青 岛 农 业 大 学

海都学院

传感器课程设计报告

设 计 题 目            声光控开关                             

学生专业班级           08级电子信息科学与技术二班                            

学生姓名（学号）                                   

指 导 教 师                                        

完 成 时 间          20##年7月8日                

实 习（设计）地点    硬件实验室                      

2011  年  7  月 8 日

一、课程设计目的和任务

设计目的：掌握光敏传感器及其电路应用原理

设计任务：声光控延时开关采用行人脚步，拍手或咳嗽声来控制灯的开启。灯光延时一定时间自动关闭。白天光线强时将其闭锁，即使有行人的脚步声开关始终处于闭锁状态也不会开启。实现声来灯亮、声离灯灭，令我们无论在家里还是在别处，方便自如，都能够乐在其中”。ZX2027灯头型声光控延时开关，在灯头上装上白炽灯安装在走廊、楼梯间或厕所里，白天不亮，晚上只要你发出声响灯就亮20秒，人离开后灯熄灭。

设计要求：

（1）了解声光控延时开关电路的组成及工作原理。

（2）熟悉驻极体话筒和光敏电阻器的特性。

（3）学习声光控延时开关电路设计。

（4）光线暗时，声音触发开关接通灯亮，延时一定时间（20秒左右）后自动熄灭

二、分析与设计

1.        设计任务分析

声光控开关电路应由电源电路、声控电路、光控电路、延时电子开关电路四大部分组成。如图：

声光控延时开关实现在白天呈关闭状态，只有在晚上且存在声响情况下（如人的脚步声等）才开启，开启后延时一段时间后又能自动关闭。

2.        设计方案论证：

通过查阅资料，得到当外部条件变化（天色变暗、有明显声响）时，光敏和声敏元件电位及电阻明显变化，微弱信号经放大器放大后足以使的控制开关开启，是电路导通。我认为此设计方案可行。

3.        详细设计：

1）电路工作原理：

开关电路中声音检测采用驻极体话筒MIC，三极管T2组成放大器。无声响静态时T2是处于饱和导通状态，当有声响时，话筒MIC接收声响信号，可使T2截止。亮度检测由光敏电阻R_G完成。电路使用的CMOS数字集成电路CD4011，内含有四个2输入端与非门。CD4011中除其中一个直接用为2输入端与非门作为判别电路外，其余三个均接成反相器作放大器用。D6、R₆、C₄组成延时电路。开关采用可控硅T1。二极管D1~D4与可控硅T1组成可控整流电路，当T1导通时，灯泡发亮；T1截止时，灯泡熄灭。

白天时，光敏电阻R_G受光照呈低阻态，CD401113脚始终为低电平。这时不管CD401112脚为高电平（有响声使T2截止）还是低电平（无声响T2饱和导通），与非门输出11脚始终为高电平。经三次反相后，10脚输出为低电平，可控硅T1截止，灯泡不亮。可见由于光敏电阻R_G受光照作用，白天灯泡一直不会亮。

晚上天黑时，光敏电阻R_G无光照呈高阻态，CD401113脚始终为高电平。这时如果无声响，T2饱和导通，12脚为低电平，则与非门输出11脚仍然为高电平，电路状态与白天相同。但当有声响发生时，话筒MIC接收声响信号使T2截止，12脚为高电平，与非门输出11脚变为低电平，经一级反相放大后，3脚输出高电平。此时3脚输出的高电平经导通的D6迅速对电容C₄充电，使56脚升至高电平，再经两级反相后，10脚输出为高电平，由此触发可控硅T1导通，灯泡点亮。

声响消失后，T2恢复饱和导通，12脚为低电平，11脚输出高电平，经一级反相放大后，3脚输出低电平。此时由于C₄还来不及放电，D6截止。随后C₄通过R₆ 缓慢放电，C₄两端电压即56脚电压逐渐下降。当56脚电压下降至低电平电压值（1V左右）时，4脚输出高电平，10脚输出低电平使T1截止，灯炮熄灭。

由此可见，灯泡发亮的维持时间主要取决于C₄的放电时间常数。改变电阻R₆的阻值，可调整延时时间，通常设计延时45~60秒左右。调整电阻R₅，可改变电路白天到黑天的亮度阈值。话筒灵敏度可由R₂调整。

2）光控电路

光控电路它是用外来的光源来控制电路的设备。其作用是把外来送入的光源转换电信号，从而用这种信号去控制所需要的电器设备。常用的电路有：发光器件电路、光敏器件电路和光电显示器件电路。本次实验的中我们选用光敏电阻作为传感器来实现光控。

