《模擬電子技術基礎》課程設計---聲控光控路燈電路_第1頁
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文檔簡介

1、<p><b>  1 軟件簡介</b></p><p>  1.1 protel的簡介</p><p>  早期的PROTEL主要作為印制板自動布線工具使用,運行在DOS環(huán)境,對硬件的要求很低,在無硬盤286機的1M內存下就能運行,但它的功能也較少,只有電原理圖繪制與印制板設計功能,其印制板自動布線的布通率也低,而現今的PROTEL已發(fā)展到PROTEL99

2、(網絡上可下載到它的測試板),是個龐大的EDA軟件,完全安裝有200M,它工作在WINDOWS95環(huán)境下,是個完整的板級全方位電子設計系統(tǒng),它包含了電路原理圖繪制、模擬電路與數字電路混合信號仿真、多層印制電路板設計(包含印制電路板自動布線)、可編程邏輯器件設計、圖表生成、電子表格生成、支持宏操作等功能,并具有Client/Server(客戶/服務器)體系結構,同時還兼容一些其它設計軟件的文件格式,如ORCAD,PSPICE,EXCEL等

3、,其多層印制線路板的自動布線可實現高密度PCB的100%布通率。</p><p>  1.2 protel的功能</p><p>  Protel99 SE共分5個模塊,分別是原理圖設計、PCB設計(包含信號完整性分析)、自動布線器、原理圖混合信號仿真、PLD設計。</p><p>  本次課設主要利用其繪制原理圖的功能。</p><p> 

4、 1.3 proteus的簡介</p><p>  Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件(該軟件中國總代理為廣州風標電子技術有限公司)。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能,還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內推廣剛起步,但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應用的科技工作者的青睞。Prote

5、us是世界上著名的EDA工具(仿真軟件),從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真,一鍵切換到PCB設計,真正實現了從概念到產品的完整設計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺。在編譯方面,它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。</p><p>  1.4 proteus的功能</p><p>  Proteus軟件具有其它E

6、DA工具軟件(例:multisim)的功能。這些功能是: </p><p><b> ?。?)原理布圖 </b></p><p>  (2)PCB自動或人工布線 </p><p> ?。?)SPICE電路仿真 </p><p><b>  革命性的特點: </b></p><p&

7、gt; ?。?)互動的電路仿真 </p><p>  用戶甚至可以實時采用諸如RAM,ROM,鍵盤,馬達,LED,LCD,AD/DA,部分SPI器件,部分IIC器件。 </p><p> ?。?)仿真處理器及其外圍電路 </p><p>  可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型</p><p

8、>  本課設主要用到其強大的仿真功能。</p><p>  2電路中用到的新元器件</p><p><b>  2.1駐極體話筒</b></p><p>  駐極體話筒屬于電容式話筒的一種,聲電轉換的關鍵元件是駐極體振動膜。當聲波輸入時,駐極體膜片隨聲波的強弱而振動,使電容極板間的距離發(fā)生變化,引起電容量C發(fā)生變化,因為駐極體兩側的電荷來

9、變,因此電容兩端的電壓(UC=Q/C)發(fā)生變化,從而實現了聲電轉換。由于振動引起的輸出電壓的變化量較小,所以要在電容的后面加一個效應管進行放大,提高話筒的靈敏度,同時場效應管還可以與音頻放大器匹配。</p><p>  駐極體話筒的外形和內部電路如圖2.1所示:</p><p> ?。╝) 外形圖 (b) 內部結構圖</p>

10、<p>  圖2.1 駐極體話筒的外形與結構</p><p><b>  2.2光敏電阻</b></p><p>  光敏電阻器是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器;入射光強,電阻減小,入射光弱,電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉換(將光的變化轉換為電的變化)。常用的光敏電阻器硫化鎘光敏電阻器,它是由半

11、導體材料制成的。光敏電阻器的阻值隨入射光線(可見光)的強弱變化而變化,在黑暗條件下,它的阻值(暗阻)可達1~10M歐,在強光條件(100LX)下,它阻值(亮阻)僅有幾百至數千歐姆。光敏電阻器對光的敏感性(即光譜特性)與人眼對可見光的響應很接近,只要人眼可感受的光,都會引起它的阻值變化。</p><p>  圖2.2光敏電阻原理圖</p><p><b>  2.3 51單片機&l

12、t;/b></p><p>  51單片機是對目前所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機的統(tǒng)稱。該系列單片機的始祖是Intel的8031單片機。后來隨著Flash Rom技術的發(fā)展,8031單片機取得了長足的進展,成為目前應用最廣泛的8位單片機之一,其代表型號是ATMEL公司的AT89系列,它廣泛應用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。目前很多公司都有51系列的兼容機型推出,在目前乃至今后很長的一段時間內將占有大量市

