聲控開關(guān)課程設(shè)計(jì)說明書.doc

Harbin Institute of Technology課程設(shè)計(jì)說明書（論文）課程名稱： 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目： 聲控開關(guān)的設(shè)計(jì)與制作院 系： 電氣學(xué)院 班 級： 1406111 設(shè) 計(jì) 者： 郭家旭 田晨晨 學(xué) 號： 1140610217指導(dǎo)教師： 呂超 設(shè)計(jì)時(shí)間：2016年12月4-18日 哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 姓 名：郭家旭、田晨晨 院 （系）：電氣學(xué)院 專 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 班 號：1406111 任務(wù)起至日期：2016年12月5日至2016年12月18日 課程設(shè)計(jì)題目：聲控開關(guān)的設(shè)計(jì)與制作 已知技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求： 技術(shù)參數(shù)： 電阻:200,300,1k,6.2k,5.1k,47k,100k； 電位器:100k電位器； 電容器：0.01F，10F，100F； 芯片：555定時(shí)器，74LS90，74LS47，74LS00； 發(fā)光二極管，話筒，數(shù)碼管，9013三極管，面包板。 技術(shù)要求：給出聲音信號后，發(fā)光二極管可以發(fā)光并維持一段時(shí)間，并且維持時(shí)間可調(diào)；二極管發(fā)光時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，并且可以調(diào)節(jié)技術(shù)的速度，二極管停止發(fā)光時(shí)，計(jì)數(shù)器自動(dòng)清零。接收到一定強(qiáng)度的聲音后，聲控開關(guān)點(diǎn)亮發(fā)光二極管（電流510mA），延時(shí)時(shí)間在0.660s之間可調(diào)。擴(kuò)展要求：發(fā)光二極管點(diǎn)亮?xí)r間延時(shí)顯示。 工作量：一、 根據(jù)聲控開關(guān)原理，構(gòu)思設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)方法。二、 在面包板上，利用所發(fā)元器件，進(jìn)行電路的搭接。三、 進(jìn)入科技園實(shí)驗(yàn)室分模塊（模擬部分和數(shù)字部分）調(diào)試電路。四、 利用示波器，觀察輸出波形。五、 撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 工作計(jì)劃安排：12.5-12.7 根據(jù)聲控開關(guān)原理，構(gòu)思設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)方法。12.7-12.9 在面包板上，利用所發(fā)元器件，進(jìn)行電路的搭接。12.9-12.11 分模塊（模擬部分和數(shù)字部分）調(diào)試。12.11-12.15 整理報(bào)告。 同組設(shè)計(jì)者及分工： 同組設(shè)計(jì)者：郭家旭，田晨晨。 具體分工：在搭建電路的過程中，我倆分模擬電路和數(shù)字電路兩部分，一人負(fù)責(zé)一部分。調(diào)試過程，仿真過程以及最后的驗(yàn)收過程是兩個(gè)人并肩奮戰(zhàn)，協(xié)同攻關(guān)的。 指導(dǎo)教師簽字_ 年 月 日 教研室主任意見： 教研室主任簽字_ 年 月 日*注：此任務(wù)書由課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師填寫。哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書（論文）聲控開關(guān)的設(shè)計(jì)與制作摘要 聲控開關(guān)，全稱是聲控延時(shí)開關(guān)，是一種內(nèi)無接觸點(diǎn)，在特定環(huán)境光線下采用聲響效果激發(fā)拾音器進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換來控制用電器的開啟，并經(jīng)過延時(shí)后能自動(dòng)斷開電源的節(jié)能電子開關(guān)。 生活中，好多地方都使用聲控?zé)粽彰?