传感器与逻辑电路的应用

传感器与逻辑电路的应用

现在住宅小区的楼道上常用声光控延时开关，只有在天黑以后，当有人走

过时发出声音时，楼道灯会自动点亮，延时几分钟后会自动熄灭。在声光控

延时开关的设计过程中要用到许多传感器和逻辑电路的知识。

一、关键的电学元件

1．电路中的主要控制元器件是使用了集成电路CD4011。与非门集成电

路CD4011（如图1），与课本上介绍的集成电路74LS00相似，其内部含有4

个独立的与非门vd1～vd4，用V DD 和Vss 两脚供电（如图2）。与非门是与门

之后加一个非门组成，其真值表如图3。

2．电路中的主要传感器元器件是驻极体话筒（如图4）和光敏电阻（如

图6）

驻极体电容话筒有两块金属板（如图5），其中一块表面涂有驻极体薄

膜，当膜片受到振动、摩擦时，膜片上会出现表面电荷。驻极体膜片上的电

荷量由于声音气流变化而发生变化微弱电流。

光敏电阻器又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电

阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，

电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光

的变化转换为电的变化）。

3．电路中的主要执行元器件是可控硅

与三极管的外观类似，可控硅也有三极，是一种具有三个PN 结的

四层结构的大功率可控整流电子元件。它的功用不仅是整流，还可以用作

无触点开关以快速接通或切断电路。要使可控硅导通，一是在它的阳极A

与阴极K 之间外加正向电压，二是在它的控制极G 与阴极K 之间输入一个正

向触发电压。导通后，去掉触发电压，仍然维持导通状态。如果阳极或控制

极外加的是反向电压，晶闸管就不能导通。

三极管的有三个极，发射极E 、基极B 和集电极C 。工作时，在BE 极间

加上很小的电流IB ，就可以控制CE 极间很大的电流Ic ，放大率β=Ic/Ib。

可见三极管是成比例的放大电流的元件。

二、电路的工作原理

1．供电线路，如（图9）整流二极管vd1～vd4将交流220v 进行桥式整

流，变成脉动直流电，又经R1降压，C2滤波后即为电路的直流电源，为BM 、

VT 、通过7和14号腿给集成块的CD4011供电。

2．控制电路，电路原理(图10)

(1)声音传感器信号通过放大电路得到一路信号，光传感器得到另一路

信号一起进入与非门D1进行判定。声音信号(脚步声、掌声等) 由驻极体话筒

BM 接收并转换成电信号，经C1耦合到VT 的基极进行电压放大，放大的高电

平信号送到D1的2脚(图11) 。为了使声光控开关在白天开关断开，由光敏

电阻RG 等元件组成光控电路，R5和RG 组成串联分压电路，夜晚环境无光时，

光敏电阻的阻值很大，RG 两端的电压高，高电平信号送到D1的1脚(图12) 。

与非门(D1)的两脚都是高电平（值为1）时，在3脚输出低电平（值为0）。

(2)D1的3脚输出低电平（值为0）信号同时输入与非门(D2)的5．6两

脚，D2的输出端4脚会输出高电平（值为1）经二极管进入延时控制电路。

给C3充电，充满电后经R8放电。高电平间t=2πR 8C 3，改变R8或C3的值，

可改变延时时间。高电平信号再经与非门(D3．D4) 两级整形电路，将方波信

号进行整形，从11腿输出还是高电平信号。

(3)D4的11腿输出高电平信号使单向可控硅导通，电子开关闭合；c3充

满电后只向r8放电，当放电到一定电平时，经与非门(D3、D4) 输出为低电平，

使单向可控硅截止，电子开关断开，完成一次完整的电子开关由开到关的过

程。

附录：声光控延时开关的电路图（图15）

用声光控延时开关

2008-09-25 23:46

用声光控延时开关代替住宅小区的楼道上的开关，只有在天黑以后，当有人走过楼梯通道，发出脚步声或其它声音时，楼道灯会自动点亮，提供照明，当人们进入家门或走出公寓，楼道灯延时几分钟后会自动熄灭。在白天，即使有声音，楼道灯也不会亮，可以达到节能的目的。声光控延时开关不仅适用于住宅区的楼道，而且也适用于工厂、办公楼、教学楼等公共场所，它具有体积小、外形美观、制作容易、工作可靠等优点，适合广大电子爱好者自制。