光敏电阻器又叫光感电阻，其工作原理是基于内光电效应。

光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。

3）声控电路

我们选择MIC做为接收信号源，工作原理：话筒将声音信号转化为负极性的电信号。

声控电路通过声音信号控制可控硅的导通状态，其特征在于，所述声控电路包括电源部分，谐振放大部分及触发器，电源部分通过电容降压、整流及稳压提供声控电路所需的直流电压，谐振放大部分包括多极三极管放大，话筒接在第一级放大三极管的基极上并由电容耦合，一个由电感和电容构成的振荡电路接在末级放大三极管的基极上，放大后的信号影响触发器的翻转，并最终控制可控硅的控制极的电位。当光线不足或黑夜时，MIC接收到声信号，开始工作。

4）延时电子开关电路

延时电子开关电路它是用电路中送入的信号进行控制电路的设备。其作用是用送入来的信号去控制电路，使电路达到延时的效果。常用的延时电路有按键延时电路、感应延时电路、开关控制延时电路、光控延时电路、声光双控延时电路等。而本电路延时电子开关电路使用主要的电路为声光双控延时电路部分。声光双控电路是声、光控开关的组合。它是利用驻极体话筒是否采集到声音信号，光敏电阻感应光线的明暗来改变信号的高低电平，以达到控制电路输出高低电平的目的，再利用稳压管高电平导通的原理来控制灯泡的亮灭。

延时电子开关电路的设计，采用集成CD4011。

延时电路的设计主要由C3和R9组成。当夜晚有响声（如脚步声、说话声等），话筒接收到信号后内阻增大，CD4011的8、9脚为高电平，10脚为低电平，VD9截止，C3通过R9放电，放电的时间长短决定了灯亮的时间，直到C3上的电放完到CD4011的15脚，这时为低电平，灯泡熄灭，等待下一次信号。

集成电路CD4011是一个包含4个与非门的CMOS电路（如图3-2），每个与非门有2个输入端一个输出端，与非门的特点是，输入端有低电平输出高电平，输入端全部高电平输出低电平，逻辑表达式为：  。

图3-2  CD4011内部结构

5）整流电路的设计

整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路。根据电压的充分利用整流电路选用单向桥式整流电路。

单向桥式整流电路是由电源变压器T，4只整流二极管VD1～VD4和负载RL组成。电路图如2-1图所示。

 

图3-1 桥式整流电路原理图

 工作原理：利用4个二极管接成电桥使在U2的正负半周的电压经过两只二极管交替导通，即在负载上形成了单方向的全波脉冲电压。其中单向桥式整流电路对电压的利用率高。

4.        原理图及元器件清单等

1）电路原理图：

2）元器件清单：

三、系统实施 (系统实现与调试过程中遇到的主要问题分析和系统运行的结果)

    根据电路原理图，选择出需要的电子元器件，依据电路图正确焊接，焊接完成后，重新检查电路板有没有虚焊、短路等问题。检查完毕后通电试验。在第一次的试验中出现了一点问题导致灯泡不亮，后经改进后，又出现一些新的问题---灯泡点亮时间太短没有进行延时。有关问题分析如下：

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C1两端是否有10V以上直流电压。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C1损坏．应逐一检查确诊。若C1两端电压正常，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、C3、VT1。

2.      灯泡点亮时间太短

   这主要是C2、R6时间常数太小．常见原因是C2漏电．其次是二极管VD5的反向漏电流太大。检查并更换后故障即可排除。

四、总结与体会：

    本次设计涉及到传感器和电子技术的一些理论知识。其中包括光敏电阻的结构和工作原理，驻极体的工作原理等。通过本次设计加深了传感器的认识和应用的能力，懂得如何设计整流电路最高效，如何设计延时电路等。学会如何分析电路，解决实验中出现的问题以及分析问题解决问题的方法。另外，对于本次设计在生活中的应用有以下想法。

随着国家的可持续发展战略的实施，节能是可持续发展的手段。往常的开关路灯，在无人的时候也亮着，无疑的是一种浪费。而在一些学校、办公楼、街道设施等公共设施大多的灯都是通过开关电路控制，这种浪费不仅加大了财政支出，且对于用电高峰时无疑是一种负担；为了节约用电大多数设施都采用节能灯。同时，也越来越多的学校、企业重视这个问题，采用声光控来做为节能的一个重要环节，

未来生活中声光控电路不仅应用于灯开关，还可以应用很多的自动开关电路，甚至还可以做成简易的报警电路；做为学电子信息的一名学生，我们还可在这一领域探讨研究，将声光控电路加以改进。

