聲控節(jié)日彩燈課程設(shè)計說明書

1、<p>　　1 聲控節(jié)日彩燈的方案設(shè)計</p><p><b>　　設(shè)計背景</b></p><p>　　本次設(shè)計是以實踐性為課題，起到鞏固所學(xué)知識，加強綜合能力，培養(yǎng)電路設(shè)計能力，提高實驗技術(shù)，啟發(fā)創(chuàng)新思想的效果。</p><p>　　用聲光控延時開關(guān)代替住宅小區(qū)的樓道上的開關(guān)，只有在天黑以后，當(dāng)有人走過樓梯通道，發(fā)出腳步聲或其它聲

2、音時，樓道燈會自動點亮，提供照明，當(dāng)人們進(jìn)入家門或走出公寓，樓道燈延時幾分鐘后會自動熄滅。在白天，即使有聲音，樓道燈也不會亮，可以達(dá)到節(jié)能的目的。聲光控延時開關(guān)不僅適用于住宅區(qū)的樓道，而且也適用于工廠、辦公樓、教學(xué)樓等公共場所，它具有體積小、外形美觀、制作容易、工作可靠等優(yōu)點。</p><p>　　1.1 聲控電路的原理</p><p>　　聲控電路是指以聲響來控制電路開、關(guān)的電路。它的特

3、點是不需要設(shè)專門的控制發(fā)送設(shè)備，因此使用靈活,方便,結(jié)構(gòu)簡單、成本低。聲控電路的接收部分由聲電轉(zhuǎn)換、電壓放大,開關(guān)控制,執(zhí)行電路和電源供給五部分組成。下面對各部分進(jìn)行介紹。</p><p>　　聲音信號不能直接使電路開或關(guān)，必須把信號通過轉(zhuǎn)換元件變?yōu)殡娦盘?，并加以放大，才能控制電路的開或關(guān)，常用的聲電轉(zhuǎn)換元件有：壓電陶瓷片（壓電蜂鳴器），駐極體話筒（駐極體電容傳聲器）和永磁揚聲器。</p><

4、p>　　聲—電轉(zhuǎn)換元件把接收到的聲信號變?yōu)殡妷盒盘枺@時的電壓信號及其微弱，不能用開關(guān)的控制，必須加以放大。常用的放大形式有；復(fù)合體管式，晶體管直接耦合式和集成電路式等。</p><p>　　執(zhí)行電路一般有兩種：一種是由晶體管開關(guān)電路驅(qū)動繼電器通過繼電器的觸點去接通或斷開電源電路；另一種是由晶體管開關(guān)電路產(chǎn)生的脈沖，觸發(fā)可控硅的導(dǎo)通或截止。</p><p>　　1.2 聲控彩燈的電

5、路設(shè)計</p><p>　　電流經(jīng)LED燈和1~4組成的橋式整流電路給晶體管VT1、VT2、VT3提供直流電源，在無聲時，VT1、VT2、VT3處于導(dǎo)通狀態(tài)，VT3的集電極電壓很低，可控硅SCR處于阻斷狀態(tài)，通過LED燈的電流很小，LED燈不亮。當(dāng)有音樂聲時，話筒MK接受音波給出的音頻信號，經(jīng)VT1、VT2、VT3放大，VT3 集電極產(chǎn)生放大的音頻信號電壓使MCR導(dǎo)通，給LED燈提供交流通路而使燈亮，隨著聲音的強

6、弱，彩燈頻繁閃動。圖見附錄A。</p><p>　　2 元器件構(gòu)成及功能分析</p><p>　　2.1 半導(dǎo)體二極管</p><p>　　2.1.1二極管的定義和分類</p><p>　　晶體二極管,簡稱二極管(diode);它只往一個方向傳送電流的電子零件。它是一種具有1個零件號接合的2個端子的器件，具有按照外加電壓的方向，使電流流動或不

7、流動的性質(zhì)。晶體二極管為一個由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體形成的P-N結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場。當(dāng)不存在外加電壓時，由于P-N結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。晶體二極管按其組成的材料分可為:鍺二極管、硅二極管、砷化嫁二極管 (發(fā)光二極管)。而按用途分可為:整流二極管、穩(wěn)壓二極管、開關(guān)二極管、發(fā)光二極管、檢波二極管、變?nèi)荻O管等。</p><p>　　

