声光控开关电路的设计
江汉大学物理与信息工程学院
课程设计报告
课题名称：声光控开关电路的设计 Topic Title: 专 业： 电子信息工程1班 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 肖运虹
2012年6月18日
一、设计目的
1、掌握声光控开关电路的组装，调试方法。 2、熟悉相应传感器及集成电路的原理及应用。
二、设计任务及要求：
1. 在有光照的情况下，无论有无声音，开关不动作，灯不亮；
2. 在光线较暗的情况下，没有声音，灯不亮；有声音触发时，开关动作，灯亮； 3. 灯亮一定时间以后，自动熄灭且可自动延时；
三、设计原理
1、系统方框图
系统方框图如下所示：
设计的电路系统如上图所示，主要有电源光控、声控、开关、延时等几个部分。
2、传声器的分类
下面介绍几种按换能原理分类的常用传声器的结构。 1）、动圈式传声器
动圈式传声器采用了最基本的电磁换能原理。动圈式传声器灵敏度较低，容易产生磁感应噪声 频响较窄。当声波使金属振膜振动时，金属振膜将带动音圈使它在磁场中振动 ，从而音圈切割磁力线，从而在音圈两端产生感应电压，这个音频感应电压代表了声波的信息，从而实现了声电转换 。如声音的音调高，金属振膜的振动频率就高，音圈中感应电流变化的频率也就越高 如声音响度大，则金属振膜的振动幅度就大，音圈中产生的感应电流的幅度也就越大。 2）、电容式传声器
电容式传声器是音响系统中常用的传声器，优点频率响应好，固有噪声电平低，失真小，是一种性能优良的传声器。电容式传声器主要由振膜 、后极板 、极化电源 、前置放大器组成。当声波作用于金属振腆时，腆片发生相应的振动，于是就改变了它与固定极板之间的距离，从而使电容量发生变化。而电容量的变化可以转化成电路中电信号的变化。因此，通过这样一个物理过程就可以把声波的振动转变为电路中相应的电信号，并由负载电阻抽出。由于物出阻抗很高，不能直接箱出，因此在传声器壳内装人一个前置放大器进行阻抗变换。将高阻改变成低阻输出。电容式传声器其实需要二组电源，一组为预放大器电源，另一组是电容极头的极化电压。如果声音响度大，膜片的振幅度就大，则输出电压幅度就大如果声音的音调高，膜片的振动频率就高，则箱出电压变化的颇率也高 如果声音的音色不同，膜片的振动规律（波形）就不同，则输出电压也有相应的波形变化。 3）、驻极体传声器
驻极体传声器也称驻极话筒，原理同电容式传声器，它是在常规的电容传声器中引人驻极体材料，并在制造过程中使驻极体材料极化‘驻极体是一种永久极化的电介质，使用驻极体高分子材料制具备振腆或固定电极（后极板），无需外加极化电压，前置放大器使用低噪声的场效应管即可。主要结构形式有两种：一种是用驻极体高分子薄腆材料作振腆；另一种是用驻极体材料做后极板。驻极体传声器的特点是结构简单，电声性能较好，价格低，应用较广泛，抗振能力强，容易小型化，因此被广泛用于一般录音机，特别是盒式录音机中。压电式传声器 压电传声器也属于静电传声器，其特点是灵敏度和辅出阻抗高，成本低，但温度 、湿度稳定性差 、频率响应不够平坦，不适合高量的音频传送。 4）、压电式传声器
压电式传声器是利用晶体（用酒石酸钾钠、钦酸钡等材料制成）或压电陶瓷片（用错酸盐 、钦酸盐铅 、猜钦酸铅等材料制成）的压电效应制成，它有膜片式和声电池式两种结构。膜片式压电传声器采用轻而刚性较强的锥形振膜，振膜的中心通过连杆机构与双压电晶片的中心相连接。当双压电晶片受声波振动时，其两电极间即会产生音孩艳出电压 。 5）、带式传声器
带式传声器的特点是频率响应及瞬态特性较好，批晌性为双向，常用于固定录音室作音乐录音用 。带式传声器也称速度式传声器，其振动系统—带状振膜是一条悬挂在强班场中的波纹状合金箱（其带面与磁力线平行）。当带状振膜受声波作用而在场内振动时 就产生音颇电压，通过输出变压器（带式传声器本身的阻抗较低，故使用输出变压器作阻抗变换用）输出。
3、声控电路
如下图所示，由声控电路由驻极体话筒（MIK ）、三极管（NPN9013）、电容C1及电阻R1、R2、R3等组成，其中MIC 为声检测元件。环境声音信号达到一定强度时，通过MIC 拾音输出经C1耦合到三极管的基极，使集电极的电位随声强而高低变化。当环境声音很弱时，三极管处于饱和状态，U1A2脚为低电平为低电平；当声音信号较强时，三极管进入截止状态，呈现出高电阻性，使U1A2脚处于高电平。
4、光控电路
