[调研报告]研究性学习——声控灯的研究与应用

研究性学习
声控灯的研究与应用
通过了本次研究与学习让我们了解到声控灯的原理,提高了我们调查,收集,处理信息的能力, 以及互相合
作学习、协调的能力
前言
科技的进步使灯的样式、种类以及对灯的控制方式千变万化，随着社会的发展，资源的大量开采，能源在逐渐的减少，所以我们要建立起节约能源的意识，电能的节约首当其冲，而电灯的使用最为普遍，所以设计一种自动控制开关的电路时非常必要的，声控开关就是其中一种。

声控电路已成为人们日常生活中不可缺少的必须品，它不需要开关，当有人经过时会自动亮：广泛用于走廊、楼道招待所灯公共场所，给人们的生活带来极大的方便。

因此，得到了广泛的应用。

声控电路是声音和光控制电路工作的电子开关。

它将声音（如跺脚）和光转化为信号，经放大、整形，输出一个开光信号去控制各种电器的工作，在自动控制工业电器和家用电器方面有着广泛的用途。

由于本电路用与人们的日常生活中，所以，起到很大的作用。

该电路在设计师应用了仿真软件，来进行仿真然后才确定下来的，虽然用的仅仅是EWB软件，但是在论文中也是比较有特色的，能够使人们在不知不觉中感受到方便。

公共场所和居民居住区的公共楼道普遍使用机械手动开关，由于各种原因往往出现许多灯泡点亮长明的现象，故使灯泡寿命减短，浪费电量，为国家、单位、个人造成经济损失。

另外，由于频繁开关或其他人为因素，墙壁开关损坏率很高，既增大了维修量、浪费了资金，又容易造成事故隐患。

因此，设计研制一种电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便的声控走廊灯节能自动开关显得相当有必要。

使公共场所和居民居住区的公共楼道灯在白天时不亮，晚上闻声自亮，待人走后，几十秒后自动关闭，既方便，又省电。

声控灯在光线充足时，任你发出多大的声音都不亮；但在黑夜，轻轻一声它就发出了亮光，这是声控灯含光控电路，以防止其在光线足够的时候不工作，所以声控灯的控制盒是声、光同时控制的，在光亮度达到的情况下，灯不会亮。

你可以做一个小实验，你可以用手遮挡声控开关的光控元件然后发出声音，灯就会亮了。

声控走廊灯白天呈关闭状态，夜晚听到声响时自动发光，具有节能的优点，因此我们选择了这个课题。

目录
开题报告 (1)
活动方案与安排 (2)
活动记录 (3)
文献收集报告 (4)
实验研究报告 (5)
数据处理 (6)
声光控灯原理 (8)
结题报告 (10)
开题报告
重庆市青木关中学2012 年12 月25 日课题名称楼道声控灯的研究与应用
指导老师甘永红张华静刘开华课题组长李柯
开结题时间2011年11月15日至
2011年12月27日止
执笔凌潭维
课题组成员李杨凌潭维刘星付世林冉于智黄强杨顺李柯叶安杰赵小娟杨梦雪唐影刘春波彭璐邓亚男张红
课题的提出在学校、机关、厂矿企业等单位的公共场所以及居民区的公共楼道，长明灯现象十分普遍，这造成了能源的极大浪费。

另外，由于频繁开关或者人为因素，墙壁开关的损坏率很高，增大了维修量、浪费了大量的资金。

课题研究的目的通过本次研究可以让我们了解到声控灯的原理,以及它对我们生活的影响.通过参与相关的活动,可以提高我们调查,收集,处理信息的能力,以及互相合作学习、协调的能力。

课题研究的目标1对文献进行研究并学习，总结出相关的电子技术的理论知识；2通过实验探究普通电子元件及其工作原理；3通过对资料的分析了解集成电路CD4011的工作特性；4 通过实验探究共基极接法的特点及延时电路的特点；5对声控电路进行仿真测试，完成声控灯的制作。