8、2.1.2整流二極管</p><p>　　一種將交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿陌雽?dǎo)體器件。通常它包含一個PN結(jié)，有陽極和陰極兩個端子。P區(qū)的載流子是空穴,N區(qū)的載流子是電子，在P區(qū)和N區(qū)間形成一定的位壘。外加使P區(qū)相對N區(qū)為正的電壓時，位壘降低，位壘兩側(cè)附近產(chǎn)生儲存載流子，能通過大電流，具有低的電壓降（典型值為0.7V）,稱為正向?qū)顟B(tài)。若加相反的電壓,使位壘增加，可承受高的反向電壓，流過很小的反向電流（稱反向漏電流

9、），稱為反向阻斷狀態(tài)。整流二極管可用半導(dǎo)體鍺或硅等材料制造。硅整流二極管的擊穿電壓高，反向漏電流小，高溫性能良好。通常高壓大功率整流二極管都用高純單晶硅制造(摻雜較多時容易反向擊穿）。這種器件的結(jié)面積較大，能通過較大電流（可達(dá)上千安），但工作頻率不高，一般在幾十千赫以下。整流二極管主要用于各種低頻半波整流電路，如需達(dá)到全波整流需連成整流橋使用。 　　選用整流二極管時，主要應(yīng)考慮其反向峰值電壓、最大整流電流、最大反向工作電流、截止頻率及

10、反向恢復(fù)時間等參數(shù)。</p><p><b>　　2.2 單向可控硅</b></p><p>　　2.2.1晶閘管(MCR)</p><p>　　晶閘管是半導(dǎo)體閘流管的簡稱，又名可控硅整流元件(MCR)。它既有單向?qū)щ姷恼髯饔?，又有可控的開關(guān)作用，是一種新型的可控整流元件。在性能上，晶閘管不僅具有單向?qū)щ娦裕疫€具有比硅整流元件更為可貴的可

11、控性，它只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)。</p><p>　　晶閘管的優(yōu)點很多,例如：以小功率控制大功率,功率放大倍數(shù)高達(dá)幾十萬倍；反應(yīng)極快,在微秒級內(nèi)開通、關(guān)斷；無觸點運行,無火花、無噪聲；效率高,成本低等。因此,特別是在大功率UPS供電系統(tǒng)中，晶閘管在整流電路、靜態(tài)旁路開關(guān)、無觸點輸出開關(guān)等電路中得到廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　晶閘管的弱點:靜態(tài)及動態(tài)的過載能力較差,容易受干擾而誤導(dǎo)通。

12、</p><p>　　2.2.2 普通晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理</p><p><b>　　1、 結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　晶閘管是PNPN四層三端器件,共有三個PN結(jié)。分析原理時,可以把它看作是由一個PNP管和一個NPN管所組成,其等效圖解如圖1(a)所示,圖1(b)為晶閘管的電路符號。</p><p>　　2、

13、 晶閘管的工作條件</p><p>　　由于可控硅只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關(guān)特性，這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化.</p><p>　　(1)晶閘管承受反向陽極電壓時,無論門極承受何種電壓,晶閘管都處于關(guān)斷狀態(tài)。</p><p>　　(2)晶閘管承受正向陽極電壓時,僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導(dǎo)通。</p><p>　

14、　(3)晶閘管在導(dǎo)通情況下,只要有一定的正向陽極電壓,無論門極電壓如何,晶閘管保持導(dǎo)通,即晶閘管導(dǎo)通后,門極失去作用。</p><p>　　(4)晶閘管在導(dǎo)通情況下,當(dāng)主回路電壓（或電流）減小到接近于零時,晶閘管關(guān)斷。</p><p>　　4、 晶閘管的工作過程</p><p>　　晶閘管是四層三端器件，它有J1、J2、J3三個PN結(jié)，可以把它中間的NP分成兩部分，