，聲光雙控延時(shí)照明燈白天自動(dòng)關(guān)閉，夜間有人走動(dòng)時(shí)，其腳步聲或談話聲可使電燈自動(dòng)點(diǎn)亮，聲音過后30s電燈又會(huì)自動(dòng)熄滅。這種延時(shí)照明控制開關(guān)能有效地消除長明燈、節(jié)約電能；聲控開關(guān)，即采用模電數(shù)電混合集成電路，進(jìn)行邏輯運(yùn)算，控制電路中電流。其中重要部件光控電子開關(guān)，它的“開”和“關(guān)”是通過可控硅的通斷來實(shí)現(xiàn)，而可控硅的通斷又受自然光的亮度（或人為亮度）控制，故聲控?zé)粲置麨槁暪饪責(zé)?。該裝置適合廣泛用于樓梯、走廊、路燈和廁所等場所的照明，起到日熄夜亮的控制作用，以節(jié)約用電。 由于設(shè)計(jì)條件限制，該課程設(shè)計(jì)只涉及了聲控部分和計(jì)數(shù)器部分，對光控部分不再進(jìn)行分析。本次設(shè)計(jì)主要是利用三極管基本放大電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多謝振蕩器等基本電路，利用、等芯片實(shí)現(xiàn)電路聲控的功能，做到聲音信號發(fā)出時(shí)，二極管可以指示發(fā)光，計(jì)數(shù)器可以同步計(jì)數(shù)，聲音信號消失時(shí)，二極管熄滅，計(jì)數(shù)停止進(jìn)行清零。聲控器件，就是利用聲音來控制電路的一種元件，當(dāng)聲音信號來臨時(shí)，電路動(dòng)作，一般聲控器件是對震動(dòng)敏感的物質(zhì)，有聲音時(shí)就接通（電阻變?。?，沒有聲音時(shí)就斷開（電阻變的很大）。再通過電路和芯片做個(gè)延時(shí)，就可以使有聲音時(shí)電路接通一段時(shí)間。計(jì)數(shù)器是數(shù)字系統(tǒng)中用的較多的基本邏輯器件，它的基本功能是統(tǒng)計(jì)時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)，即實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)操作，它也可用與分頻、定時(shí)、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖和脈沖序列等。例如，計(jì)算機(jī)中的時(shí)序發(fā)生器、分頻器、指令計(jì)數(shù)器等都要使用計(jì)數(shù)器。 本次直流穩(wěn)壓電源課程設(shè)計(jì)，對原理圖進(jìn)行繪制；借助示波器和萬用表等器械，對電路進(jìn)行仿真分析。這一設(shè)計(jì)方案能夠快速、輕松、高效地對電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證產(chǎn)生，從而縮短建模循環(huán)。關(guān)鍵詞：聲控開關(guān) 集成電路 計(jì)數(shù)器 譯碼器1 緒論1.1 課題描述聲控開關(guān)在實(shí)際中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，是一些聲控?zé)艋窘M成部分，其原理適用于很多聲控器械，它涉及到時(shí)序邏輯電路如何設(shè)計(jì)、分析和工作等方面。通過此電路更深刻的了解時(shí)序邏輯部件的工作原理，從而掌握如何根據(jù)需要設(shè)計(jì)滿足要求的各種電路圖，解決生活中的實(shí)際問題，將所學(xué)知識應(yīng)用于實(shí)踐中。本課題要求根據(jù)電路原理圖裝配與調(diào)試聲控計(jì)數(shù)器電路。本電路采用聲音控制方式進(jìn)行計(jì)數(shù)，有數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)結(jié)果，計(jì)數(shù)范圍是099，它具有快捷、方便、直觀和準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，可用于自動(dòng)控制、統(tǒng)計(jì)等場合。1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)技術(shù)指標(biāo)：1. 任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)聲控開關(guān)，控制對象為發(fā)光二極管。2.基本要求 1、接收到一定強(qiáng)度的聲音后，聲控開關(guān)點(diǎn)亮發(fā)光二極管（電流510mA），延時(shí)時(shí)間在0.660s之間可調(diào)。 2、延時(shí)時(shí)間用數(shù)字顯示（采用共陽極數(shù)碼管），時(shí)間單位可調(diào)，顯示范圍為115s。