五、参考书目：

1.刘笃人、韩保君、刘靳 传感器原理及应用技术（第二版）  西安电子科技大学    2009.4

2.光敏电阻 百度百科http://baike.baidu.com/view/55997.htm

课程设计成绩评定表

注：此表装订在课程设计之后。

第二篇：声控灯开关电子课程设计

电 子 技 术 课 程 设 计 报 告 书

南华大学

课程设计报告书

课程名称： 电子技术课程设计 题 目：系 （院）： 机械工程学院 学 期：专业班级： 测控091 姓 名： 王大明 学 号： 20094600101

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第一章 系统概述。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。4

第二章 单元电路设计与分析。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5

第三章 电路的安装与调试。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。12 总结。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。13 参考文献。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。16 附录。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。14

电 子 技 术 课 程 设 计 报 告 书

题目

声控灯开关

1设计的目的和任务：

1、巩固加深对模拟电子技术基础知识的理解，提高综合运用所学知识的能力，培养学

生独立分析问题、解决问题的能力。

2、通过查找资料、选方案、设计电路、仿真或调试、写报告等环节的训练，熟悉设计

过程、步骤。为今后从事电子线路的设计、研制电子产品打下良好的基础。

3、作为电力电子技术的入门，学习晶闸管的应用。

4、设计模拟和数字电子混合电路，实现特定功能。学习这一技能，积累这方面的经验。 2设计要求：

1、设计办公大楼、写字楼或居民住宅楼内应用的声光控灯开关。

2、在白天照度较高时，即楼道内光线充足时本开关不启动，灯熄灭。

3、夜晚楼道内光线较差时，若楼道内充分安静（无人行动时），灯泡不启动。

4、若在光线较差的楼道内有人发出声响，就启动该装置使灯泡点亮。

5、画出电路图

（1）用protel绘制电路图

（2）布局合理、排列均匀、图面清晰、便于看图、有利于对图的理解和阅读。

（3）图形符号要标准，图中应加适当的标注。

3总体框图设计

根据技术要求，此声控灯开关可由以下几个单元组成：

图1整体框图

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4功能设计

图2 声光控制电路图

根据图2电路，原理如下：

由四个二极管组成的桥式整流电路将输入电路的220v50hz交流电压变换成脉动直流。该脉动直流电压一路由R3和R1、C3分压并滤波后得到传感及逻辑控制电路所用的电压VCC；另一路接到晶闸管BT169的阳极。

当BT169的控制极（栅极）为高电平且输入的交流信号Vi=COS（wt+Φ）处于正半

周期时，电流由D2→地→D4→灯流过而将灯点亮。当Vi处于负半周期时，电流由灯→D3→地→D1而将灯点亮。当BT169的控制极为低电平时，晶闸管截止，此时不会产生驱动灯的电流，此时灯是熄灭的。由此可见，灯的亮灭是由晶闸管的控制极电平决定的。因此，关键的问题是如何控制其栅极电平的高低。

有光时灯灭；无光无声时灯灭；无光有声时灯亮。参见图2，对光敏电阻RW而言，当有光时，RW<2kΩ，此时HD14011的1脚亦即第一个与非门的一个输入端为低电平（地），所以3脚为高电平、4脚为低电平，10脚为高电平，11脚为低电平（后文设上述由左至右四个与非门的输出分别为A,B,C,D），则此时晶闸管截止，灯泡是暗的。相反，如果无光时，RW>2MΩ，此时HD14011的1脚是高电平，此时第一个与非门的输出取决于2脚的状态，而2脚的状态将由噪声传感器来决定，当没有声音时，2脚为低电平，因此A为高电平，B为低电平，C为高电平，D为低电平，此时晶闸管截止，灯泡为暗。当有声音产生时，在麦克两端产生一个交流信号，经过电容而将2脚置成高电平，此时A为低电平，B为高电平，C为低电平，D为高电平，从而将晶闸管触发导通，灯泡点亮，同时由于B点为高电平，可对电容C2充电，这样，当声音消失之后，由于C2和R7的存在，

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使C点维持在低电平直到C2放电结束，在此过程中，灯泡将会一直保持在亮的状态直至

此过程结束。

4.1 VCC值的确定

可由R3、R1的分压作用将家用电压经整流后所得电压Vo=220ｘ1.414=311V 输入电压的表达式为：Vcc=R1*Vo/(R1+R3) 算得Vcc=5V

4.2 延时的确定

图3 延时电路部分

由R7、C2组成延时电路，要求延时为1min，与非门工作高低电平为3.4V,0.3V 延时T计算公式：t=R7C2ln（Vt+/Vt-） 算得R7=1.1MΩ C2=22uf