15、構(gòu)成一個PNP型三極管和一個NPN型三極管的復(fù)合管。</p><p>　　當(dāng)晶閘管承受正向陽極電壓時，為使晶閘管導(dǎo)通，必須使承受反向電壓的PN結(jié)J2失去阻擋作用。每個晶體管的集電極電流同時就是另一個晶體管的基極電流。因此是兩個互相復(fù)合的晶體管電路，當(dāng)有足夠的門極電流流入時，就會形成強烈的正反饋，造成兩晶體管飽和導(dǎo)通。</p><p>　　設(shè)PNP管和NPN管的集電極電流分別為和,發(fā)射極電流

16、相應(yīng)為和,電流放大系數(shù)相應(yīng)為和，設(shè)流過J2結(jié)的反相漏電流為，晶閘管的陽極電流等于兩管的集電極電流和漏電流的總和： </p><p>　　若門極電流為，則晶閘管陰極電流為：。</p><p>　　因此，可以得出晶閘管陽極電流為：</p><p>　　硅PNP管和硅NPN管相對應(yīng)的電流放大系數(shù)和隨其發(fā)射極電流的改變而急劇變化。當(dāng)晶閘管承受正向陽極電壓，而門極未接受電壓的

17、情況下，由式(3.2)中，很小，故晶閘管的陽極電流，晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)；當(dāng)晶閘管在正向門極電壓下，從門極G流入電流，由于足夠大的流經(jīng)NPN管的發(fā)射結(jié)，從而提高放大系數(shù)，產(chǎn)生足夠大的集電極電流流過PNP管的發(fā)射結(jié)，并提高了PNP管的電流放大系數(shù)，產(chǎn)生更大的集電極電流流經(jīng)NPN管的發(fā)射結(jié)，這樣強烈的正反饋過程迅速進(jìn)行。</p><p>　　當(dāng)和隨發(fā)射極電流增加而使得時，由式(3.2)中的分母，因此提高了晶閘管的陽

18、極電流。這時，流過晶閘管的電流完全由主回路的電壓和回路電阻決定，晶閘管已處于正向?qū)顟B(tài)。晶閘管導(dǎo)通后，由式(3.2)中,即使此時門極電流,晶閘管仍能保持原來的陽極電流而繼續(xù)導(dǎo)通，門極已失去作用。在晶閘管導(dǎo)通后，如果不斷地減小電源電壓或增大回路電阻，使陽極電流減小到維持電流以下時，由于和迅速下降,晶閘管恢復(fù)到阻斷狀態(tài)。</p><p><b>　　3 制作PCB</b></p>

19、<p>　　如果PROTEL元件庫中有所需要的元件，則直接找出放在原理圖中即可。若沒有所需要的元件，則需要建立一個新的原理元件庫(Sch.lib)。過程：在原有的元件庫中找出跟所需元件管腳數(shù)目相同(或差不多)的元件1，先將元件1放置到原理圖編輯區(qū)(即Schdoc文件)，單擊該元件，執(zhí)行菜單命令Edit|Copy，此時光標(biāo)變成十字光標(biāo)，將光標(biāo)移到元件上，單擊鼠標(biāo)確定一個基準(zhǔn)點。然后切換到所需編輯的Sch.lib文件，在該文件

20、中新創(chuàng)建一個器件(快捷鍵 creat component)并修改名字。在該環(huán)境右下角點擊SCH Lib，將鼠標(biāo)光標(biāo)移動到空元件名上，單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出額快捷菜單中執(zhí)行Paste命令，將該元件1粘貼到新建的元件庫中。而后修改引腳屬性。然后執(zhí)行菜單命令Report|Component Rule Check，進(jìn)行規(guī)測檢查。</p><p>　　新建原理圖文件，加載元件庫(包括加載自己創(chuàng)建的元件庫)，置元件，原理圖布線

21、 projects，先設(shè)置編譯錯誤報告選項輸出網(wǎng)絡(luò)報表。</p><p>　　可以利用利用一個相同(或相似)封裝的元件，對其進(jìn)行簡單的屬性修改得到所需要的元件封裝。具體操作過程也就是元件封裝從pcbdoc到PCBlib復(fù)制然后修改的過程。</p><p>　　元件封裝修改完畢后,要執(zhí)行Edit/Set Preference/pin 1設(shè)置封裝參考點在第一引腳。然后還要執(zhí)行Report/Co