课题的内容1对电子技术类文献进行分析，找出与本次课题研究有关的资料，最后进行资料的汇总，之后进行学习（由于我们现在已经知道基本的电子知识）2对基本元件的研究：①三极管的基极电流对集电极的影响与其放大倍数的关系；②IN4001二极管的伏安特性的实验研究并完成实验报告；③驻极体话筒的研究（可以采用资料与实验相结合的方法）④光敏电阻在有光照或者是无光照阻值大小的研究；⑤研究可控硅的导通条件，并探究它的特点；3研究基本放大电路（共射极放大电路）的其中的三极管的静态工作点如何确定；4研究声控延时电路的时间t与电路中的电容电阻的关系；5对收集到的试验数据进行汇总分析，对电路进行仿真测试；6根据我们自己的研究，自己动手制作出声控灯吧！
研究方法文献研究法，实验研究法。

可能的问题实验误差；时间
不够。

解决方案多次试验，尽量减小误差；分组研究。

资料来源通过网络以及相关文献资源预期成果研究报告，声控灯样品。

2具体学习活动方案：
活动研
究意义活动研究通过结合相关的问题,利用相关的资源开展学科知识的综合实践与应用,能提高我们的实践能力。

分组文献研究小组；实验研究小组；数据处理小组；电路分析与方案选择小组；模型制作小组。

文献研
究小组负责人：刘春波负责人签名: 成员:赵小娟杨梦雪李杨凌潭维
主要任务：
对电子技术类文献进行分析，找出与本次课题研究有关的资料，最后进行资料的汇总，之后推广到全组进行学习；
收集声控灯电路图。

实验研
究小组负责人：刘星负责人签名: 成员：付世林冉于智杨顺叶安杰主要任务：
设计实验；
购买实验的器材，执行试验并做好实验观察记录；
提交实验报告至数据处理小组。

数据处
理小组负责人：叶安杰负责人签名: 成员:刘春波彭璐邓亚男张红
主要任务：
对实验所得到的数据进行处理分析，并得出结论；
提交实验报告与研究报告至电路分析与方案选择小组。

电路分
析与方案
选择小组负责人：黄强负责人签名: 成员:全体成员
主要任务：
对声控电路进行分析找出它的优点缺点，选择出最佳方案；论证方案的正确性，完成相关的报告。

模型制
作小组负责人：李柯负责人签名: 成员:全体成员主要任务：
根据选择的方案制作出相关的实物模型；
3研究活动计划
分组活动计划安排
文献研究12月12~15日阅读相关的文献,收集整理相关的资料
实验研究1 12月13～16日完成所有基本原件的研究,填写实验报告实验研究2 12月16～17日完成所有基本电路的研究,填写实验报告数据处理12月14～17日处理(即时)所得到的数据,并编写研究报告电路分析12月18～23日对现有的电路进行分析，选出最佳的电路模型制作12月23～24日对选出的电路制作出相关的实物模型总结12月26～27日总结与讨论
研究性学习课题小组活动记录
课题题目楼道声控灯的研究与应用指导老师甘永红张华静刘开华
负责人刘春波课题组名称文献研究小组
地点图书馆记录人李杨
活动内容参见活动方案时间2011年12月日
遇到的问题
负责人刘星课题组名称实验研究小组
地点教室记录人叶安杰
活动内容进行试验:基本元器件实验(实验一)
①极管的基极电流对集电极的影响与其放大倍数的关系；
②IN4001二极管的伏安特性的实验研究并完成实验报告；
③驻极体话筒的研究（可以采用资料与实验相结合的方法）
④光敏电阻在有光照或者是无光照阻值大小的研究；
⑤研究可控硅的导通条件，并探究它的特点；
⑥桥式整流电路的研究
遇到的问题时间2011年12月日负责人刘星课题组名称实验研究小组
地点教室记录人李杨
活动内容进行试验:电路研究(实验二)
研究基本放大电路（共基极放大电路）的其中的三极管的静态工作点如何确定；
研究声控延时电路的时间t与电路中的电容电阻的关系;
遇到的问题时间2011年12月日负责人叶安杰课题组名称数据处理小组
地点教室记录人张红
活动内容参见活动方案时间2011年12月日
遇到的问题
负责人黄强课题组名称电路分析小组
地点教室记录人杨顺
活动内容参见活动方案时间2011年12月日
遇到的问题
负责人李柯课题组名称模型制作小组
地点教室记录人彭璐
活动内容参见活动方案时间2011年12月日
总计活动次数六次制表李柯
一 文献研究
1 CD4011的文献研究报告 结构图:
经分析发现，CD4011为四个与非门逻辑电路
管脚功能： 真值表： 1A 数据输入端 2A 数据输入端 3A 数据输入端 4A 数据输入端 1B 数据输入端 2B 数据输入端 3B 数据输入端 4B 数据输入端 1Y 数据输出端 2Y 数据输出端 3Y 数据输出端 4Y 数据输出端 VDD 电源正 VSS 地 VDD 电压范围：－0.5V to 18Ｖ 功耗：双列普通封装 700mW 小型封装 500mW
工作温度范围：CD4011BM -55℃ - +125℃ CD4011BC -40℃ - +85℃
2 驻极体话筒
原理：通过文献研究发现驻极体话筒由振动膜和金属极板构成的一个容量约为几十皮法的电容器。