1.3 基本工作原理及原理圖此方案采用74LS90計(jì)數(shù)器，74ls47譯碼器，晶體管放大電路，555構(gòu)成的整形電路，555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器，還有74ls00等門電路。駐極體話筒接收到一定強(qiáng)度的聲音信號后，聲音信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，幅度很小，經(jīng)放大、整形后，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)延時(shí)電路，產(chǎn)生一個(gè)寬度可調(diào)的脈沖信號，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管顯示。同時(shí)，這個(gè)脈沖信號作為選通信號，使計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，并用數(shù)碼管顯示延時(shí)。原理框圖如下：兩級放大電路電路門電路時(shí)鐘電路計(jì)數(shù) 器譯碼顯示話筒整形電路單穩(wěn)延時(shí)Vcc原理圖如下所示：圖1 聲控開關(guān)原理圖2. 相關(guān)芯片介紹2.1 集成芯片5552.1.1 555集成電路的框圖及工作原理 555集成電路開始是作定時(shí)器應(yīng)用的，所以叫做555定時(shí)器或555時(shí)基電路。但后來經(jīng)過開發(fā)，它除了作定時(shí)延時(shí)控制外，還可用于調(diào)光、調(diào)溫、調(diào)壓、調(diào)速等多種控制及計(jì)量檢測。此外，還可以組成脈沖振蕩、單穩(wěn)、雙穩(wěn)和脈沖調(diào)制電路，用于交流信號源、電源變換、頻率變換、脈沖調(diào)制等。由于它工作可靠、使用方便、價(jià)格低廉，目前被廣泛用于各種電子產(chǎn)品中，555集成電路內(nèi)部有幾十個(gè)元器件，有分壓器、比較器、基本R-S觸發(fā)器、放電管以及緩沖器等，電路比較復(fù)雜，是模擬電路和數(shù)字電路的混合體，如圖2所示。 圖2 集成電路的框圖2.1.2 555芯片管腳介紹 555集成電路是8腳封裝，雙列直插型，如圖2(A)所示，按輸入輸出的排列可看成如圖2(B)所示。其中6腳稱閾值端(TH)，是上比較器的輸入；2腳稱觸發(fā)端(TR)，是下比較器的輸入；3腳是輸出端(Vo)，它有O和1兩種狀態(tài)，由輸入端所加的電平?jīng)Q定；7腳是放電端(DIS)，它是內(nèi)部放電管的輸出，有懸空和接地兩種狀態(tài)，也是由輸入端的狀態(tài)決定；4腳是復(fù)位端(MR)，加上低電平時(shí)可使輸出為低電平；5腳是控制電壓端(Vc),可用它改變上下觸發(fā)電平值；8腳是電源端，1腳是地端。 555集成電路封裝圖 555實(shí)物圖2.1.3 典型應(yīng)用電路555的應(yīng)用電路很多，只要改變555集成電路的外部附加電路，就可以構(gòu)成幾百種應(yīng)用電路，大體上可分為555單穩(wěn)、555雙穩(wěn)及555無穩(wěn)(即振蕩器)三類。2.2 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS902.2.1 74LS90功能：十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（2 和5）原理說明：本電路是由4 個(gè)主從觸發(fā)器和用作除2 計(jì)數(shù)器及計(jì)數(shù)周期長度為除5 的3 位2 進(jìn)制計(jì)數(shù)器所用的附加選通所組成。有選通的零復(fù)位和置9 輸入。為了利用本計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù)長度（十進(jìn)制），可將B 輸入同QA 輸出連接，輸入計(jì)數(shù)脈沖可加到輸入A 上，此時(shí)輸出就如相應(yīng)的功能表上所要求的那樣。LS90 可以獲得對稱的十分頻計(jì)數(shù)，辦法是將QD 輸出接到A 輸入端，并把輸入計(jì)數(shù)脈沖加到B 輸入端，在QA 輸出端處產(chǎn)生對稱的十分頻方波。