電路4.1.1原理介紹：
光敏電阻是利用半導(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。入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。將光敏電阻接于如圖所示分壓電路中，改變?nèi)肷涔獾膹?qiáng)度，即改變了光敏電阻的阻值，從而改變了光敏電阻的分壓，當(dāng)有光時(shí)，光敏電阻阻值小，兩端電壓��；當(dāng)無(wú)光時(shí)，光敏電阻阻值大，兩端電壓大。將有光無(wú)光時(shí)光敏電阻兩端的電壓改變作為一個(gè)信號(hào)，也可理解為一個(gè)開(kāi)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)光控電路開(kāi)關(guān)的功能。
4.1.2電路圖
圖4.1.2
4.2 聲控電路4.2.1原理介紹：
用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器模擬聲音信號(hào)，用快關(guān)控制其通斷，即可表示聲音信號(hào)的有無(wú)。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，即有聲音信號(hào)時(shí)，構(gòu)成如圖所示的射極偏置電路，對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行放大。首先確定三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)，當(dāng)IR10>>IB時(shí)，由VB=R10/(R10+R12)可得，靜態(tài)工作點(diǎn)Q為IC=IE=(VB-VBE)/R15，IB=1/β*Ic,VCE=VCC-IC(R11+R15)。聲音信號(hào)采用1V,500HZ的正弦交流信號(hào)模擬，通過(guò)射極偏置電路，作為聲控開(kāi)關(guān)傳遞給后續(xù)電路。
4.2.2電路圖；
圖4.2.2
4.3邏輯門(mén)電路和延時(shí)電路
4.3.1原理介紹：
當(dāng)聲音信號(hào)和光信號(hào)傳輸?shù)経5都為高電平時(shí)，即無(wú)光有聲，通過(guò)與非門(mén)，輸出為低電平，經(jīng)過(guò)U6時(shí)輸出為高電平，根據(jù)二極管的單向?qū)щ娦裕珼3導(dǎo)通，傳輸?shù)経7輸入端為高電平，經(jīng)過(guò)U8反向后輸出為高電平。當(dāng)聲音信號(hào)和光信號(hào)有一個(gè)為低電平時(shí)，即有光或者無(wú)聲時(shí)，經(jīng)過(guò)U6輸出均為低電平，二極管截止，U7輸入端均為低電平，經(jīng)過(guò)U8輸出為低電平。
圖中RC構(gòu)成電路的延時(shí)電路，在二極管導(dǎo)通的時(shí)候會(huì)給電容充電。當(dāng)聲音信號(hào)斷開(kāi)時(shí)，二極管不導(dǎo)通，由C3放電，實(shí)現(xiàn)電路的延時(shí)功能。
4.3.2電路圖
圖4.3.2
4.4電磁繼電器電路
4.4.1原理介紹：
電磁繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)(又稱(chēng)輸入回路)和被控制系統(tǒng)(又稱(chēng)輸出回路)，通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流、較低的電壓去控制較大電流、較高的電壓的一種"自動(dòng)開(kāi)關(guān)"。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。
當(dāng)線(xiàn)圈中有電流時(shí)，電磁繼電器的銜鐵被吸下，燈泡控制電路導(dǎo)通，此次仿真采用家庭電路220V電壓，燈泡采用25W小功率燈泡，進(jìn)一步滿(mǎn)足節(jié)能的要求。當(dāng)聲音信號(hào)或者光信號(hào)有一個(gè)斷開(kāi)時(shí)，由于延時(shí)電路中電容C的放電，燈泡會(huì)繼續(xù)亮一段時(shí)間，當(dāng)電容C放電完畢時(shí)，電磁繼電器線(xiàn)圈中沒(méi)有電流，銜鐵斷開(kāi)，燈泡熄滅。實(shí)現(xiàn)用弱電自動(dòng)控制強(qiáng)電的功能，起到了安全的功能。
4.4.2電路圖
圖4.4.2
5整體原理圖
5.1工作原理：