22、mponent Rule check 設(shè)置齊全要檢查的規(guī)則，并點OK。至此，封裝建立完畢。</p><p>　　首先新建一個PCB文件，在封裝lib都已經(jīng)加載的情況下，導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表。</p><p>　　元件自動布局，在進(jìn)行該步之前，要先設(shè)定PCB的大小，規(guī)劃一下電路板的大小和形狀。點擊下邊選中keep-out layer，然后在place菜單中，選中畫線，然后在黑色底板上畫一個矩形就行，大

23、小以能擺下所有元器件為主。(注意：此時的畫線為粉色！這說明是在keep-out layer在規(guī)劃電路板尺寸)</p><p>　　然后自動布局，布線就可以順利進(jìn)行了。執(zhí)行Tools/Auto Placement/Auto Placer,進(jìn)行自動元件布局。手工調(diào)整元件布局。</p><p>　　先選擇布線規(guī)則，然后進(jìn)行自動布線，然后進(jìn)行手工布線調(diào)整，最后，覆銅(放置填充區(qū))、包地、補淚滴。最

24、后進(jìn)行DRC檢查。至此，完成了本次設(shè)計的PCB圖，見附錄B。材料清單見附錄C。</p><p>　　4 電路板的焊接與調(diào)試</p><p><b>　　4.1 元器件焊接</b></p><p>　　（1）準(zhǔn)備施焊 首先把被焊件、錫絲和烙鐵準(zhǔn)備好，處于隨時可焊的狀態(tài)。即右手拿烙鐵，左手拿錫絲處于隨時可施焊裝態(tài)。</p><

25、;p>　?。?）加熱焊件 把烙鐵頭放在接線端子和引線上經(jīng)行加熱。</p><p>　?。?）送入焊絲 被焊件經(jīng)加熱達(dá)到一定溫度后，立即將手中錫絲觸到被焊件上使之融化適量的焊料，注意焊錫應(yīng)加到被焊件上與烙鐵頭對稱的一側(cè)，而不是直接 加到烙鐵頭上。</p><p>　　（4）移開焊絲 當(dāng)錫絲熔化一定量后（焊料不能太多），迅速移開錫絲。</p><p>　?。?）移

26、開烙鐵 當(dāng)焊料的擴散范圍達(dá)到要求，即焊錫浸潤焊盤或焊件施焊部位 后移開電烙鐵，撤離烙鐵的方向和速度的快慢與焊接質(zhì)量密切有關(guān)，操作時應(yīng)特別留心仔細(xì)體會。</p><p>　　注意事項：焊接的時候?qū)⒗予F放在自己的面前空位處，切勿將同學(xué)或自己誤傷。當(dāng)燙傷時，應(yīng)注意要先用冷水沖洗，然后涂上牙膏或用酒精持續(xù)擦拭。電烙鐵不使用時，應(yīng)該及時的拔下插頭，然后放于空曠處冷卻后再收起來。</p><p>&l

27、t;b>　　4.2 系統(tǒng)的調(diào)試</b></p><p>　　本次調(diào)試過程中出現(xiàn)了大大小小各種問題，如我的焊件間的間隙過短，有元器件的虛焊，元件焊接后的線路連接不牢固等。此次的系統(tǒng)調(diào)試暴漏出我的動手能力放大的音頻信號 首先，根據(jù)電路圖的對照檢查電路板的元器件的連接是否正確、是否漏接、是否錯接等問題。利用萬用表電阻檔檢查元件是否焊接良好，三極管、二極管極性是否正確，接線處是否短路等影響電路板正

