声光控开关Mutisim仿真制作 总结报告

我们组选的电子制作题目是一种节约能源的声光双控开关的设计。它是由集成芯片74LS00和NPN型晶体管为核心实现的，驻极体话筒的声音信号和光敏电阻感受到的光信号以“与”的关系来控制74LS00输出高低电平，经过延时电路，然后74LS00的输出控制LED灯的导通和断开，从而控制灯泡的亮与灭。在白天，无论有无声音，这种电子开关控制LED灯不亮；但是在晚上，一旦有声音，电子开关便控制LED灯自动点亮，经过一段时间，灯自动熄灭，这种装置可广泛使用于楼梯、走廊及厕所等公共场所的照明控制，它不但结构简单、方便实用、性价比高、安全并能延长灯泡寿命，而且具有明显的节约能源的作用。

下面是原理图：

目录

• 设计任务与要求…………………………………………………….........................2
  
  • 设计任务
  • 技术指标
    
• 方案比较与论证…………………………………………………......................…...2
  
  • 各种方案比较与选择
  • 方案论证
    
• 系统硬件设计…………………………………………………….…..........................4
  
  • 发射部分电路设计
  • 接收部分电路设计
    
• 系统安装及仿真…………………………………………………………....................6
  
  • PCB版设计和安装
  • 整体电路仿真图以及仿真结果分析
    
• 安装与系统测试………………………………………………………..…..................7
  
  • 电路安装
  • 电路测试
    
• 结论……………………………………….…….…………………................................8
  

参考文献……………………………………….……….…………................................…8

1任务和要求

1.1设计任务：

画出声控开关的设计图及原理图，计算主要元器件的参数，并选择元器件。

1.2基本要求：

 [1]该开关白天不导通；晚上，一有声响便自动导通，且声音消除后仍能导通一段时间。

 [2]保持导通的时间可在1~10min（分）内持续导通。

  [3]该开关适用于人们活动时能发出声响的场合，保证人们在光亮条件下活动。

2  方案比较与论证

2.1 各种方案比较与选择：

2.1.1方案一

电路简述：本电路为一声光自动控制白炽灯开关。白天或夜晚光线较亮时，光控部分将开关自动关断，声控部分不起作用。电路主要由555集成电路和声控专用集成电路BH—SK-1组成。原理框图如下图1所示。     

白天或夜晚光线较亮时，光控部分将开关自动关断，声控部分不起作用。设计一个既实用又方便的照明灯则是我们人类共同的愿望。而生活中我们用的最为平常的灯则是楼道里的照明灯，住过居民楼的人都应该知道，楼道很窄，晚上行走很不方便，如果让楼道的照明灯一直亮着，则难免会浪费国家资源，因此设计一种既不浪费国家电力又很方便实用的照明灯系统是很有实用价值意义的一件事。当光线较暗时，光控部分将开关自动打开，负载电路的通断受控于声控部分。电路是否接通，取决于声音信号强度。当声强达到一定程度时，电路自动接通，点亮白炽灯，并开始延时，延时时间到，开关自动关断，等待下一次声音信号触发。

2.1.2方案二

声光控是通过光敏电阻来实现的，当光敏电阻在背光的的时候灯就会慢慢的熄灭，即这时也是人走过了的时候。在有的电路中这种原理也可以通过声音的振动来实现，当人走过是只需用手轻拍一下灯就会自动的亮，人离开后又熄灭。这样就给路人提供了相应的方便，同时，也达到了节电和节能的目的；延长灯的寿命。在实际生活中节电节能，能够实现更多的自动化。原理框图如下图2所示。

声源产生的声音信号，经声电转换器后转换成微弱的电信号，该信号经放大后送处理器处理，处理器将幅度、频率不尽相同的一群声波信号转换成一次状态改变的控制信号，该信号经延时处理电路达到设计要求时间与设计要求功能，经执行机构直接控制负载动作，处理电路如下图3所示。