4.3 与非门的高低电平的输入确定

NPN的参数为：β=50Vce(sat)=0.3V Vbe=0.7V

如果无光时，RW>2MΩ，与非门有一脚是高电平，此时第一个与非门的输出取决于另脚的状态，此脚的状态将由噪声传感器来决定。

当没有声音时：

灯不亮，要求第一个与非门的一脚为低电平，即使三极管工作在饱和区满足条件，且输出的电压为0.3V。此时A为高电平，B为低电平，C为高电平，D为低电平，此时晶闸管截止，灯泡为暗。

由三极管的工作参数得： Ibs=（Vcc-Vce）/R5β=0.18uA

Ib=（Vcc-Vbe）/R2 =1.4uA 在饱和工作区不满足Ic=βIb 且Ib>Ibs 令Ib=10Ibs

由此可得R8=510KΩ R2=47kΩ

当有声音时：

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图7 电容滤波过程

当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移， t2点要左移，二极管关断时加长，导通角减小，见图7中的曲线；反之， RLC减少时，导通角增加。显然当RL很小，即IL很大时，电容滤波的效果不好，见图7中的曲线。反之，当ＲL很大，即IL很小时，尽管C较小, RLC仍很大，电容滤波的效果也很好，见图7中的曲线。

4.6 晶闸管的工作原理

晶闸管的工作原理分析：晶闸管可用两个不同极性（P-N-P和N-P-N）晶体管来模拟，如图G1所示。当晶闸管的栅极悬空时，BG1和BG2都处于截止状态，此时电路基本上没有电流流过负载电阻RL，当栅极输入一个正脉冲电压时BG2道通，使BG1的基极电位下降，BG1因此开始道通，BG1的道通使得BG2的基极电位进一步升高，BG1的基极电位进一步下降，经过这一个正反馈过程使BG1和BG2进入饱和道通状态。电路很快从截止状态进入道通状态，这时栅极就算没有触发脉冲电路由于正反馈的作用将保持道通状态不变。如果此时在阳极和阴极加上反向电压，由于BG1和BG2均处于反向偏置状态所以电路很快截止，另外如果加大负载电阻RL的阻值使电路电流减少BG1和BG2

的基电

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调试时要用到万用表测量各个点位上的电压值，先将光敏电阻的光档住，将AB分别接在电灯的开关上，用手轻拍声音传感器，这时灯应该亮。若用光照射光敏电阻，再用手轻拍声音传感器，这时灯应该不亮。说明光敏电阻完好，这时表示制作成功。

若调试不成功，要先将焊好的电路板对照电路图检查一遍。不要有错焊、漏焊、短路等现象。

若没有上诉现象，用电压表测试个点的电压值，若与理论值出入太大则可能是元器件问题，可能被烧坏或内部短路等。

7 元器件清单

8 总结

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经过这为期两周的电子技术课程设计，在设计“声控开关”的过程中，我终于知道了在做这样的一个课程设计的时候，应该从什么地方着手，应该怎样构造自己的思路，怎样利用已学知识来实现自己的设计方案，并通过不断地查找资料来实现它的功能。在此过程中，不但让我体会到设计的繁琐与艰辛，同时也让我更好地巩固了以前所学的知识。

以前我一直这样认为，我们只要学好课本的专业知识就行，但我们并不一定要知道如何利用利用课本知识来完成某些设计，并实现它的功能。而通过这次的课程设计让我大大改变了自己以前错误的想法。虽然这段时间临近期末考试，让我感到时间非常的紧迫，人也很疲惫，但当我通过自己的努力，去图书馆找资料，上网参考其他人的设计程序和同学共同来完成设计的那一刻，所有的紧张，所有的疲惫都忘记了。我想这就是所说的成就感吧！也让我深刻的体会到了“在设计中我们会巩固很多知识、学到很多知识”。

在电子技术的设计过程中，我也遇到了一些困难和迷惑。但是通过不断努力，和同学克服了一个又一个的问题，保证了设计作业的顺利进行。

这次我不但收获了努力的成果——“声控开关”，还从中充分感受到了“只要功夫深，铁杵磨成针”。并坚信再难的困难我们也会努力去克服。通过这次课程设计我相信这对于我在以后的发展中具有深远的影响。

9 参考文献

[1] 彭介华. 电子技术课程设计指导. 北京：高等教育出版社，1997

[2] 李振声. 实验电子技术. 北京：国防工业出版社，2001

[3] 卢结成，高世忻等. 电子电路实验及应用课题设计. 合肥：中国科学技术大学出版

社，2002

[4] 康华光. 电子技术基础（模拟部分）2006.1. 北京：高等教育出版社，1985

[5] 梁宗善. 电子技术基础课程设计. 武汉：华中理工大学出版社，1995