声控节日彩灯课程设计说明书

设计背景

本次设计是以实践性为课题，起到巩固所学知识，加强综合能力，培养电路设计能力，提高实验技术，启发创新思想的效果。

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。 1.1 声控电路的原理

声控电路是指以声响来控制电路开、关的电路。它的特点是不需要设专门的控制发送设备，因此使用灵活,方便,结构简单、成本低。声控电路的接收部分由声电转换、电压放大,开关控制,执行电路和电源供给五部分组成。下面对各部分进行介绍。

声音信号不能直接使电路开或关，必须把信号通过转换元件变为电信号，并加以放大，才能控制电路的开或关，常用的声电转换元件有：压电陶瓷片（压电蜂鸣器），驻极体话筒（驻极体电容传声器）和永磁扬声器。

声—电转换元件把接收到的声信号变为电压信号，但这时的电压信号及其微弱，不能用开关的控制，必须加以放大。常用的放大形式有；复合体管式，晶体管直接耦合式和集成电路式等。

执行电路一般有两种：一种是由晶体管开关电路驱动继电器通过继电器的触点去接通或断开电源电路；另一种是由晶体管开关电路产生的脉冲，触发可控硅的导通或截止。

黄河科技学院课程设计说明书 第 2 页 1.2 声控彩灯的电路设计

电流经LED灯和1~4组成的桥式整流电路给晶体管VT1、VT2、VT3提供直流电源，在无声时，VT1、VT2、VT3处于导通状态，VT3的集电极电压很低，可控硅SCR处于阻断状态，通过LED灯的电流很小，LED灯不亮。当有音乐声时，话筒MK接受音波给出的音频信号，经VT1、VT2、VT3放大，VT3 集电极产生放大的音频信号电压使MCR导通，给LED灯提供交流通路而使灯亮，随着声音的强弱，彩灯频繁闪动。图见附录A。

黄河科技学院课程设计说明书 第 3 页 2 元器件构成及功能分析

2.1 半导体二极管 2.1.1二极管的定义和分类

晶体二极管,简称二极管(diode);它只往一个方向传送电流的电子零件。它是一种具有1个零件号接合的2个端子的器件，具有按照外加电压的方向，使电流流动或不流动的性质。晶体二极管为一个由P型半导体和N型半导体形成的P-N结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于P-N结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。晶体二极管按其组成的材料分可为:锗二极管、硅二极管、砷化嫁二极管 (发光二极管)。而按用途分可为:整流二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、检波二极管、变容二极管等。 2.1.2整流二极管

一种将交流电能转变为直流电能的半导体器件。通常它包含一个PN结，有阳极和阴极两个端子。P区的载流子是空穴,N区的载流子是电子，在P区和N区间形成一定的位垒。外加使P区相对N区为正的电压时，位垒降低，位垒两侧附近产生储存载流子，能通过大电流，具有低的电压降（典型值为0.7V）,称为正向导通状态。若加相反的电压,使位垒增加，可承受高的反向电压，流过很小的反向电流（称反向漏电流），称为反向阻断状态。整流二极管可用半导体锗或硅等材料制造。硅整流二极管的击穿电压高，反向漏电流小，高温性能良好。通常高压大功率整流二极管都用高纯单晶硅制造(掺杂较多时容易反向击穿）。这种器件的结面积较大，能通过较大电流（可达上千安），但工作频率不高，一般在几十千赫以下。整流二极管主要用于各种低频半波整流电路，如需达到全波整流需连成整流桥使用。

选用整流二极管时，主要应考虑其反向峰值电压、最大整流电流、最大反向工作电流、截止频率及反向恢复时间等参数。

黄河科技学院课程设计说明书 第 4 页 2.2 单向可控硅 2.2.1晶闸管(MCR)

晶闸管是半导体闸流管的简称，又名可控硅整流元件(MCR)。它既有单向导电的整流作用，又有可控的开关作用，是一种新型的可控整流元件。在性能上，晶闸管不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件更为可贵的可控性，它只有导通和关断两种状态。