當(dāng)有光信號(hào)時(shí)，光敏電阻的阻值較小，由于分壓作用，輸入U(xiǎn)2端為低電平。根據(jù)與非門(mén)的邏輯功能無(wú)論是否有聲音信號(hào)，輸出均為高電平，經(jīng)過(guò)由與非門(mén)構(gòu)成的非門(mén)反向后輸出為底電平，二極管D1截止，即U3輸入端均為低電平，輸出為高電平，經(jīng)過(guò)U1反向后輸出為低電平，三極管Q3為不導(dǎo)通狀態(tài)，電磁繼電器線(xiàn)圈中無(wú)電流，燈泡不亮。
當(dāng)無(wú)光信號(hào)時(shí)，光敏電阻的阻值較大，由于分壓作用，輸入U(xiǎn)2端為高電平。1.當(dāng)無(wú)聲音信號(hào)時(shí)，經(jīng)放大電路輸入U(xiǎn)2端為低電平，此時(shí)U2與非門(mén)輸出為高電平，二極管截止，燈泡不亮。2當(dāng)有聲音信號(hào)時(shí)，經(jīng)放大電路輸入端為高電平，此時(shí)U3兩輸入端均為高電平，二極管導(dǎo)通，給C2充電，同時(shí)U3兩輸入端均為高電平，U1輸出端為高電平，三極管Q2導(dǎo)通，電磁繼電器線(xiàn)圈中有電流，將電磁繼電器的銜鐵吸下，燈泡控制電路導(dǎo)通，燈泡亮。若一直有聲音信號(hào)，則電磁繼電器線(xiàn)圈中一直有電流，即燈泡會(huì)一直亮。若斷開(kāi)聲音信號(hào)，則二極管會(huì)處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)電容C2放電，電磁繼電器線(xiàn)圈中仍然有電流，燈泡繼續(xù)亮一段時(shí)間，直到電容C2放電結(jié)束，燈泡熄滅，實(shí)現(xiàn)延時(shí)功能。
5.2整體原理圖；
圖5.2
6.元件的選擇6.1部分元器件參數(shù)的設(shè)定
6.1.1三極管的電流放大倍數(shù)，β=（IC-ICEO）/IB≈IC/IB=132.6
6.1.2光敏電阻的阻值變化范圍，當(dāng)無(wú)光照時(shí)，光敏電阻阻值為512K,當(dāng)有光照時(shí)，光敏電阻阻值為76K。為了體現(xiàn)光敏電阻有無(wú)光照的影響，選用R3=1.1M。當(dāng)有光照時(shí)V=R/（R+R3）*VCC=76/(76+1100)*15=0.94V ,當(dāng)無(wú)光照時(shí)V=512/（512+1100）*15=4.76V 對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩者有明顯的差異，可以看成高低電平的轉(zhuǎn)換。
6.1.3為了穩(wěn)定三極管Q1的靜態(tài)工作點(diǎn)，放大聲音信號(hào)，采用射極偏置放大電路。為了滿(mǎn)足I>>IB,由于VB=R2/(R2+R9)*VCC,設(shè)置R2=100k,R9=10k.得到VB=13.64V,得到靜態(tài)工作點(diǎn)IC=IE=(VB-VBE)/RE=25.9mA,IB=1/β*IC=0.21mA,VCE=VCC-IC(RE+RC)=2.17V
6.1.4為了實(shí)現(xiàn)電路的延時(shí)功能，達(dá)到延時(shí)效果為40到60S,本次設(shè)計(jì)采用RC延時(shí)電路，根據(jù)計(jì)算公式，T=0.7*RC。所以設(shè)置電路中電容為10u,電阻為8M.電路延時(shí)T=0.7*C2*R5=56s，達(dá)到了實(shí)際要求，實(shí)際仿真效果同步。
6.2特殊元器件6.2.1晶閘管的工作原理
晶閘管的工作原理分析：晶閘管可用兩個(gè)不同極性（P-N-P和N-P-N）晶體管來(lái)模擬，如圖6.2.1所示。
當(dāng)晶閘管的柵極懸空時(shí)，BG1和BG2都處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)電路基本上沒(méi)有電流流過(guò)負(fù)載電阻RL，當(dāng)柵極輸入一個(gè)正脈沖電壓時(shí)BG2道通，使BG1的基極電位下降，BG1因此開(kāi)始導(dǎo)通，BG1的導(dǎo)通使得BG2的基極電位進(jìn)一步升高，BG1的基極電位進(jìn)一步下降，經(jīng)過(guò)這一個(gè)正反饋過(guò)程使BG1和BG2進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)。電路很快從截止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，這時(shí)柵極就算沒(méi)有觸發(fā)脈沖電路由于正反饋的作用將保持道通狀態(tài)不變。如果此時(shí)在陽(yáng)極和陰極加上反向電壓，由于BG1和BG2均處于反向偏置狀態(tài)所以電路很快截止，另外如果加大負(fù)載電阻RL的阻值使電路電流減少BG1和BG2的基電流也將減少，當(dāng)減少到某一個(gè)值時(shí)由于電路的正反饋?zhàn)饔�，電路將很快從道通狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)，我們稱(chēng)這個(gè)電流為維持電流。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)短路晶閘管的陽(yáng)極和陰極從而達(dá)到晶閘管的關(guān)斷。等效圖如下