在外界声波的作用下，电容的容量会发生改变，由于驻极体话筒上有一定量的永久电荷所以驻极体话筒的电荷量不会发生改变，根据U=Q/C 可得到驻极体两端的电压会随之发生改变。

驻极体话筒是一个可以将声音信号转变为电压变化的基本元器件。

3 其他元件 1 二极管
二极管又称晶体二极管,简称二极管(diode)，它是一种具有单向传导电流的电子器件。

在半导体二极管内部有一个PN 结两个引线端子，这种电子器件按照外加电压的方向，具备单向电流的转导性，加正向电压导通，加反向电压截止； 2 三极管
半导体三极管又称“晶体三极管”或“晶体管”。

在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN 结，组成一个PNP （或NPN ）结构。

中间的N 区（或P 区）叫基区，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分各有一条电极引线，分别叫基极B 、发射极E 和集电极C ，是能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子器件。

3 光敏电阻
光敏电阻又称光导管，它在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。

这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

A B Y 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0
1
4 电容
电容（或电容量， Capacitance）指的是在给定电位差下的电荷储藏量；记为C，国际单位是法拉（F）。

一般来说，电荷在电场中会受力而移动，当导体之间有了介质，则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上；造成电荷的累积储存，最常见的例子就是两片平行金属板。

也是电容器的俗称。

5晶闸管
晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极；晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

6电阻
电阻，因为物质对电流产生的阻碍作用，所以称其该作用下的电阻物质。

电阻将会导致电子流通量的变化，电阻越小，电子流通量越大，反之亦然。

没有电阻或电阻很小的物质称其为电导体，简称导体。

不能形成电流传输的物质称为电绝缘体，简称绝缘体。

二实验报告
一二极管伏安特性
实验器材:电源 IN4001二极管滑动变阻器电压表电流表
设计实验:
1、反向特性测试电路
二极管的反向电阻值很大，采用电流表内接测试电路可以减少测量误差。

测试电路如图1-12，电阻选择1000Ω
2、正向特性测试电路
二极管在正向导道时，呈现的电阻值较小，拟采用电流表外接测试电路。

如图1-13.电源电压在0～12V内调节，变阻器开始设置1000Ω，调节电源电压，以得到所需电流值。

图1-12 图1-13
3、数据记录
见表1-7、1-8
表1-7 反向伏安曲线测试数据表
U(V)
u)
I(A
电阻计算值(KΩ)
表1-8 正向伏安曲线测试数据表
正向伏安曲线测试数
m)
据 I(A
U(V)
电阻直算值(KΩ)
二光敏电阻在有光照或者是无光照阻值大小的研究；
实验器材:多用电表光敏电阻
设计实验
1直接在有光照,或者是无光照的时候测量出光敏电阻的大小.
有光照R 无光照R
20Ω300kΩ
得出结论：
电压对光敏电阻的影响不大但是超过一定的电压光敏电阻将会失去作用，关照越强光敏电阻的电阻越小，反之则越大。