晶闸管的优点很多,例如：以小功率控制大功率,功率放大倍数高达几十万倍；反应极快,在微秒级内开通、关断；无触点运行,无火花、无噪声；效率高,成本低等。因此,特别是在大功率UPS供电系统中，晶闸管在整流电路、静态旁路开关、无触点输出开关等电路中得到广泛的应用。

晶闸管的弱点:静态及动态的过载能力较差,容易受干扰而误导通。 2.2.2 普通晶闸管的结构和工作原理 1、 结构

晶闸管是PNPN四层三端器件,共有三个PN结。分析原理时,可以把它看作是由一个PNP管和一个NPN管所组成,其等效图解如图1(a)所示,图1(b)为晶闸管的电路符号。 2、 晶闸管的工作条件

由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化.

(1)晶闸管承受反向阳极电压时,无论门极承受何种电压,晶闸管都处于关断状态。

(2)晶闸管承受正向阳极电压时,仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。

(3)晶闸管在导通情况下,只要有一定的正向阳极电压,无论门极电压如何,晶闸管保持导通,即晶闸管导通后,门极失去作用。

(4)晶闸管在导通情况下,当主回路电压（或电流）减小到接近于零时,晶闸管关断。

黄河科技学院课程设计说明书 第 5 页 4、 晶闸管的工作过程

晶闸管是四层三端器件，它有J1、J2、J3三个PN结，可以把它中间的NP分成两部分，构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管。

当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导通，必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。因此是两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门极电流Ig流入时，就会形成强烈的正反馈，造成两晶体管饱和导通。

设PNP管和NPN管的集电极电流分别为电流放大系数相应为

a1IC1/IaIC1和

IC2,发射极电流相应为Ia和Ik,

ICO和

a2IC2/Ik，设流过J2结的反相漏电流为，

晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和：

Ia=IC1+IC2+ICO=a1Ia+a2Ik+ICO

若门极电流为Ig，则晶闸管阴极电流为：Ik=Ia+Ig。 因此，可以得出晶闸管阳极电流为：

Ia=ICOa2Ig1(a1a2)

aa2硅PNP管和硅NPN管相对应的电流放大系数1和随其发射极电流的改变

而急剧变化。当晶闸管承受正向阳极电压，而门极未接受电压的情况下，由式(3.2)中Ig=0，

(a1a2)很小，故晶闸管的阳极电流

IaICO，晶闸管处于正向阻断状

态；当晶闸管在正向门极电压下，从门极G流入电流Ig，由于足够大的Ig流经NPN管的发射结，从而提高放大系数2，产生足够大的集电极电流

aaIC2流过PNP

IC1管的发射结，并提高了PNP管的电流放大系数1，产生更大的集电极电流经NPN管的发射结，这样强烈的正反馈过程迅速进行。

当

a1流

和

a2随发射极电流增加而使得

(a1a2)1时，由式(3.2)中的分母

1(a1a2)0，因此提高了晶闸管的阳极电流Ia。这时，流过晶闸管的电流完

全由主回路的电压和回路电阻决定，晶闸管已处于正向导通状态。晶闸管导通后，

黄河科技学院课程设计说明书 第 6 页 由式(3.2)中1(a1a2)0,即使此时门极电流Ig=0,晶闸管仍能保持原来的阳极电流Ia而继续导通，门极已失去作用。在晶闸管导通后，如果不断地减小电源电压或增大回路电阻，使阳极电流Ia减小到维持电流IH以下时，由于a1和a2迅速下降,晶闸管恢复到阻断状态。

