数字电路课程设计楼道声光控制灯系统设计

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Q L L L L
Q H H H H
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图 2-3 表 2-3
74122 引脚排列图 其他电路元件
元件名称 光敏电阻 驻极体话筒 发光 LED 电容 电阻
类别及数量 阻值与光强成反比（1 个） 声音信号输入（1 个） 发光二极管（1 个） 10uf（2 个） 47uf（1 个） 4.7k （4 个） 150k （2 个） 330 （1 个） 10k（1 个） 1k（2 个）
参考文献................................................................................................17 附录..........................................................................................................1
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图 2-2
NE555 内部结构及引脚排列 表 2-1 NE555 功能表
R
UTH
×
2 VCC 3 2 VCC 3 2 VCC 3
U TR
u0
T 的状态 导通 导通 不变 截止
0 1 1 1
×
1 VCC 3 1 VCC 3 1 VCC 3
0 0 保持 1
R
d
表
表 2-2 74LS122 功能表
L H H H H H H H A1 A H H L L L L H H L L
2
B1 L H H H H H H H
B L H H H H H H H
图 3-1
声控放大电路
（2） 用 LM358 接成电压跟随器，光控电路原理图：
图 3-2
光控电路
（3） 将 NE555 的 6 脚和 2 脚相连作为信号输入端即可构成施密特触发 器。 施密特触发器可对输入波形进行变换和整形， 最重要的特点是能够把变化 缓慢的输入信号整形成边沿陡峭的矩形脉冲， 它的电压传输特性是一条具有滞
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大器、直流增益 模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单 电源供的使用运算放大器的场合。 LM358 是 2 输入-二运算放大器集成电路，其内部电路及管脚排布如下：
图 2-1
LM358 内部电路及管脚排布
（2） 555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。 555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V~16V 工作，7555 可在 3~18V 工作，输 出驱动电流约为 200mA， 因而其输出可与 TTL、 CMOS 或者模拟电平兼容。 555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡 器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。 NE555 是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路于小规模集成电路， 在很多电子产品中都有应用。NE555 的作用是用内部的定时器来构成时基电 路，给其他的电路提供时序脉冲。 NE555 内部结构、引脚排列及功能表如下列图所示：
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回特性的曲线， 即触发器输出由低电平变为高电平和由高电平变为低电平所对 应的阈值电压是不同的。其内部电路和波形如下图所示：
V CC V CC 8 RD 4 7 V CC2 R
vI
2 V 3 CC 1 V 3 CC
vIC vI1 vI vI2
5 6 2
vO2 vO1
1 Rf / R1
2.2 方案设计要求
本次课程设计的题目是楼道声光控制灯设计，要求是在夜间（黑罩模拟） 有声音信号时。使灯（用 LED 发光管模拟）点亮：无声时延迟 5 秒后熄灭，声 音间隔小于 5 秒则 LED 持续点亮，白天有声无声均不点亮。
2.3 方案的设计与论证
方案论证：利用声控，光控电路将声音信号，光信号转化为电信号，其中 的运放 LM358 将信号放大， 用 555 构成的施密特触发器对波形整形， 使输出为 方波，用 74122 单稳态触发器控制延时时间，接 LED 发光二极管，从而实现整 个电路的设计。
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1. 绪 论
1.1 楼道声光控制
随着社会的发展， 国家“十一五”规划把节能和环保作为两个主题， 而且 国家节能中长期专项规划明确提出照明用电占全国用电量的 13%， 可见照明节 能显得非常重要。 这就要求更加节能和环保的声、 光双控延时开光照明灯的出 现，以满足人们对高质量生活的需求。 本课题研究的内容是楼道照明灯控制电路设计。 通过对声光延时控制电路 的电路组成、电路原理、单元电路设计、电路调试与选择以及数据与分析等几 方面的研究， 实现了声光延时楼道照明灯在白天不工作， 而夜晚收到突发声响 信号时自动开灯， 并延时 5s 后自动熄灭的控制要求。 减小了无效电能的损耗， 达到了节能的效果。
2.4 声光控制灯设计所需要的器件
这次课程设计主要用了 74122、LM358 和 NE555 三个集成器件，发光二极 管， 光敏电阻， 驻极体话筒以及一些基本电路元器件。 下面介绍一下主要元件： （1） LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放 大器， 适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式， 在推荐的工 作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放
（3） 74122是可重复单稳态触发器，它的功能表见表1-4-1， R d 是直接 清“0”端， A1、A2 和B1、B2 是触发输入端，其中 A1、A2 是低电平信号触发端，
B1和B 2 是高电平信号触发端， Q和Q 是输出端，Rint和Cint是外接定时电阻和
定时电容的接入端。 当 Rd =0 时，单稳态触发器清零，Q=0。功能表中的符号↑和↓表示触发 信号的触发边沿， A1、A2 和B1、B2 都可以做触发输入端使用， R d 除了做清零端 使用外，也可以做触发端使用，见功能表的最后二行。功能表中的符号 示单稳工作状态。 74122 是一个 TTL 可再触发单稳态多谐振荡器集成电路， 它的引脚排布如 下：
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换为电的变化） 。通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。 当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导 电，使电路中电流增强。
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3. 声光控制灯设计原理
3.1 声光控制灯的电路原理
（1） 用 LM358 接成的声控放大电路原理图：
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2. 系统方案认证
2.1 设计目的
（1） 了解声光控照明灯工作原理。 （2） 能够利用仿真软件对所设计的声光控照明电路进行仿真。 （3） 掌握基本元件的使用。其中宝库光敏电阻，驻极体话筒，运算放 大器，LM358，NE555 定时器构成的施密特触发器及 74LS122 单稳态触发器.
