声光控制开关电路的设计（毕业设计）(4)

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3.2.2声控电路

设计声控电路时，我们首先需要知道怎样才能把声音信号转化为电信号，而且对声音信号感应的灵敏度也有很高要求，即不能太低，也不能太高，太高或太低都难以对声控电路实现较好的控制，对声音信号感应的灵敏度应能接收到像人的说话声、拍手声、脚步声等比较常见的声音信号为准。我们可以使用常见的声音传感器将这类声音信号转化为电信号，其中比较常用的声音传感器有电容式和磁电式两类。电容式声音传感器是通过声音的振动，从而引起电容量的改变，来得到声音信号到电信号的转化，目前常见的有驻极体话筒；磁电式声音传感器是通过用声音的振动，带动导线切割磁力线产生电流，以达到声音信号向电信号的转化，目前常见的就是动圈式话筒。驻极体话筒体积小，结构简单，电声性能好，价格低廉，应用非常广泛，考虑到元器件本身成本及使用方便等问题，这里使用驻极体话筒，利用驻极体话筒采集外界声音信号并转换成电信号，实现声音信号到电信号的转换。驻极体话筒的基本结构是由一片单面涂有金属的驻极体薄膜与一个上面有若干小孔的金属电极构成，驻极体面与背电极相对，中间有一个极小的空气隙，形成一个以空气隙和驻极体作绝缘介质，以背电极和驻极体上的金属层作为两个电极构成的一个平行板电容器，电容的两极之间有输出电极，高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久自由电荷Q，由于没有放电回路，这个电荷量是不变的，在声波的作用下，极化膜随着声音震动，因此驻极体和背极的距离也跟着变化，即改变了电容两极板之间的距离，从而引起电容的容量C发生变化，而驻极体上的自由电荷数Q始终保持不变，根据公式：

Q?CU[6]

当C变化时必然引起电容器两端电压U的变化，从而输出电信号，实现声音信号到电信号的变换。由于所形成的电容器的电容量很小，使得驻极体话筒转化来的电信号相对较弱，转换的电信号必须经过一定放大才能起到良好的控制作用，可作为放大用的电路有功率放大电路、运算放大电路等，通常都选用运算放大电路，运放电路不仅可以提高信号的输出电压，而且还可以抑制零点漂移，但是使用运放电路会大大增加电路的体积和成本；而采用晶体三极管组成的放大电路来放大驻极体话筒产生的电信号，不仅简化了声控电路的结构设计，而且对声音信号的控制作用也

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更荣易实现，因此本文使用由三极管组成的放大电路来实现对微弱信号的放大。由于电路的设计对元器件的要求较高，因此电路设计中所用到的元器件特别是半导体器件必须要保证较高的灵敏度，各元器件的性能参数也要精确稳定，只有这样电路才能高效工作，正常发挥电路应有的功能。

声控电路如图4所示,由Q1、R1 、R2 、R3 、C2 、MIC组成。其中MIC为驻极体话筒,它把采集到的声音信号转化为电信号,经电容C2耦合至三极管Q1的基极，然后通过与门电路与光敏电阻转化来的电信号一起送入后续电路。外界有声音信号时,如果环境的声音信号很弱,三极管Q1仍处于饱和状态,集电极输出为低电平；当外界声音信号达到一定强度时,驻极体话筒将转化来的电信号经C2耦合到Q1的基极,三极管由饱和进入放大状态,集电极电位随着声音信号的强弱而高低变化,当声音信号达到一定强度时,其集电极由低电平转变成高电平，声控电路导通，并将信号传递至开关电路，控制灯的亮或灭。

图4 声控电路 图5 光控电路

3.2.3光控电路

光控电路一般可由光电传感器和电子元器件构成，电路有很多设计方案，由于光控电路对电路元器件本身有很高的要求，设计电路时必须充分考虑各个方案的经济性、稳定性以及每个元器件的各项性能等问题。光控电路控制功能实现的核心是光电传感器，因此选择光电传感器时必须选择可靠、稳定、灵敏度高的光电传感器，

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以保证电路各项参数的可靠、精确和稳定，正常发挥电路应有的功能和作用，为此在设计光控电路时，不仅要尽量简化电路结构、降低成本，而且要使电路功能能够长期稳定可靠。光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号，此处可以选用光敏电阻作为光信号采集元件，光敏电阻是采用半导体材料制做，利用内光电效应工作的光电元件，用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物和碲化物等半导体，通常采用涂敷、喷涂等方法在绝缘衬底上制做很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，然后接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度，半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少，当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子—空穴对的出现使电阻率变小，光照愈强，光生电子—空穴对就越多，阻值就愈低，当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照强度增大而增大，入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流逐渐减小。在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光照强度的增加而变大，从而实现光电转换，光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。利用光敏电阻的阻值随光照强度变化的特点，将光敏电阻与电阻等元器件一起构成光电压采样控制电路，光信号的强弱由光敏电阻转化成电信号的强弱，然后与声控电路采集到的电信号一起送到延时开关电路，只要转化来的电信号强度能够达到一定程度就能触发开关电路，使其导通或截止，从而达到光信号自动控制声控信号的目的。

