声光双控延时开关电路设计

课程名称：电子技术课程设计

实验题目：声光双控延时开关电路设计

课程简要信息

课程名称: 电子技术课程设计

课程学时：32学时

适用专业：电子信息工程、通信工程、自动化、物联网工程等专业

学生年级：二年级下学期

课程主要教学目标：

1. 通过查阅手册和文献资料，运用所学电子技术基础知识，完成特定功能的电子系统的设计、制作、调试。培养学生独立分析问题和解决实际问题的能力。

（2）了解常用电子器件的类型和特性，具备在电子电路中正确应用基本元器件以及器件选型的能力。

（3）具备对各种由集成器件或分立元件构成的电路单元，进行分析和设计的能力;并能够根据实际要求,具备应用这些单元电路构成电子系统的能力。

（4）学会电子电路的安装与调试技能，掌握电子电路的测试方法，了解印刷线路板的设计、制作方法。培养学生的工程实践能力。

（5）进一步熟悉电子仪器的使用方法。学会撰写课程设计总结报告。培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。

（6）通过学习该门课程使学生逐步提高获取知识的能力 ，逐步学会和掌握解决工程问题的思维方法和研究方法的能力。

实验内容与任务（限500字）

基本内容要求：

声光双控延时开关电路目前已经广泛应用于住宅区、办公楼、教学楼等楼道公共场所的照明控制。该系统能有效降低能耗，节约能源。本课题要求设计并制作一个声光双控延时开关电路系统，主要实现以下要求：

（1）当白天或光线较亮时，整个电路由光控部分控制，声控部分不起作用。光控电路对外界光亮程度进行检测，实现白天或光线较亮时灯不亮。此时即便有声音，灯也不亮。

（2）当夜晚或光线较暗时，负载电路的通断受控于声控部分。声控电路主要将声音信号转变为电信号，且电路是否接通，取决于声音信号的强度。当声强达到一定程度时，电路自动接通，点亮灯。检测声音灵敏度可调。

（3）灯点亮后延迟一段时间自动熄灭。在灯亮期间若又有新的声源出现，灯重新开始计时延迟熄灭。

扩展要求：

显示延迟时间，设计电源电路,将电路拓展应用于节能灯、日光灯的控制等等。

实验任务：

1. 设计完成满足实验要求的声光双控延时开关电路系统。

2. 完成计算机辅助仿真及实物的制作与调试。

3. 完成实验报告的撰写，要求图表清楚，数据完备。

实验过程及要求（限300字）

（1）查阅文献资料，了解声光双控延时开关电路的多种实现方案。通过方案的分析、论证和比较确定本实验的设计方案。

（2）设计光控电路：

查找满足实验要求的光电传感器，注意传感器的类型、测量范围和测量精度、输出信号形式和线性范围等关键特征参数。根据所选传感器类型设计放大电路。

（3）设计声控电路：

查找满足实验要求的声音传感器，注意关键特征参数，根据所选声音传感器设计相应的下一级信号处理电路。

（4）设计延时电路：

学习延时电路的多种实现方案，设计满足本实验要求的延时电路。

（5）完成电路系统的计算机辅助仿真

（6）完成电路系统的制作及调试。

（7）撰写设计总结报告，并通过分组演讲，学习交流不同解决方案的特点。

相关知识及背景（限150字）

声光延时开关电路是生活中用于公共过道、楼梯照明的一个实用电路，是模拟电子技术和数字电子技术基础知识在日常生活中综合应用的一个典型例子。该项目设计需要运用传感器及检测技术、信号放大及整形、模数信号转换、参数设定、反馈控制等相关知识与技术方法。并涉及电路仿真，电路制作与调试，论文撰写等综合能力的训练。

教学目标与目的（限100字）

（1）了解电子系统实现方法的多样性和根据需求选择设计方案；

（2）学会运用电子技术基础知识设计电子系统、选择元器件；

（3）学会电路的安装与调试方法；

（4）培养和提高学生的工程实践能力及综合素质。

教学设计与引导

本实验的过程是一个比较完整的工程实践过程，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、实现调试、测试标定、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1）了解电子系统实现方法的多样性，学会根据给定的技术指标，综合考虑可靠性、简便性、经济性等多方面因素选择设计方案。