黄河科技学院课程设计说明书 第 7 页 3 制作PCB

如果PROTEL元件库中有所需要的元件，则直接找出放在原理图中即可。若没有所需要的元件，则需要建立一个新的原理元件库(Sch.lib)。过程：在原有的元件库中找出跟所需元件管脚数目相同(或差不多)的元件1，先将元件1放置到原理图编辑区(即Schdoc文件)，单击该元件，执行菜单命令Edit|Copy，此时光标变成十字光标，将光标移到元件上，单击鼠标确定一个基准点。然后切换到所需编辑的Sch.lib文件，在该文件中新创建一个器件(快捷键 creat component)并修改名字。在该环境右下角点击SCH Lib，将鼠标光标移动到空元件名上，单击鼠标右键，在弹出额快捷菜单中执行Paste命令，将该元件1粘贴到新建的元件库中。而后修改引脚属性。然后执行菜单命令Report|Component Rule Check，进行规测检查。

新建原理图文件，加载元件库(包括加载自己创建的元件库)，置元件，原理图布线 projects，先设置编译错误报告选项输出网络报表。

可以利用利用一个相同(或相似)封装的元件，对其进行简单的属性修改得到所需要的元件封装。具体操作过程也就是元件封装从pcbdoc到PCBlib复制然后修改的过程。

元件封装修改完毕后,要执行Edit/Set Preference/pin 1设置封装参考点在第一引脚。然后还要执行Report/Component Rule check 设置齐全要检查的规则，并点OK。至此，封装建立完毕。

首先新建一个PCB文件，在封装lib都已经加载的情况下，导入网络表。 元件自动布局，在进行该步之前，要先设定PCB的大小，规划一下电路板的大小和形状。点击下边选中keep-out layer，然后在place菜单中，选中画线，然后在黑色底板上画一个矩形就行，大小以能摆下所有元器件为主。(注意：此时的画线为粉色！这说明是在keep-out layer在规划电路板尺寸)

然后自动布局，布线就可以顺利进行了。执行Tools/Auto Placement/Auto Placer,进行自动元件布局。手工调整元件布局。

先选择布线规则，然后进行自动布线，然后进行手工布线调整，最后，覆铜(放置填充区)、包地、补泪滴。最后进行DRC检查。至此，完成了本次设计的PCB图，见附录B。材料清单见附录C。

黄河科技学院课程设计说明书 第 8 页 4 电路板的焊接与调试

4.1 元器件焊接

（1）准备施焊 首先把被焊件、锡丝和烙铁准备好，处于随时可焊的状态。即右手拿烙铁，左手拿锡丝处于随时可施焊装态。

（2）加热焊件 把烙铁头放在接线端子和引线上经行加热。

（3）送入焊丝 被焊件经加热达到一定温度后，立即将手中锡丝触到被焊件上使之融化适量的焊料，注意焊锡应加到被焊件上与烙铁头对称的一侧，而不是直接 加到烙铁头上。

（4）移开焊丝 当锡丝熔化一定量后（焊料不能太多），迅速移开锡丝。 （5）移开烙铁 当焊料的扩散范围达到要求，即焊锡浸润焊盘或焊件施焊部位 后移开电烙铁，撤离烙铁的方向和速度的快慢与焊接质量密切有关，操作时应特别留心仔细体会。

注意事项：焊接的时候将烙铁放在自己的面前空位处，切勿将同学或自己误伤。当烫伤时，应注意要先用冷水冲洗，然后涂上牙膏或用酒精持续擦拭。电烙铁不使用时，应该及时的拔下插头，然后放于空旷处冷却后再收起来。

黄河科技学院课程设计说明书 第 9 页 4.2 系统的调试

本次调试过程中出现了大大小小各种问题，如我的焊件间的间隙过短，有元器件的虚焊，元件焊接后的线路连接不牢固等。此次的系统调试暴漏出我的动手能力放大的音频信号 首先，根据电路图的对照检查电路板的元器件的连接是否正确、是否漏接、是否错接等问题。利用万用表电阻档检查元件是否焊接良好，三极管、二极管极性是否正确，接线处是否短路等影响电路板正常运行的因素。

然后，将万用表调到电压档经行通电测试，观察元件是否正常。如不正常测量各元件两端的电压，重点测量各关键点的电压，如静态工作点，放大电路输出、输入端直流电压等。如调解不正常，换接元件。

