2016年聲控開關(guān)課程設(shè)計(jì)說明書

1、HarbinInstituteof T echn ol ogy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(jí)：1406111設(shè)計(jì) 者：郭家旭 田晨晨學(xué)號(hào)：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(hào)：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 ,1 k, 6.2

2、k,5.1k ,47k, 100k； 電位器 :100k 電位器；電容器： 0.01 F，10F， 100 F；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(hào)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5 10mA），延時(shí)時(shí)間在 0.6 60s 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

3、。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

4、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。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

5、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)簟Ｔ撗b置適合廣 泛用于樓梯、走廊、路燈和廁所等場(chǎng)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(duì)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(hào) 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(hào)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(hào)來臨時(shí)，電路動(dòng) 作，一般聲控器件是對(duì)震動(dòng)敏感的物質(zhì)，有聲音時(shí)就接通（電

6、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(duì)原理圖進(jìn)行繪制；借助示波器和萬用表等器械，對(duì) 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(duì)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?/p>

7、本組成部分，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(shí)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(chǎng)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(duì)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

8、0.6 60s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1 15s。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(hào)后，聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，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(hào)，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管顯示。同時(shí)，這個(gè)脈沖信 號(hào)作為選通信號(hào)，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：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

9、.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(cè)。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(hào)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.

10、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

11、 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 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 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 入A 上，此時(shí)輸出就如相應(yīng)的功能表上所要求的那樣。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9 輸入。B 輸入同 QA 輸出連接，輸入計(jì)數(shù)脈沖

12、可加到輸LS90 可以獲得對(duì)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(duì)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)QDQCQBQAHHLXLLLLHHXLLLLLXXHHHLLHXLXLCOUNTCOUNTCOUNTCOUNTLXLXXXLXLLXBCD 計(jì)數(shù)順序Count輸出QD QCQBQA0LLLL1LLLH2LLHL3LLHH4LHLL5LHLH6LHHL7LHHH8HLLL9HLLH5-2 進(jìn)制計(jì)數(shù)順序Count輸出QAQDQCQB0LLLL1LL

13、LH2LLHL3LLHH4LHLL5HLLL6HLLH7HLHL8HLHH9HHLL74LS90 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(jiǎn)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

14、管3. 方案說明由上面的原理框圖可知方案設(shè)有信號(hào)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(jí)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(jí)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(hào)轉(zhuǎn)化成的電信號(hào)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(hào)，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(hào)，這要使用

15、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(hào)經(jīng)過電路整形，變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的負(fù)的方波脈沖信號(hào)，接下來還要進(jìn)一步將信號(hào)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：?jiǎn)畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以將輸入的負(fù)的方波脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成為正的方波脈沖信號(hào)，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(hào)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(jí)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

16、，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(duì)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(duì)于計(jì)數(shù)器，需要時(shí)鐘信號(hào)對(duì)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(hào)， 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(duì)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

17、可以設(shè)定的值，來產(chǎn)生滿足要求的時(shí)鐘信號(hào)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(hào)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(duì)芯片進(jìn)行級(jí)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(hào)，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

18、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(duì)接，以實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)對(duì)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(hào)作為清零端的控制信號(hào)，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(hào)清零，低電平信號(hào)計(jì)數(shù)，因此，要實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)出現(xiàn)時(shí) 計(jì)數(shù)，就要使高電平的信號(hào)轉(zhuǎn)換成為低電平信號(hào)，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(hào)接入清零端，這樣，在控制信號(hào)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(hào)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

19、，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(jí)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(jí)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(hào)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(cè)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(cè)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。4. 在試驗(yàn)開始之前， 一定要