2.1.2 真值表： Reset Inputs復(fù)位輸入 輸出 R0(1) R0(2) R9(1) R9(2) QD QC QB QA H H L X L L L L H H X L L L L L X X H H H L LH X L X L COUNT COUNT COUNT COUNT L X L X L X X L X L L X BCD 計(jì)數(shù)順序 Count 輸出 QD QC QB QA 0 L L L L 1 L L L H 2 L L H L 3 L L H H 4 L H L L 5 L H L H 6 L H H L 7 L H H H 8 H L L L 9 H L L H 5-2 進(jìn)制計(jì)數(shù)順序Count 輸出 QA QD QC QB 0 L L L L 1 L L L H 2 L L H L 3 L L H H 4 L H L L 5 H L L L 6 H L L H 7 H L H L 8 H L H H 9 H H L L 74LS90引腳圖 74LS90實(shí)物圖2.3 74LS47芯片 74LS47是BCD-7段數(shù)碼管譯碼器/驅(qū)動(dòng)器， 74LS47的功能用于將BCD碼轉(zhuǎn)化成數(shù)碼塊中的數(shù)字,通過它解碼， 可以直接把數(shù)字轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管的顯示數(shù)字， 從而簡化了程序，節(jié)約了 單片機(jī)的IO開銷。 因此是一個(gè)非常好的芯片！但是由于目前從節(jié)約成本的角度考慮， 此類芯片已較少用， 大部份情況下都是用動(dòng)態(tài)掃描數(shù)碼管的形式來實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示。 74LS47封裝圖 實(shí)物圖2.4 74LS00以及數(shù)碼管圖片資料 74LS00數(shù)碼管3. 方案說明由上面的原理框圖可知方案設(shè)有信號發(fā)生電路，共射極基本放大電路，整形電路，單穩(wěn)延時(shí)，多謝振蕩器電路，計(jì)數(shù)器以及譯碼顯示。各部分功能明確且之間的聯(lián)系容易理解，所以采用這種方案。3.1 共射極基本放大電路共射基本放大電路的電壓放大倍數(shù)可以表示為： 可見，共射級基本放大電路輸出電壓與輸入電壓反相，且具有電壓放大的能力，通過調(diào)節(jié)電阻可以調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)。經(jīng)兩級放大，可以輸出放大后的正脈沖。3.2 整形電路部分聲音信號轉(zhuǎn)化成的電信號經(jīng)過放大后持續(xù)時(shí)間還是較短，仍為一瞬間出現(xiàn)的脈沖信號，為了使二極管可以穩(wěn)定發(fā)光，因此使用整形電路將較大的正脈沖整形成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)的方波信號，這要使用芯片構(gòu)成整形電路，即為施密特觸發(fā)器電路，電路如下圖：3.3 單穩(wěn)態(tài)電路部分輸入的脈沖信號經(jīng)過電路整形，變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的負(fù)的方波脈沖信號，接下來還要進(jìn)一步將信號時(shí)間延長，這就要使用單穩(wěn)態(tài)電路，將負(fù)的方波脈沖轉(zhuǎn)化為正的方波脈沖，同時(shí)延長穩(wěn)態(tài)時(shí)間，來使二極管穩(wěn)定發(fā)光，基本電路如下圖：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以將輸入的負(fù)的方波脈沖信號轉(zhuǎn)換成為正的方波脈沖信號，高電平時(shí)間：.故可以通過調(diào)節(jié)電阻和電容，調(diào)節(jié)脈沖時(shí)間，以此調(diào)節(jié)二極管發(fā)光時(shí)間以及芯片計(jì)數(shù)時(shí)間，作為控制信號使用。電路要求時(shí)間可調(diào)，故在實(shí)際搭接中選用滑動(dòng)變阻器。最后再使用一級三極管共射基本放大電路，將高電平轉(zhuǎn)換成低電平，此時(shí)，二極管兩端電壓滿足導(dǎo)通要求，導(dǎo)通發(fā)光，發(fā)光時(shí)間由單穩(wěn)態(tài)電路的高電平時(shí)間決定，可以調(diào)節(jié)電位器來進(jìn)行調(diào)節(jié)。二極管發(fā)光部分基本單元電路的選用就基本完成了。3.4 多諧振蕩器部分接下來是數(shù)字計(jì)數(shù)部分的設(shè)計(jì)，對于數(shù)字部分，需要進(jìn)行計(jì)數(shù)功能的實(shí)現(xiàn)，這就要使用計(jì)數(shù)器，顯示譯碼器以及數(shù)碼管。