我的电路刚接上时，彩灯不亮，经检查是一个彩灯坏了，拆下后电路正常，彩灯微亮，经声音的刺激后彩灯正常发光；但是工作一会后，灯熄灭了，经检查是焊接点的虚焊，进行处理后电路板正常，达到了实验的目的。

经过调试发现，话筒给出音频信号，经过放大，VT3集电极产生放大的音频信号电压使MCR导通，彩灯发光。调节R4大小可控制彩灯闪烁时需要的音频强度，即改变彩灯点亮的灵敏度。

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5 结语

通过本次的课程设计，加深了对模电知识的理解，增强了动手能力。设计过程中，装配元件需要细心，电路板排版设计也要细心琢磨。所有的这一切培养了做学问的严谨态度和科学精神；本次设计为以后的学习甚至工作积累经验。

在这次的焊接过程中，我明白了勤动手的真谛，眼高手低造成了焊接上的各种问题：虚焊，焊接短路等。我也认识到了电子技术基础知识的理论基础对电路板的顺利完成是多么重要。针对我的不足，在以后的学习中，努力学习专业知识，查漏补缺，在以后的学习中多查阅学习资料，丰富自己的理论知识。

本次的课程设计虽短短一个星期的时间，但是让我感到理论与实践结合的重要性，同学们的合作使我们更完善的完成了课程设计。我在刚开始的过程中感觉焊接很简单，但是想焊好还是需要一定的基本功来做基础。焊接点的虚焊以及焊锡的多少掌握不是很好，经过一次次的锻炼，现在的水平比刚开始要好很多。在电路板完成调试时，我按照电路图一步一步的对照，把问题缩小到各个元件，然后经过一系列的调整，终于完成了课程设计。经过自己的一天天的劳动，我觉得理论实践结合需要自己的细心操作，结合实际分析问题，然后才能把问题更好的解决，把任务更完善的完成。

通过对该题目的设计，我对设计电路的思想方法有了新的认识。在设计过程中所遇到的难题，凭借自己的能力都能加以解决，感觉自己真的学到了很多东西，不仅仅是在知识层面上，更重要的是思想上的认识。我想，不仅仅是做课程设计，做其他的事也一样，只要在思想上有全面的认识，细节上加以足够重视，遇到困难能够耐心地去分析解决，那么就没有什么事情做不好。在设计过程中，通过查阅资料，阅读文献，我学到了很多切实有用的分析方法和技巧，这对于我以后的学习有很大的帮助。这更使我认识到，学习学的是方法，设计学的是思想。因此，要多总结别人的方法，来形成自己的思想，这样学到的东西才实实在在。

黄河科技学院课程设计说明书 第 11 页

参考文献

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附录A：声控节日彩灯电路原理图

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附录B 声控节日彩灯电路原理图

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附录C：材料清单表 序号 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11~16 名称 电容 电容 电容 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 LED 符号 C1 C2 C3 R1 R2 R3 R4 R5 R6 D1~6 规格 1uF 47uF 220uF 10KΩ 47KΩ 10KΩ 100KΩ 1Ω 51KΩ 管压降 1.5~3.0V 工作电流 10~20mA 17 IN4004 D0 最大整流电流 1A 反向耐压 400V 18~22 IN4007 1~4 最大整流电流 1A 反向耐压 1000V 22~23 9013 VT1~2 20V 625mA 500mW低频管 放大倍数 40-110 24 9012 VT3 20V 500mA 600mW低频管 放大倍数30-90 25 26 4148 MCR100-6 4148 MCR 7V稳压管 电流 0.8A 耐压 400V 触发电流 10~30mA 27

麦克风 MK 电阻 940Ω Mk-1 SOT-23 SOT-23 SOT-23 SOT-23 DO-41 DO-41 封装 RB.1/.2 RB.1/.2 RB.1/.2 AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 RB.1/.2