三三极管的基极电流对集电极的影响与其放大倍数的关系
实验器材：三极管电压表电流表电阻箱
设计实验
1将实验器材按照图1.1进行连接选取合适的值得出数据，其中Rb接电阻箱rc为定值,rl也一定。

2 数据记录
Ib -0.001 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
Ic 0.001 0.01 0.56 1.14 1.74 2.33 2.91
Ie 0 0.01 0.57 1.16 1.77 2.37 2.96
得出结论：三极管的基极电流对于集电极电流来说有控制作用。

探究一
桥式整流电路的工作原理如下：
e2为正半周时，对D1、D3和方向电压，D1，D3导通：对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。

电路中构成e2、D1、Rfz、D3电路回路，在Rfz，上形成上正下负的半波整流洗电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通：对D1、D3截止，电路中构成e2、D2Rfz、D4通电回路，同样在Rfz上形成上正下负的另外半波的整流电压。

上述工作状态分别如下图（A）（B）所示。

(a)
(b)
3—1桥式整流电路工作状态图
如此重复下去，结果在Rfz上便得到全波整流电压。

其波形图和全波整流波形图是一样的。

从图5—6中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整流电小。

实验二共射放大电路
一、实验目的：
二、实验仪器
1、模拟电路实验装置 一台
2、数字式（或指针式）万用表 一块 三、实验内容及步骤
（1） 按实验原理图图2-1连接好电路。

（注意：接线前先测定12V 直流电压，关断电源后再接
线）
图2-1
（2） 设置静态工作点
将输入端短路，接通V CC =+12V 直流电源，调整偏置电位器R P1为合适的值，使I CQ =2mA ，测出V BE 、V CE 和R B ，（R B =R P1+R B11）；分别用万用表测I B 、I C 填入下表1中。

表1
测 量 数 据 计 算 数 据
V BE V CE R B I C I B β
（3） 动态研究
①在确定好放大器的静态工作点后，由实验装置的信号源给出一个正弦波信号f=1KHZ,Ui=10mV ，用毫伏表测量输出电压，用示波器观察输出电压的波形，如输出波形不失真，把数据记下，根据公式计算出电压放大倍数AV 。

填入下。

表2
输入电压Ui 输出电压U O A V 放大倍数 10 mv
②在保持Ui=10 mV 不变，放大器分别接入R L ，在改变R C 数值的情况下测量，并填表3。

表3
给定参数 实测数值 实测计算 R L （K Ώ） U i （mv ） U O （v ） A V R O ∞ 10
1 10 5.1
10
延时电路
作用主要是完成保持晶闸持续导通一段时间，维持发光二极管持续发光一段时间，持续时间的长短由延时电容的放电时间来决定，延时电容的放电时间即为照明的持续时间，当充电电容通过电阻放电，从开始放电开始直到放电结束的这一段时间（即由R ，C ）来决定。

由于时间原因实验暂时无法完成但是我们可以经过计算得到T=CR （在完全放电的时候） u o
u i C e
C 2
C 1 R E2
R E1
V CC
R B1 R B12
R B11 R P1
一种声光控灯原理简述
注意：CD4011是美国型号，CC4011是中国型号，内部结构和功能基本一样。

一、CD4011内部结构和工作特性：
4011内部有四个与非门电路组成，具有功耗低、抗扰度强、电源电压范围宽等特点，而且附加输出缓冲器，因此输入输出传输特性得到改善；当负荷增加而引起的传输时间变化被控制在最小限度。

单一的与非门如下图：
A、B输入端，Y输出端。

当A、B都是高电位时，Y是低电位。

当A、B至少有一个为低电位时，Y总是高电位。

真值表如下：
A B Y
1 1 0
1 0 1
0 1 1
0 0 1
二、声控灯工作原理：
（1）电源部分
这是由一个开关控制通断的直流电源，此从略。

电容C1的功能只是为了改善电源的性能，减小电源的内阻，尤其在电池使用较久、电压下降时，C1可以使声控放大电路继续发挥较好的作用。

（2）声控电路
这里我们采用的声控电路不是三极管开关电路，而是三极管放大电路；利用放大电路的一个功能——简单一点讲，就是：当三极管基极电流变大时，集电极电流会有成百上千倍的增大（电流放大作用），同时使集电极电压下降。