圖6.2.1
6.2.2CD4011
7電路的仿真與調(diào)試
采用proteus軟件進(jìn)行仿真，畫(huà)出電路，并且在仿真過(guò)程中，用開(kāi)關(guān)模擬有無(wú)聲音，光源離光敏電阻的遠(yuǎn)近來(lái)模擬白天與晚上。
7.1白天時(shí)的模擬
白天時(shí)，開(kāi)關(guān)彈起，光源離光敏電阻很近
圖7.1.1（a）
仿真結(jié)果：繼電器電路未導(dǎo)通，燈兩端電壓相等，且燈不亮
圖7.1.1（b）
7.2晚上時(shí)的模擬7.2.1晚上無(wú)聲
開(kāi)關(guān)彈起，光源離光敏電阻很遠(yuǎn)
圖7.2.1（a）
仿真結(jié)果：繼電器電路未導(dǎo)通，燈兩端電壓相等，且燈不亮
圖7.2.1（b）
7.2.2晚上有聲
開(kāi)關(guān)合下，光源離光敏電阻很遠(yuǎn)
圖7.2.2（a）
仿真結(jié)果：燈亮
圖7.2.2（b）
延時(shí)：
圖7.2.2（c）
8心得體會(huì)
為期近兩周的課程設(shè)計(jì)在考試之后豐富了我們的生活和學(xué)習(xí)，讓我受益匪淺。本次課程設(shè)計(jì)的選題給我們很大的興趣，對(duì)于夜間照明電路的設(shè)計(jì)一直以來(lái)都是同學(xué)們很感興趣的一個(gè)課題所以我們投入了大量的時(shí)間和精力去完成這個(gè)十分模糊的概念。因?yàn)橹盎旧蠜](méi)有接觸過(guò)相關(guān)的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中阻力是很大的，全部都是要依賴(lài)于我們自學(xué)和創(chuàng)造性設(shè)計(jì)，聯(lián)系課本的知識(shí)發(fā)現(xiàn)很難去完成此次設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)歷了一段迷茫期，不知道從何處下手去做，而這些很多課堂上沒(méi)有接觸到的東西，卻是在創(chuàng)造性學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要去現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用的。
經(jīng)過(guò)老師的指導(dǎo)和同學(xué)們的相互幫助，上網(wǎng)查閱一些資料，慢慢的接觸相關(guān)的知識(shí)，從不太清楚到漸漸明確方向。學(xué)習(xí)了相關(guān)的一些仿真軟件，例如Multisim和Proteus等能夠幫我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題。通過(guò)它們可以進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我遇到了一些難題例如仿真軟件操作問(wèn)題電機(jī)正反轉(zhuǎn)電路設(shè)計(jì)以及其驅(qū)動(dòng)電路等等，但是都最后一一解決掉。
通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，讓我認(rèn)識(shí)到了自身存在很多的不足，需要在接下來(lái)的學(xué)習(xí)和生活中要改正的。大二的結(jié)束，進(jìn)入大三后對(duì)更多專(zhuān)業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)需要我們仔細(xì)鉆研，在這個(gè)階段給了我們很好的提前了解的機(jī)會(huì)。雖然對(duì)單片機(jī)、自動(dòng)控制原理沒(méi)有理解，但是這也是一個(gè)好的開(kāi)始。對(duì)接下來(lái)的學(xué)習(xí)更加具有方向性和指導(dǎo)性。
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