2）引导学生根据设计要求选择合适的光敏传感器，并根据所选光敏传感器类型设计后级信号处理电路。

各种光敏传感器在输出信号的形式、幅度、线性度都存在很大的差异，后续的信号整形和放大电路也要根据信号的特征来设计。

3）引导学生根据所选声音传感器类型设计放大电路。

注意放大电路静态工作点、放大倍数、输入电阻、输出电阻等关键参数的设置。

4）介绍延时电路的多种设计方案，引导学生根据设计要求选择合适的设计方案，设计满足要求的延时电路。

5）引导学生利用电路仿真软件进行计算机辅助设计，修改完善设计电路。

6）在实物制作和系统调试过程中，提醒学生注意以下几点：

1. 根据信号流向对整个电子系统进行合理布局。

2. 用万用表测试、检查所用电子元器件、集成芯片等实验器材的好坏后再进行焊接。

3. 集成芯片建议焊接芯片座子。一方面利于故障的查找，另一方面芯片可以重复使用。

4. 先分模块调试，各个模块测试无误后再连通整体系统，进行联调。

5. 预留测试口，包括输入输出、电源与地等等。

6. 要用标准仪器设备进行实际测量，根据实验室所能够提供的条件，设计测试方法。

6）在设计中，要注意学生设计的规范性，如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求。

7）在调试中，要注意工作电源、参考电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性。在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证。

8）在实验完成后，组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

实验原理及方案

1）实验基本原理

本电路为一声光自动控制延时开关电路。白天或夜晚光线较亮时，声控部分被封锁不起作用。当光线较暗时，声控部分将自动开启，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，电路自动接通且延时一段时间后有自动关闭。实验原理框图如图1所示。

图1实验原理框图

2）实现方案

满足实验要求的声光双控延时开关电路有多种实现方案，如图2例举了几种不同的实现方案。要求学生通过查阅资料，对多种实现方案进行分析、论证和比较，确定本实验的设计方案。

图2 声光双控延时电路的多种实现方案

3）可能采用的方法、技术、电路、器件等。

（1）光控电路设计示例

光照强度传感器是一种可以将光照强度转换为一定形式的电信号的器件，是整个系统设计的核心之一，常见的有光敏电阻传感器、硅光电池传感器和光电三极管等。这些光电传感器各有优劣。光敏电阻传感器是由硫化镉，硫化铅、硫化铝、硫化铋、硒等半导体材料制成的具有光电效应的电阻器件，它对一定波长的光照敏感，在光照强的时候，电阻减少，在光照弱的时候，电阻增加，利用这个特性，光敏电阻常常用作各种光电控制系统的传感器件，例如自动给水系统，自动光控系统等。

光敏电阻无光照时电阻值达几兆欧姆，有光照时，电阻值迅速下降到几十千欧姆，根据光敏电阻的这一特点可设计图3所示信号采集电路。无光照时R3与R4的分压电路产生高于R2与光敏电阻R1的分压电路的电压，电路输出低电平。当有光照时，R3电阻与R4电阻的分压，低于光敏电阻R1与R2的分压，电路输出高电平。光敏电阻R1与R2的分压和R3电阻与R4电阻的分压作为差动输入，电路中的运放采用的是差动输入的运算放大器LM358。电阻R5作为负反馈提高了控制精度和系统运行稳定性。

在光强传感器采集到光强之后，就会输出与光强相关的电压值。由于外界的干扰、自身的电磁干扰，以及噪声等会对信号产生一定的影响，所以需对采集到的信号进行滤波。图3通过由R6和C2组成的RC低通滤波器对采集到的信号进行了滤波。

图3光控电路设计示例

（2）声控电路设计示例

图4所示电路中的B是一只驻极体传声器,它能将声音信号转变为电信号，驻极体传声器所转换的电信号较微弱,通过由三极管VT1组成的放大器把微弱的信号进行放大后,才能去触发单稳态电路。放大后信号中的负脉冲作用在三极管VT2的基极上时,可以使单稳态电路翻转。

图4声控电路设计示例

图5所示电路中的B也是一只驻极体传声器。图5所示声音信号放大器由集成运算放大器LM358构成，LM358组成在单电源工作下的交流放大器，静态工作点设置在处，调节电位器R9可改变放大器的交流电压放大倍数，即调节声音检测的灵敏度。图5中还采用了双T带阻滤波网络，该网络的中心频率fo设定在50Hz处，可有效地抑制50Hz的电磁干扰信号。

图5声控信号采集放大设计示例

（3）延时电路设计示例

延时电路的实现有多种方案。可以用硬件电路实现，软件实现，软硬相结合实现等等。利用硬件电路实现延时的方案也有很多。例如用震荡器和计数器可以做成相当精确的延时电路；利用RC电路加上一个三极管也可以构成了一个延时控制电路；利用555定时器也构成单稳态触发器也可以实现延时电路等等。