28、常運行的因素。</p><p>　　然后，將萬用表調(diào)到電壓檔經(jīng)行通電測試，觀察元件是否正常。如不正常測量各元件兩端的電壓，重點測量各關(guān)鍵點的電壓，如靜態(tài)工作點，放大電路輸出、輸入端直流電壓等。如調(diào)解不正常，換接元件。 </p><p>　　我的電路剛接上時，彩燈不亮，經(jīng)檢查是一個彩燈壞了，拆下后電路正常，彩燈微亮，經(jīng)聲音的刺激后彩燈正常發(fā)光；但是工作一會后，燈熄滅了，經(jīng)檢查是焊接點的虛焊，

29、進(jìn)行處理后電路板正常，達(dá)到了實驗的目的。</p><p>　　經(jīng)過調(diào)試發(fā)現(xiàn)，話筒給出音頻信號，經(jīng)過放大，VT3集電極產(chǎn)生放大的音頻信號電壓使MCR導(dǎo)通，彩燈發(fā)光。調(diào)節(jié)R4大小可控制彩燈閃爍時需要的音頻強度，即改變彩燈點亮的靈敏度。</p><p><b>　　5 結(jié)語</b></p><p>　　通過本次的課程設(shè)計，加深了對模電知識的理解，增

30、強了動手能力。設(shè)計過程中，裝配元件需要細(xì)心，電路板排版設(shè)計也要細(xì)心琢磨。所有的這一切培養(yǎng)了做學(xué)問的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度和科學(xué)精神；本次設(shè)計為以后的學(xué)習(xí)甚至工作積累經(jīng)驗。 </p><p>　　在這次的焊接過程中，我明白了勤動手的真諦，眼高手低造成了焊接上的各種問題：虛焊，焊接短路等。我也認(rèn)識到了電子技術(shù)基礎(chǔ)知識的理論基礎(chǔ)對電路板的順利完成是多么重要。針對我的不足，在以后的學(xué)習(xí)中，努力學(xué)習(xí)專業(yè)知識，查漏補缺，在以后的學(xué)習(xí)中多查

31、閱學(xué)習(xí)資料，豐富自己的理論知識。</p><p>　　本次的課程設(shè)計雖短短一個星期的時間，但是讓我感到理論與實踐結(jié)合的重要性，同學(xué)們的合作使我們更完善的完成了課程設(shè)計。我在剛開始的過程中感覺焊接很簡單，但是想焊好還是需要一定的基本功來做基礎(chǔ)。焊接點的虛焊以及焊錫的多少掌握不是很好，經(jīng)過一次次的鍛煉，現(xiàn)在的水平比剛開始要好很多。在電路板完成調(diào)試時，我按照電路圖一步一步的對照，把問題縮小到各個元件，然后經(jīng)過一系列的調(diào)

32、整，終于完成了課程設(shè)計。經(jīng)過自己的一天天的勞動，我覺得理論實踐結(jié)合需要自己的細(xì)心操作，結(jié)合實際分析問題，然后才能把問題更好的解決，把任務(wù)更完善的完成。 </p><p>　　通過對該題目的設(shè)計，我對設(shè)計電路的思想方法有了新的認(rèn)識。在設(shè)計過程中所遇到的難題，憑借自己的能力都能加以解決，感覺自己真的學(xué)到了很多東西，不僅僅是在知識層面上，更重要的是思想上的認(rèn)識。我想，不僅僅是做課程設(shè)計，

33、做其他的事也一樣，只要在思想上有全面的認(rèn)識，細(xì)節(jié)上加以足夠重視，遇到困難能夠耐心地去分析解決，那么就沒有什么事情做不好。在設(shè)計過程中，通過查閱資料，閱讀文獻(xiàn)，我學(xué)到了很多切實有用的分析方法和技巧，這對于我以后的學(xué)習(xí)有很大的幫助。這更使我認(rèn)識到，學(xué)習(xí)學(xué)的是方法，設(shè)計學(xué)的是思想。因此，要多總結(jié)別人的方法，來形成自己的思想，這樣學(xué)到的東西才實實在在。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b>&

34、lt;/p><p>　　[1] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ).[M]北京：高等教育出版社，2006</p><p>　　[2] 彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo).[M]北京：高等教育出版社，2005</p><p>　　[3] 于安紅.電子元器件手冊.[M]上海：上海交通大學(xué)出版，2006</p><p>　　[4] 任為民.電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計指導(dǎo).[M]

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