一、电路的工作原理

声光控延时开关的电路原理图见图1所示。电路中的主要元器件是使用了数字集成电路cd4011，其内部含有4个独立的与非门vd 1～vd4，使电路结构简单，工作可靠性高。

顾名思义，声光控延时开关就是用声音来控制开关的“开启" ，若干分钟后延时开关“自动关闭" 。因此，整个电路的功能就是将声音信号处理后，变为电子开关的开动作。明确了电路的信号流程方向后，即可依据主要元器件将电路划分为若干个单元，由此可画出图2所示的方框图。

结合图2来分析图1。声音信号(脚步声、掌声等) 由驻极体话筒bm 接收并转换成电信号，经c1耦合到vt 的基极进行电压放大，放大的信号送到与非门(vd1)的2脚，r4、r7是vt 偏置电阻，c2是电源滤波电容。

为了使声光控开关在白天开关断开，即灯不亮，由光敏电阻rg 等元件组成光控电路，r5和rg 组成串联分压电路，夜晚环境无光时，光敏电阻的阻值很大，rg 两端的电压高，即为高电平间t=2πr8c3，改变r8或c3的值，可改变延时时间，满足不同目的。vd3和vd4构成两级整形电路，将方波信号进行整形。当c3充电到一定电平时，信号经与非门

vd3、vd4后输出为高电平，使单向可控硅导通，电子开关闭合；c3充满电后只向r8放电，当放电到一定电平时，经与非门vd3、vd4输出为低电平，使单向可控硅截止，电子开关断开，完成一次完整的电子开关由开到关的过程。

二极管vd1～vd4将交流220v 进行桥式整流，变成脉动直流电，又经r1降压，c2滤波后即为电路的直流电源，为bm 、vt 、ic 等供电。

二、元器件的选择

ic选用cmos 数字集成电路cd4011，其里面含有四个独立的与非门电路。内部结构见图3，vss 是电源的负极，vdd 是电源的正极。可控硅t 选用1 a ／400v 的进口单向可控硅1 00-6型，如负载电流大可选用3a 、6a 、10a 等规格的单向可控硅，单向可控硅的外形如图4所示，它的测量方法是：用r×1档，将红表笔接可控硅的负极，黑表笔接正极(如印制板图所示) ，这时表针无读数，然后用黑表笔触一下控制极k ，这时表针有读数，黑表笔马上离开控制极k 这时表针仍有读数(注意触控制极时正负表笔是始终连接说明该可控硅是完好的。驻极体选用的是一般收录机用的小话筒，它的测量方法是：用r×100档将红表笔接外壳的s 、黑表笔接d ，这时用口对着驻极体吹气，若表针有摆动说明该驻极体完好，摆动越大灵敏度越高；光敏电阻选用的是625a 型，有光照射时电阻为20k 以下，无光时电阻值大于100mq ，说明该元件是完好的。二极管采用普通的整流二极管1n4001～1n4007。总之，元件的选择可灵活掌握，参数可在一定范围内选用。其它元件按图1所示的标注即可。

三、安装制作

准备好全套元件后，用万用表粗略地(因出厂前已测量过) 测量一下各元件的质量，做到心中有数。

焊接时注意先焊接无极性的阻容元件，电阻采用卧装，电容采用直立装，紧贴电路板，焊接有极性的元件如电解电容、话筒、整流二极管、三极管、单向可控硅等元件时千万不要装反，注意极性的正确，否则电路不能正常工作甚至烧毁元器件。印刷电路图如图5所

示。

四、调试

调试前，先将焊好的电路板对照印刷电路图认真核对一遍，不要有错焊、漏焊、短路、元件相碰等现象发生。通电后，人体不允许接触电路板的任一部分，防止触电，注意安全。如用万用表检测时，只用将万用表两表笔接触电路板相应处即可。

本电路调试时请先将光敏电阻的光挡住，将ab 分别接在电灯的开关位上，用手轻拍驻极体，这时灯应亮，若用光照射光敏电阻，再用手重拍驻极体，这时灯不亮，说明光敏电阻完好，这时即告本套件制作成功。若不成功请仔细检查有无虚假错焊和拖锡短路现象。