對于計(jì)數(shù)器，需要時(shí)鐘信號對其進(jìn)行觸發(fā)，此時(shí)，應(yīng)使用定時(shí)器組成的多諧振蕩器，產(chǎn)生需要的時(shí)鐘信號，通過調(diào)節(jié),可以調(diào)節(jié)時(shí)鐘周期，這里選用滑動(dòng)變阻器代替來對始終周期進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而可以調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的速度，從而可以調(diào)節(jié)顯示的數(shù)字大小。多諧振蕩器電路如下圖：多諧振蕩器的輸出波形如下圖所示，其中：.（+）,=.，故通過調(diào)節(jié)電阻和電容值可以設(shè)定的值，來產(chǎn)生滿足要求的時(shí)鐘信號驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。3.5 計(jì)數(shù)器以及譯碼器部分該電路將根據(jù)單穩(wěn)延時(shí)電路和時(shí)基電路決定的主脈沖給計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器由十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74ls90構(gòu)成，譯碼器由74ls47構(gòu)成。時(shí)鐘信號產(chǎn)生后，應(yīng)接入計(jì)數(shù)器，由于一般采用的芯片為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，這時(shí)要進(jìn)行計(jì)數(shù)進(jìn)制的轉(zhuǎn)換，由十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成為百進(jìn)制，要對芯片進(jìn)行級聯(lián)。由于百進(jìn)制計(jì)數(shù)器，個(gè)位與十位均要計(jì)滿十個(gè)數(shù)，因此可以直接將第一個(gè)芯片的高位端接入下一片芯片的端，作為高位計(jì)數(shù)芯片的時(shí)鐘輸入信號，這樣百進(jìn)制計(jì)數(shù)器就完成了。完成計(jì)數(shù)功能后，要進(jìn)行顯示，這里使用顯示譯碼器以及共陽極數(shù)碼管組合進(jìn)行數(shù)字的顯示，兩片芯片分別接芯片的高位以及低位芯片，再接入相應(yīng)的共陽極數(shù)碼管，同時(shí)接入保護(hù)電阻即可完成數(shù)字部分的功能實(shí)現(xiàn)。數(shù)字部分與二極管控制部分要實(shí)現(xiàn)對接，以實(shí)現(xiàn)聲音信號對于計(jì)數(shù)器裝置的控制，這時(shí)，可以將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的正的方波脈沖信號作為清零端的控制信號，來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)與清零的控制，結(jié)束一次的聲音顯示。由于是高電平信號清零，低電平信號計(jì)數(shù)，因此，要實(shí)現(xiàn)聲音信號出現(xiàn)時(shí)計(jì)數(shù)，就要使高電平的信號轉(zhuǎn)換成為低電平信號，這里使用與非門芯片實(shí)現(xiàn)，將芯片的置九端直接接地，將與非門輸出信號接入清零端，這樣，在控制信號來臨時(shí)，清零端輸入低電平，芯片進(jìn)入計(jì)數(shù)狀態(tài)，當(dāng)控制信號消失時(shí)，計(jì)數(shù)器的清零端懸空，相當(dāng)于接入高電平，計(jì)數(shù)器清零，這樣就完成了預(yù)期的數(shù)字部分的功能。由此，設(shè)計(jì)中的基本電路的選用就已經(jīng)分析完成了。4. 結(jié)果驗(yàn)收及成品展示4.1 面包板線路搭接實(shí)物圖4.2示波器調(diào)試波形4.2.1 話筒輸出波形：為一個(gè)幅值較小的正脈沖4.1.2 第一級放大電路輸出波形：為一個(gè)幅值較大的負(fù)脈沖4.1.3 第二級放大電路輸出波形：為一個(gè)幅值更大的正脈沖4.1.4 多諧振蕩器部分的輸出時(shí)鐘信號 總結(jié)在設(shè)計(jì)和連接電路圖的過程中，我們遇到了很多問題如：三極管毀壞導(dǎo)致功能無法實(shí)現(xiàn)，檢查時(shí)又查不出問題所在；接入電源時(shí)忘記確定電源輸出是不是要求輸出而導(dǎo)致電路電壓過載而燒壞。在解決這些問題的過程中我們也學(xué)到了很多東西。總結(jié)如下：1. 在使用芯片前，一定要測試芯片是否能實(shí)現(xiàn)預(yù)想功能。2. 接入電源前一定要用示波器測量好電源輸出電壓，避免接入電壓過高。 3. 在電路連接好后，如果不能實(shí)現(xiàn)預(yù)想功能，一定要平心靜氣，認(rèn)真的檢查是什么原因，并改正