13、場。51單片機即是基礎入門的一個單片機,還是應用最廣泛的一種。</p><p>  3聲光控節(jié)能燈電路的組成</p><p>  下面將總電路分為以下五個模塊:電源電路,光控電路,聲控電路,單片機控制電路,繼電器驅動電路。</p><p><b>  3.1電源電路</b></p><p>  本課程設計使用的是V雙電源

14、和+5V單電源的兩級電路。如圖所示:</p><p>  圖3.1 直流電源電路</p><p>  電源電路由變壓,整流,濾波,穩(wěn)壓四部分構成。變壓電路由普通的電源變壓器組成,將220V的交流電轉換成低壓交流電;整流電路由一個橋式整流組成,將低壓交流電轉換成脈動直流電;濾波電路由濾波電容C1和C2構成,濾除交流成分,增加直流成分;穩(wěn)壓電路主要由7812,7912及7805三個集成穩(wěn)壓器,

15、輸入端電容C5和C6和輸出端電容C3,C4,C7,C8構成,集成穩(wěn)壓器利用負反饋進一步穩(wěn)定經過濾波后的電壓,輸出端電容用以改善負載的瞬態(tài)效應,消除電路的高頻噪聲,同時具有消振的作用;發(fā)光二極管D2作為電源指示,電阻R1作為限流電阻保護發(fā)光二極管。除此之外,單排J1,J2,J3和J4作為電源和地的輸出端。</p><p><b>  3.2聲控電路</b></p><p&g

16、t;  光控電路由拾音電路,兩級放大電路和遲滯比較器構成,如圖所示:</p><p><b>  圖3.2 光控電路</b></p><p>  拾音電路將聲音轉換成微弱的電壓信號。然后,微弱的電壓信號經過兩級放大成伏級的電壓,電壓通過遲滯比較器轉變成單片機識別的方波信號,經過雙向穩(wěn)壓管變成V的方波,然后傳給單片機的外部中斷P3.4口。</p><

17、p>  拾音電路由小型麥克和限流電阻組成,自制5V電源向其提供驅動電流;兩級放大電路由兩級共射單管放大組成,前級是NPN管,后級是PNP管;遲滯比較器的正向閾值電壓為:</p><p><b>  負向閾值電壓為:</b></p><p><b>  由圖而知,,故:</b></p><p> ?。ㄊ?.2)

18、 </p><p>  可以通過閾值電壓的設置來消除兩級放大的噪聲,防止噪聲對產生方波信號的干擾,從而消除噪聲對單片機的干擾,增強對有用信號的識別。</p><p>  電阻,非常大,延長電容放電時間。</p><p><b>  3.3光控電路</b></p><p>  由光敏電阻,滑動變

19、阻器,電阻,NPN三極管及運算放大器LM358組成,如下圖所示:</p><p><b>  圖3.3 光控電路</b></p><p>  當光敏電阻受光照時,電阻減小,運放同向輸入端為低電平;當光照較弱時,電阻增加,運放同向輸入端為高電平。光控電路的輸出信號經過電壓跟隨器后,將比較微弱的電流信號放大到單片機能夠識別的電流,然后由運放輸出端將放大后的信號傳給單片機的

20、P1.6口。</p><p>  電路圖中的集電極電阻R16作為限流電阻,保護三極管;調節(jié)變阻器R15能夠改變基極電流,從而控制發(fā)射結和集電極電流,進而控制整個光控電路對光信號的靈敏度。</p><p>  3.4 單片機控制電路</p><p>  單片機最小系統(tǒng)如下圖所示:</p><p>  圖3.4 單片機最小系統(tǒng)</p>

21、<p>  P1.6作為光控信號的輸入口,P3.4是聲控信號的輸入端,P1.7是作為輸出端,與繼電器驅動電路相連。由于沒有外部ROM,所以與外部電源相接,置高平,直接讀取內部ROM。</p><p>  本次課設通過單片機來完成延時電路和與電路的功能。</p><p><b>  程序原理如下所示:</b></p><p>  #

22、include<reg52.h></p><p>  #define uint unsigned int</p><p>  sbit JD=P1^7;</p><p>  sbit GM=P1^6;</p><p>  void delay(uint z);</p><p><b>  main

23、()</b></p><p><b>  {</b></p><p>  TMOD=0x10;</p><p><b>  EA=1;</b></p><p><b>  ET1=1;</b></p><p><b>  JD=0;

24、</b></p><p><b>  GM=0;</b></p><p><b>  while(1)</b></p><p><b>  {</b></p><p>  if(JD= =1)</p><p><b>  {<

25、/b></p><p>  delay(10000);</p><p><b>  JD=0;</b></p><p><b>  }</b></p><p><b>  }</b></p><p><b>  }</b>&l