2.2方案论证

整流电路 采用桥式整流电路，二极管稳压电路加上滤波电容。可控硅开关 起开关作用，非常重要，由这个开关去控制整流电路的工作与否，从而控制灯的亮和熄。稳压电路需8.2V稳定电压，并要求不高所以我们采用它。话筒放大 为实现声控功能，要设制话筒放大电路，主要是由话筒拾音电路（就是把声音信号变为电信号电路，由于声音微小，所以加放大电路）和放大电路组成。音频放大电路 因话筒输出的音频信号小，不能满足检波的需要，设制二极管音频放大电路，倍数几千上万倍。延迟电路 在灯点亮时需要有延迟，检波输出直流电压通过延迟电路是电压消失，保持一段时间，所保持时间的长短由延迟电路的参数决定，实际上延迟电路由RC电路组成，时间常数τ=RC，这是可控制电压。控制电路 是控制可控硅栅极的开关电路，它的输入由延时端的延时电路送来的电压控制，输出控制可控硅的导通情况。

方案一和方案二的原理基本相同，但考虑到电源的稳压性能，和器材的价格，觉得方案二比较适合。

3.系统硬件设计

3.1发射部分电路设计：

1. 降压滤波电路

电阻R7、电容C2和稳压管D6组成。电路中灯泡也起到了很重要的降压作用。桥式整流电路输出的脉动直流电压经过R7限流降压，电容C2滤波，从而得到比较小的直流电压加到稳压管D6上，获得12V的直流电压，作为控制电路的直流电源。

2. 声音信号输入电路

驻极体话筒MIC、电阻R1、R2、R3、电容C1和三极管Q1组成。

驻极体话筒的基本结构是由一片单面涂有金属的驻极体薄膜与一个上面有若干小孔的金属电极（背电极）构成。驻极体面与背电极相对，中间有一个极小的空气隙，形成一个以空气隙和驻极体作绝缘介质，以背电极和驻极体上的金属层作为两个电极构成一个平板电容器。电容的两极之间有输出电极。由于驻极体薄膜上分布有自由电荷。当声波引起驻极体薄膜振动而产生位移时；改变了电容两极板之间的距离，从而引起电容的容量发生变化，由于驻极体上的电荷数始终保持恒定，根据公式：

Q =CU

所以当C变化时必然引起电容器两端电压U的变化，从而输出电信号，实现声—电的变换。由于实际电容器的电容量很小，输出的电信号极为微弱，输出阻抗极高，可达数百兆欧以上。因此，它不能直接与放大电路相连接，必须连接阻抗变换器。通常用一个专用的场效效应管和一个二极管复合，组成阻抗变换器。

本设计采用驻极体话筒的二端输出方式，它是将场效应管接成漏极输出电路，类似晶体三极管的共发射极放大电路。只需两根引出线，漏极D与电源正极之间必须接一漏极电阻R1，信号才能由漏极输出有一定的电压增益，使话筒的灵敏度比较高。

声音信号输入电路的工作原理：当没有声音时，三极管Q1工作在饱和状态，74LS00的2脚为低电平；当有声音时，声音信号经话筒MIC转换为电信号后经C1耦合至三极管Q1放大，Q1由饱和进入放大状态，其集电极由低电平转变成高电平并送入集成电路74LS00的2脚。

3.光信号输入电路

它是由电阻R4和光敏电阻RG组成。

光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻。为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。构成光敏电阻的材料有金属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子—空穴对的出现使电阻率变小。光照愈强，光生电子—空穴对就越多，阻值就愈低。当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小。

本设计所用的光敏电阻亮电阻为20K-30K,暗电阻约为10M，在光敏电阻上串接的电阻R4的阻值应该大于30K,小于10M。具体阻值在调试时依据对光的灵敏性而定。本设计取R4的阻值为180K。

4..延时控制电路

延时电路由二极管D1，电阻R6和电容C3组成。控制电路由集成电路CD4011、电阻R5和可控硅D7组成，可控硅的作用是控制开关的通断。集成电路CD4011是整个电子开关的核心器件，其内部结构如图6所示。它是四-二输入与非门集成电路。其中1、2脚和3脚分别为与非门1的输入和输出端；5、6和4脚分别为与非门2的输入与输出端；8、9脚和10脚分别为与非门3的输入和输出端；12、13脚和11脚分别为与非门4的输入和输出端；7脚接地；14脚接电源。在该电路中与非门1和与非门2组成声音信号和光信号与逻辑电路；与非门3、与非门4和电阻R7组成触发电路。