电路中R1是三极管的偏流电阻，阻值2M（兆欧）。

三极管的C集连接可变电阻W，调节这个电阻使C极的起始电压处在比与非门电路1A输入阀值（高低电平分界）略高一点的电位。

1A的初始
8 压电陶瓷片是作为声音的传感器使用，当外界有一定声响，它输出电压给三极管的B、E极，产生Ib，如上所述它的C极电位下降，与非门1A输出端变为高电位；声响消失，1A的输出端又回复到低电位。

（3）4011内部几个与非门电路的工作过程
1A的1脚（以下简称1A1）始终是高电位，1A2的电位受三极管9014集电极的控制，当外界有一定强度声响，压电陶瓷片在此作为声音传感器，即把声响传到三极管9014，使9014的集电极电压发生变化（电位下降），它和1A2连接，使1A2的电位也下降而且低于阀值使之处于低电位，于是1A的输出端Y变为高电位；暂时忽略光敏电阻LR的作用，假设2A6处于高电位，那么2A的输出端Y处于低电位，于是电源通过电阻R4和二极管4148形成电流回路，由于二极管的箝位作用，使二极管的正极一端也处于低电位（只比负极端高出0.7V）也就是把3A8、3A9、4A12、4A13（它们都并联）全部拉到低电位，而3A、4A的输出端都变为高电位，它们输出的电流把发光二极管LE点亮。

（4）延时电路
但C2下端的低电位是不能持久的，因为它并联着电阻R4， R4的上端连接电源正极，把下端的低电位慢慢拉高，当电位达到和超过阀值，3A、4A翻转——输出端变为的低电位，于是LE熄灭，这就是延时功能；如果没有电容C2（47uF），那么下端的低电位可以很快上升，电容使上升的过程变慢，这就是电路的延时功能。

（5）光控电路
再看光敏电阻LR的作用：当环境有一定亮度时，LR阻值很小，所以2A6处于低电位，不论2A5是什么电位，2A的输出总是高电位，二极管4148因为电压反偏而截止， C2和R4下端始终处于高电位，也就是使3A、4A的四个并联输入端都处于高电位，它们的输出端处于低电位，所以电路在亮环境下不论出现多大强度音响LE都不会发光。

自主设计
9
标题
重庆青木关中学
[摘要]
[关键词]
一、问题的提出（研究背景）：
在学校、机关、厂矿企业等单位的公共场所以及居民区的公共楼道，长明灯现象十分普遍，这造成了能源的极大浪费。

另外，由于频繁开关或者人为因素，墙壁开关的损坏率很高，增大了维修量、浪费了大量的资金。

二、研究的目的：
通过本次研究可以让我们了解到声控灯的原理,以及它对我们生活的影响.通过参与相关的活动,可以提高我们调查,收集,处理信息的能力,以及互相合作学习、协调的能力。

三、研究的方法：
文献研究法，实验研究法。

四、课题组成员:
李杨凌潭维刘星付世林冉于智黄强杨顺李柯叶安杰赵小娟杨梦雪唐影刘春
波彭璐邓亚男张红
五、研究过程与方法以及时间安排
详见第三页
六、调查结论与建议（附学生写的小论文）
参见其他页
八、收获和体会
通过这次的课题研究，我在选题、查阅资料、分析原理、组装焊接、调试及故障处理以及毕业设计任务书写等方面，得到了系统的锻炼。

我对电子产品的开发持有浓厚的兴趣，通过这次毕业设计也使我学到了很多电路知识、电脑知识以及相关软件的知识。

九、参考文献
《实验电子技术》李振声人民邮电出版社
《模拟电子技术》胡宴如高等教育出版社
《传感器应用技术》王之芳冶金工业出版社。