26、t;/p><p>  void counter1( ) interrupt 3</p><p><b>  {</b></p><p><b>  if(GM==1)</b></p><p><b>  {JD=1;}}</b></p><p>  void

27、 delay(uint z)</p><p><b>  {</b></p><p><b>  uint x,y;</b></p><p>  for(x=110;x>0;x--)</p><p>  for(y=z;y>0;y--);</p><p><

28、b>  }</b></p><p>  3.5繼電器驅動及燈泡照明電路</p><p>  3.5.1發(fā)射結接地型開關電路</p><p>  由限流電阻,負載及NPN管構成,VCC為5伏直流電源。如圖所示:</p><p>  圖3.5.1 開關電路</p><p>  當輸入端為0V(低電平),三

29、極管的基極沒有合適的偏置電壓,三極管處于截止狀態(tài);當輸入端為5V(高電平),使,基極-發(fā)射極處于導通,即三極管導通。如果不加限流電阻R1,會有非常大的基極電流通過。因此如圖所示,加上限流電阻R1。</p><p>  3.5.2繼電器驅動</p><p>  將開關電路的負載改為繼電器,即變成繼電器驅動電路。如圖所示:</p><p>  圖3.5.2繼電器驅動及照

30、明電路</p><p>  運放同相輸入端與單片機P1.7口相連,電壓跟隨器將微弱的單片機I0口輸出電流放大,提高帶負載能力,使電流能夠驅動三極管,但為防止電流過大燒壞三極管,因此加上限流電阻R13,從而通過三極管的開關作用來驅動繼電器。</p><p>  當開關的負載為電動機或者繼電器等感性負載時,在截斷流過負載的電流時(晶體管進入截止狀態(tài)時),會產生感應電動勢(楞次定律)。這時產生的

31、電壓非常大。當這種電壓超過晶體管的時,晶體管將會被擊穿。因此給繼電器并上一個二極管,將集電極的電位鉗制在左右,防止三極管被擊穿。</p><p><b>  3.6 原理總圖</b></p><p><b>  原理圖如下所示:</b></p><p><b>  圖3.6 原理總圖</b></

32、p><p>  由圖可知,聲光控節(jié)能燈電路聲控電路(由聲音拾取電路、放大電路、滯回比較器構成),光控電路(電壓跟隨器),單片機控制電路(由延時電路和邏輯與電路構成),繼電器驅動電路及電源電路等部分組成。其中聲控電路和光控電</p><p>  路是整個電路的核心部分,作用是將MIC輸出的微弱聲音信號進行放大,并轉換成方波信號。最后通過單片機的比較輸出來控制繼電器的導通,進而控制燈的亮滅。<

33、;/p><p><b>  4參數計算</b></p><p><b>  4.1電源電路</b></p><p>  由于集成穩(wěn)壓器輸出端為V和5V,則輸入端至少為15V,因此選擇220V轉V的變壓器和7815,7915和7805的集成穩(wěn)壓管。因為本次電路的電流都為毫安級別的,選擇最大輸出電流為1A的集成穩(wěn)壓管,能完全達到電

34、路要求。</p><p>  濾波電容一般越大越好,一般選取2200u或1000u,在這里選擇1000u的電容;輸入端電容C5和C6用以抵消輸入端的電感效應,以此防止自激震蕩和電源高平脈沖的干擾,一般取0.1u至1u,在這里選取0.33u的電容。輸出端電容一般取一大一小,選取0.1u和100u的電容。</p><p><b>  4.2聲控電路</b></p&g

35、t;<p>  駐極體話筒將聲音信號轉換為電信號,其大小為幾毫伏,話筒使用5V電源驅動,電阻R2為限流電阻。電阻太大,導致驅動電流太?。浑娮杼?,導致電流太大,故設定電阻為2K。</p><p>  兩級直接耦合放大電路放大倍數;</p><p>  而(為二級的輸入電阻);</p><p><b> ?。ㄊ?.2)</b><

36、;/p><p><b>  設定,=,,</b></p><p>  ,取,則,又因基極電流比較小,故??;</p><p><b>  ,??;</b></p><p>  =2.8K,=1.5K;</p><p>  在輸入交流信號時,電容接通,電阻被短接,此時;代入(式4.2)

37、得:,而取,則=1K,=7.1K,取。</p><p>  三極管采用互補對稱的9013與9012完全滿足要求。</p><p>  將其代入電路算得,仿真為700倍左右,經檢驗實際放大倍數為500左右;因此設計遲滯比較器時,采用實際值。</p><p>  由于兩級放大電路存在噪聲,經測量大約為5mV左右,需要加遲滯比較器,設置合適的閾值電壓,將此段噪聲濾掉。而經