如下图所示，光控电路由R4和光敏电阻（MG ）组成，二者串联分压电路。光敏电阻的阻值随着光照强度的变化而变化。当光照比较强时，其阻值比较小（约为20K Ω）；当光照较暗时，其电阻急剧增加（约为10M Ω）。显然，当光照较暗时，MG 的阻值远大于R4，根据电阻的串联分压可知U1A 的输入口1处为高电压（高电平）；反之，则为低电平。
有光照电压：U1=7.5*（20/（20+100））V=1.3V
根据下面给出的CD4011参数表知1.5V 以下都为低电平； 无光照电压：U2=7.5*（1M/(1M+100K)）=6.82V 根据CD4011参数表知此时为高电平。
5、触发控制电路
如下图所示，触发控制电路由四个二输入与非门U1(CD4011)及R6等组成。当光照较弱（夜晚）时，光控信号输入端为高电平，如果MIC 检测到较强的声音信号时，声控信号输入端为高电平。通过与非门使6端为高电平（经二极管D1向RC 回（延时电路）路充电），11端为高电平（使灯泡点亮）。
CD4011芯片引脚图如下所示：
6、延时电路
如下图所示，延时电路主要由二极管（D1）和C2和R5构成，由于二极管单向导通性使得该RC 回路具有快充电、慢放电的特性。当光强较弱、有声音信号时6端为高电平，二极管导通对RC 回路充电（该过程在较短时间内完成）；之后声音信号消失后，6端又恢复低电平，二极管出于反向截止状态，电容C2所存储的电能经R5释放（该过程较慢），在一段时间内使9、10端一直维持高电平状态，从而使三极管Q2的基极处于高电平使LED 灯点亮。根据RC 回路放电公式可计算理论放电时间t=RC*Ln（（V1-V0）/(V1-Vt)）(V0为电容上的初始电压值，V1为电容最终可以放到的电压值，Vt 为t 时刻电容上的电压值) 。V0为电源电压5V ，假设Vt 为3V ，V1为0V ，计算得t=51.08S。
如下图所示，只有当光线较暗且有声音信号输入（即1、2端同时为高电平）时，3端为低电平，6端为高电平。当6端为高电平时，对延时电路充电，当声音信号消失时，6端又恢复低电平，RC 回路放电使9、10端维持高电平，从而使11端输出高电平，此时三极管Q2出入放大工作状态，LED 灯点亮。放电完成之后，灯熄灭。
四、安装与调试
1、熟悉电路，将元件合理分布在实验箱上并按电路图连接导线连接完成后检测电路是否连接无误，检查二极管、三极管、极性电容、电源正负极是否连接正确。
2、接通电源，测试光控电路是否正常，在遮光后电压有无明显跳变。 3、测试声控电路，检测在有声音信号的情况下，电压有无明显跳变。 4、完成以上检测后，测试CD4011芯片输出端相应电压变化是否正常。
5、如果以上检测正常LED 灯没有点亮说明放大电路有故障，检测电路连接否则更换三极管。
五、实验器材
序号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 名称
金属膜电阻器 金属膜电阻器 金属膜电阻器 金属膜电阻器 金属膜电阻器 金属膜电阻器 金属膜电阻器 瓷介电容 电解电容 开关二极管 发光二极管 光敏电阻 三极管
集成块与非门 驻极体电容话筒
型号规格 ２２Ｋ ２．２Ｍ ３３ｋ １００ｋ １Ｍ ３Ｋ １Ｋ １０ｕＦ １００ｕＦ ＩＮ４１４８
数量
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1
MG45 S9013 CD4011 CRZ2-113
配件图号 Ｒ１ Ｒ２ Ｒ３ Ｒ４ Ｒ５ Ｒ６ Ｒ７ C1 C2 D1 LED MG Q1、Q2 U1 MIC
六、心得体会
此次的课程设计，不仅加深对许多模电、数电知识的理解也让我感受到了电子设计的乐趣和魅力的所在。在完成课程设计的过程中，遇到过的许多问题给了我们很多的启发，在课堂上，我们所要做的或许就是记住一些结论性的知识，然后理解如何通过相关的公式推导验证这些结论。而在实际应用中需要掌握远不止这些，比喻说在RC 回路放电时间的实际值与用相关公式推导出的理论值有较大差距，课本上可能更多的是掌握用什么公式去计算，而实际验证的时候我们需要判断实际电路中什么是充电电容的初始值、最终放电达到的电压值等等非常具体的参数。这其中还要需要考虑具体芯片的高低电平的范围，这在课本上解题时基本上不怎么涉及到，因为这些问题大多都是以元件理想状态为前提的。其次还有很多问题也是需要注意的，比如说在实际应用中，不同的环境可能对MIC 的敏感度要求不同，所以需要改进电路使MIC 的灵敏度实现可调节。
七、参考文献
1、余孟尝 《数字电子技术基础》北京 高等教育出版社 2009.1 2、康华光《电子技术基础模拟部分》北京 高等教育出版社 2006.1