3.2接受部分电路设计：

由470电阻和LED灯组成。

4.系统安装及仿真

4.1.PCB板设计及安装：

4.2整体电路仿真图以及仿真结果分析：

用Mutisim仿真的电路如图9和图10所示。图9为夜晚时的仿真图，图10为白天时的仿真图。仿真时，光敏电阻用一个普通电阻代替。在白天时，光敏电阻用阻值为20K的电阻代替，在夜晚时，光敏电阻用阻值为10M的电阻代替。驻极体话筒用信号源V1和开关JI代替。开关闭合时，表示有声音信号输入，开关断开时，表示没有声音信号。电路仿真图如下：

5.安装与调试

5.1电路安装

先按照电路图将元器件安装在面包板上进行调试，安装前先检查元器件是否完好。安装时要特别注意驻极体话筒、三极管和可控硅的极性及管脚分布。调试成功后，按照印制电路板所示器件位置进行安装焊接。所用印制电路板的大小约为50mm×45mm。焊接驻极体话筒及电容时，应该拔电焊接，以免烧坏器件。负载灯泡采用外接方式，不安装在印制电路板上。注意在装接电路，改变电路连接或插、拔电路时，均应切断电源，严禁带电操作。

5.2电路调试

在面包板上调试时，仔细对照原理图，先检查是否有漏接和短路现象，检查时可用数字万用表的蜂鸣档，两表笔分别接触两个点，若发出蜂鸣声，则表示此两点相连，若没有蜂鸣声，则此两点断开，等检查无误后，接上负载白炽灯以及220V交流市电进行检测。在印制电路板上调试时，用以上方法检查整个电路板是否有虚焊、漏焊和短路现象，以免上电后烧坏器件，检查无误后，接上负载白炽灯以及220V交流市电进行通电检测。

调试时用万用表直流电压档测试集成电路U1的14脚应有12V左右的直流电压。在有光无声音时测量三极管Q1的集电极C应为低电平，集成电路U1的1脚和2脚都为低电平，3脚输出高电平，4脚为低电平，则二极管D1把电流隔离，可控硅应不导通，灯泡不亮。在有光有声音时，集成电路U1的1脚为低电平，2脚为高电平，3脚输出高电平，同上原理，白炽灯应不亮。

用不透明的盖子盖住光敏电阻RG。在有声音时，集成电路U1的1脚和2脚都为高电平，3脚输出低电平，11脚为高电平，可控硅应导通，白炽灯应能点亮并延时一段时间后自动熄灭。达到以上要求，说明电路已调试成功。

6.结论

本设计安全节电、使用寿命长且成本低。达到了设计的要求。同时也实现了声光双控且能自动延时，可广泛使用于公共场所的照明控制，在日常生活中具有很大的实用性。

通过本课程设计，我进一步熟悉了各元器件的工作原理及功能，比如驻极体话筒和可控硅的管脚分布、参数及工作原理，进一步掌握了原理图的设计与电路板的焊接。在电路的设计与调试过程中也遇到了很多问题，第一次在面包板上调试时，由于电路的一根线短路而导致调试失败，这使我明白了在调试电路时必须先仔细检查各部分电路的连接情况。第一次在焊接好的电路板上调试时，由于把可控硅的A极与K极接反导致可控硅不导通，从而使电路不工作，这使我深刻认识到在用每一个元器件时，首先要查清楚它的pdf资料，明白它的工作原理及各管脚的功能。

参考文献

[1]康华光,《电子技术基础》数字部分（第五版），高等教育出版社出版

[2]彭介华,《电子技术课程设计指导》，高等教育出版社

[3]华成英,童诗白.《模拟电子技术基础》（第三版）清华大学电子学教研组编, 高等教育出版社,2004

[4]杨旭东,刘行景,杨兴瑶.《实用电子电路精选》.化学工业出版社,1999

[5]华成英.《电子技术》北京.中央广播电视大学出版社,1996