例如图4中三极管VT2、VT3及其电阻、电容器组成了单稳态电路实现延时功能。电阻R3为三极管VT2提供了基极电流；三极管VT3的基极电流从三极管VT2的集电极电阻R4上得到。三极管VT2与VT3直流耦合，两只三极管之间通过电容C2形成正反馈回路。电阻R4是三极管VT2的集电极负载, 电阻R5是三极管VT3的集电极负载。

电路在没有信号输入时,选择合理的R3参数使三极管VT2稳定在开关的饱和状态,此时集电极电压约为0.3V，这样使三极管VT3稳定在截止状态。当声传感器器接收到声音信号并通过VT1放大后，在C1产生负脉冲使三极管VT2开始趋向截止,它的集电极电流减小,集电极电压升高，经过直接耦合,使三极管VT3的基极电压升高,三极管VT3开始导通,它的集电极电压下降；经电容C2的藕合又使三极管VT2的基极电压进一步下降,形成一个正反馈,很快达到一个新的状态。此时三极管VT2截止,三极管VT3饱和导通，它的集电极电压下降,导致与它连接的三极管VT4也导通,继电器吸合，LED电路导通，灯D亮。

此外，集成器件74HC123是可重复触发单稳态触发器，其输出脉冲的宽度主要取决于定时电阻R与定时电容C，利用74HC123也可以方便的实现电路延时的要求。如图6所示。

图6 利用74HC123设计延时电路

555定时器是一种数字和模拟混合的中规模集成电路。它的结构简单，使用灵活方便，用它可以方便的构成单稳态触发器，实现定时、延时功能。由555定时器构成的可重复触发的单稳态触发器如图7所示。

图7 用555定时器构成的可重复触发的单稳态电路

教学实施进程

实验实施进程的主要环节如下：

1）任务安排：首先将题目的任务书以及具体要求发给学生，对题目涉及的相关理论、重点、难点予以讲解，并对时间进度要求进行说明；

2）预习自学：要求学生按照任务书的指标与具体要求，查阅文献资料，理解题目，明确任务。了解声光双控延时开关电路的多种实现方案。通过方案的分析、论证和比较确定本实验的设计方案。

3）现场教学：通过前期学生对文献资料的查阅，对题目有了一定的理解，学生可以带着问题来听讲。在此次教学过程中，将题目的指标进行剖析，并对实现的各种方案予以分析与比较，并指出在设计与调试电路过程中可能会出现的问题。

4）设计仿真：学生将各个模块的电路进行设计与仿真，在此过程中遇到问题，再组织研讨。并对相关问题予以分析与解决；

5）实物制作：对电路焊接、制作的注意事项与规程予以讲解，同学们按照设计、仿真无误的电路进行焊接与装配。并考察电路布局、布线的合理性、规范性以及焊接的质量等。

6）软硬件调试与测试：按照设计指标，对各个模块以及整个系统予以调试与测试。在调试中，要注意工作电源、参考电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证。

7）按照任务书要求，检查实验完成情况。了解学生对设计原理、设计遇到的问题的处理等情况。

8）组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流。分析总结实验的成功之处和不足之处。为以后的工程实践积累经验。

实验报告要求

实验报告必须按照模板的格式，规范撰写，要求图表数据完备。实验报告需要反映以下工作：

1）设计需求分析

2）实现方案论证

3）实验原理

4）电路设计与参数计算

5）计算机辅助仿真

6）实物制作与电路调试中遇到的问题以及解决方法

7）实验波形以及实验数据记录

8）数据处理分析及系统测试分析

9）实验结果总结

考核要求与方法（限300字）

本实验主要从以下几个方面对进行考核评价

1）实物验收：功能与性能指标的完成程度（如光线控制的可靠性、声音控制的灵敏度，延时时间的可调范围等），完成时间。

2）实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺。

3）自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。

4）实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。

5）实验数据：测试数据和测量误差。

6）实验报告：实验报告的规范性与完整性。

7）课题答辩：实验原理的理解与掌握，解决实际问题能力的考核。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

该课题是生活中广泛应用于楼道照明的一个实用电路，是模拟和数字电子技术知识综合应用的一个典型例子。通过该实验的进行，能很好地让学生了解电子系统实现方法的多样性，让学生学会根据需求选择设计方案。有效提高学生应用电子技术基础知识解决实际工程问题的能力，提高学生的实践动手能力和分析与解决实际问题的能力。

参赛选手信息表