38、測量聲音信號經兩級放大后為0.5V左右,因此將閾值電壓設為,=。因此,在遲滯比較器的輸出端加上的穩(wěn)壓管,并加上限流電阻,取1K。設電阻=10K,由式3.2得:則電阻=200K,滑動變阻器設為150K,根據外面聲音信號的大小來調節(jié)閾值電壓的值。</p><p><b>  4.3光控電路</b></p><p>  將基極電流設為0.1mA,當有光照射時,,=50K,與

39、光敏電阻此時的阻值(約為1K到10K)相比,光敏電阻可以忽略。選擇100K的滑動變阻器來替代50K,讓基極電流可調,從而控制射級電流和控制光控電路的靈敏度。集電極電阻為限流電阻,取值為22K。</p><p>  4.4繼電器驅動電路</p><p>  單片機高電平時輸出拉電流,大概是0.08-0.16mA,表明52的輸出能力很弱,因此需要加驅動,本次采用UA741構成電壓跟隨器,提高帶

40、負載的能力。繼電器選擇5V電壓供電,觸點電流為1A,吸合電流電流設為50mA,將基極電流控制在0.5mA,故選擇三極管的,基極電流所以三極管的集電極電流(負載電流)的額點值要大于50mA,三極管的集電極-發(fā)射極和集電極-基極間的最大額定值要大于5V,即,三極管9013完全滿足要求,參數為集電極-基極擊穿電壓為30 V,集電極-發(fā)射極擊穿電壓為25 V,集電極電流為500 mA ,基極電流為50mA,放大倍數滿足要求。</p>

41、<p>  單片機P1.7輸出信號為5V高電平時,三極管導通。繼電器驅動電路的輸入端為5V,由圖可知,以5V減去基極與發(fā)射極的結電壓0.7V,得到限流電阻上的分壓為4.3V,然后代入R=U/I公式,4.3V/0.5mA=8.6K。所以使用8.6K的限流電阻就可以了。但8.6K不在四環(huán)電阻的系列值里,可以使用8.2K代替。</p><p>  此外,UA741的最大輸出電流為40mA,完全可以滿足基極

42、電流的輸出;繼電器在三極管斷開的瞬間產生的感應電動勢很大,一般為一百伏或幾百伏,因此選擇反向電壓達1000V的1N4007,能夠達到要求。</p><p><b>  5仿真</b></p><p> ?。?)聲控部分仿真電路圖,如圖所示:</p><p>  圖5.1 仿真原理圖</p><p> ?。?)聲控部分仿真

43、結果,如圖所示:</p><p>  圖5.2 聲控電路仿真</p><p>  如圖所示:第一條為50HZ的交流信號來替代人的聲音信號,輸入電壓為峰峰值為6mv,兩級放大后為4v,放大倍數為667倍,經過遲滯比較器后輸出的方波,完全符合要求。 在失真的情況下,電路所消耗的能量最小。</p><p><b>  6調試與小結</b></

44、p><p>  本次設計過程中,遇到了許多問題,但經過調試解決。</p><p>  光控部分:經過兩級放大的聲音信號,開始是直接經過過零比較器轉變?yōu)榉讲?,但由于兩級放大存在很大的噪聲,導致輸出端是一條直線,沒有方波出現。后來在過零比較器的輸出端加了一個電容,通過電容把噪聲所產生的直流電壓去掉,但不能被單片機所識別,因此有加上了電壓跟隨器,最終滿足要求。但比較麻煩,最后將過零比較器與電壓跟隨直

45、接改為遲滯比較器。</p><p>  繼電器驅動部分:剛開始,未加負載時,單片機的輸出電壓為標準的方波,但在輸出端(P1.7)加了繼電器驅動時,單片機的輸出端電壓變?yōu)?.63V,不能帶動負載。因此,后來加上了電壓跟隨器來驅動負載。在光控部分也出現了同樣的問題,都加上了電壓跟隨。</p><p>  通過此次課設,對兩級放大的實際放大倍數有了解,在實際電路不能達到理論值,若要求更高,完全可

46、以使用集成運放來實現。在對聲音信號的處理過程中,必須除去噪聲信號對電路的干擾,這是一個很麻煩但必須解決的問題。在此過程中加深了對運放組成的基本電路的理解,如電壓跟隨器,電壓比較器等。另外,在繼電器的使用過程中,使用了三極管的開關作用,并不是常見的放大作用,對三極管的應用有了更多的了解。</p><p>  此外,對一些新型器件的使用,如繼電器,光敏電阻,駐極體話筒,也拓展了自己的知識,增加了以后自己使用器件的范圍

47、。</p><p><b>  參考文獻</b></p><p>  [1]劉嵐, 葉慶云.電路分析基礎. 北京:高等教育出版社,2010.1</p><p>  [2]吳友宇 .模擬電子技術基礎. 北京:清華教育出版社,2009.5</p><p>  [3]郭天祥 .51單片機C語言教程. 北京:電子工業(yè)出版社,20

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