光控电路如图5所示，由R4和RG组成，设计所用的光敏电阻亮电阻为20K-30K,暗电阻约为10M，在光敏电阻上串接的电阻R4的阻值应该大于30K,小于10M，具体阻值在调试时依据对光信号感应灵敏度而定。电路的工作原理是：光信号的强弱经光敏电阻RG转换为高、低电平后送入集成电路CD4011的1脚，由降压滤波电路知，光敏电阻RG和R4的总电压U为12V,白天光线照射到光敏电阻RG上时，其阻值变得很小，约为20K,则光敏电阻两端的电压U1为：

U1?U?RG/(R4?RG)?12V?20/(180?20)?1.2V

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根据CD4011的参数即第13页的表1可得，CD4011的1脚为低电平，则3脚被

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锁定为高电平，与2脚的输入高低电平无关，此时声音信号通道电路被封锁，使声音信号不能通过，即灯泡亮灭不受声音信号的控制，这时，门U1A的3脚输出的高电平经过门U2B、U3C、U4D三次反相后变成低电平，可控硅D7无触发信号不导通，灯不亮。晚上或光线较暗时，RG因没有光线照射电阻比较大，约为10M，则光敏电阻两端的电压U2为：

U2?U?RG/(R3?RG)?12V?10000000/(180?20)?12V

则与非门U1A的输入端1脚变成高电平，门U1A的3脚输出状态受2脚输入电平的控制，为声音通道的开通创造了条件，当有声音信号时，可控硅就会导通，灯亮。 3.2.4延时电路

延时电路如图6所示,由二极管D1，电阻R6和电容C3组成。夜晚或光线较暗且有声音信号时，声控电路和光控电路转化来的电信号经三极管放大以及CD4011与非门反相后输出高电平送入延时电路，经反相后输出低电平，然后送入开关电路使与非门U4D输出高电平，通过R5触发可控硅D7导通，灯亮；声音信号消失后，前级声控电路和光控电路转化来的电信号经三极管放大以及CD4011与非门反相后输出低电平送入延时电路，因D1的阻断作用，电容C3只能通过R5缓慢放电，经过大约1分钟后下降到与非门U3C的阈值电压以下，经反相后输出高电平，然后送入开关电路使与非门U4D输出低电平，可控硅自动关断，灯熄灭。延时时间理论值为：

t?2??RC?2??10uF?1M?62.8s

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图6 延时电路 图7 开关电路

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3.2.5开关电路

开关电路如图7所示，由集成电路CD4011、电阻R5和可控硅D7组成，可控硅的作用就是控制开关的通断。整个电子开关的核心器件是集成电路CD4011，其内部结构如图8所示，它是一个四-二输入与非门集成电路，其中1、2脚和3脚分别为与非门1的输入和输出端；5、6和4脚分别为与非门2的输入与输出端；8、9脚和10脚分别为与非门3的输入和输出端；12、13脚和11脚分别为与非门4的输入和输出端；7脚接地；14脚接电源。在该电路中与非门1和与非门2组成声音信号和光信号与逻辑电路；与非门3、与非门4和电阻R7组成可控硅触发电路。

设计中开关电路采用单向可控硅MCR100-6，其导通条件：一是可控硅阳极与阴极间必须加正向电压，二是控制极也要加正向电压，以上两个条件必须同时具备，可控硅才会处于导通状态，另外，可控硅一旦导通，即使降低控制极电压或去掉控制极电压，可控硅仍然导通，起到开关的开通作用，从而控制灯点亮。可控硅关断条件：降低或去掉加在可控硅阳极至阴极之间的正向电压，使阳极电流小于最小维持电流以下，开关电路就是通过控制可控硅的导通与断开来控制灯泡的亮和灭的。白天或光线较亮时，光敏电阻RG的阻值较小，可控硅控制极输入端的电位很低，控制极得不到触发电压，可控硅不导通，灯不亮；晚上或光线较暗时，光敏电阻RG的阻值较大，然后与由MIC送来的声音电信号一起送入延时开关电路，使可控硅控制极输入端得到高电平,可控硅导通，灯亮

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图8 CD4011的内部结构

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