t
555 3 1
wenku.baidu.com
vO1
t (a)电路图 (b)波形图
图 3-3 555 构成的施密特触发器
（4） 用 74122 为 可 重 复 单 稳 态 触 发 器 ， 根 据 其 输 出 脉 冲 宽 度
t w Rext C ext ln 2
实现延时 5s。
图 3-4
74LS122 构成的单稳态触发器
（5） 总的电路的设计是将声控放大电路、 光控电路、 555 构成的施密特 触发器和 74122 构成的单稳态触发器组合起来，这样即可以实现声控、光控、 波形整形和延时的功能。原理图见附录。
电子技术课程设计论文
——楼道声光控制灯系统设计
院系： 电气工程学院 专业： 自动化 班级： 0942 姓名： 学号： 37 指导教师：
2011 年 12 月 6 日
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目录
1. 绪 论 1.1 楼道声光控制........................................................................... 1 2. 系统方案认证 2.1 设计目的.....................................................................................2 2.2 方案设计要求............................................................................ 2 2.3 方案的设计与论证.................................................................... 2 2.4 声光控制灯设计所需要的器件................................................ 2 3. 声光控制灯设计原理 3.1 声光控制灯的电路原理......................................................... 7 3.2 电路工作原理及参数计算..................................................... 9 4. 硬件制作过程和调试 4.1 手工焊接................................................................................11 4.2、电路的安装与调试............................................................... 13 5. 总结与展望 致 谢..............................................................................................16
（4） 发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS） 、磷（P）的化合物 制成的二极管， 当电子与空穴复合时能辐射出可见光， 因而可以用来制成发光 二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二 极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。 它是半导体二极管的一种， 可以把电能转化成光能， 发光二极管与普通二 极管一样是由一个 PN 结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向 电压后，从 P 区注入到 N 区的空穴和由 N 区注入到 P 区的电子，在 PN 结附近 数微米内分别与 N 区的电子和 P 区的空穴复合， 产生自发辐射的荧光。 不同的 半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。 当电子和空穴复合时释放出的 能量多少不同， 释放出的能量越多， 则发出的光的波长越短。 常用的是发红光、 绿光或黄光的二极管。 （5） 驻极体话筒：驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、 价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。属于最常用 的电容话筒。 由于输入和输出阻抗很高， 所以要在这种话筒外壳内设置一个场 效应管作为阻抗转换器，为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。 （6） 光敏电阻器又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种 电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器。入射光强，电阻减小，入射光弱，电 阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转
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3.2 电路工作原理及参数计算
应用 LM358 集成电路的 5 脚和 6 脚作为输入， 7 脚作为输出接成声控放大 电路，2 脚和 3 脚作为输入，1 脚作为输出接成光控电路。将 NE555 电路 2 引 脚和 6 引脚连在一起使其具有施密特触发器功能，后一并与接成放大电路的 LM358 集成块 7 引脚相连， NE555 电路控制端 4 引脚与接成放大器电路的 LM358 集成块 1 引脚相连。分别将 74122 可重复触发单稳态触发器的 1、2 引脚，3、 4 引脚相连，将 1、2 引脚与 NE555 电路输出端相连，3、4 引脚与电源高电平 相连，6 脚接发光二极管和电阻。 电路的延时功能体现在单稳态触发器的波形整理功能及连接在其 11 和 13 引脚的电容与电阻的适当组合上， 本次课程设计使用的是低功耗实验电路所以 选择 150K 欧及 47uF 电容串联方式，经计算其延时时间约为 5 秒。 当光线充足时，光敏电阻阻值很小，LM358 的 3 脚分压小，电压比较器输 出 1 脚为低电平。NE555 电路 4 引脚为低电平有效，此时不管 2 脚和 6 脚输入 为高或低，OUT 输出端直接复位为 0。74122 的 1 脚和 2 脚也为低，其 Q 端输 出也为低，Q’端为高电平，发光二极管负端为高，灯不会亮。 当光线不充足时，光敏电阻阻值很大，LM358 的 3 脚分压大，故电压比较 器反相输入，输出为高电平，NE555 的直接复位端 4 脚无效。这时若有声音信 号通过驻极体话筒输入， 通过电容滤波后输入 LM358 声控放大电路， 经放大后 输入 NE555 的 2 脚和 6 脚，正弦波形被施密特变换为反相矩形波。NE555 的 2 1 脚和 6 脚输入大于 Vcc 的电压，3 脚输出 OUT 由低变为高，74122 的 1 脚和 2 2 脚接收到一个上升沿脉冲，输入到 74122 单稳态触发器后再次经波形变换，Q 端产生一个上升沿脉冲。由于 LED 接入 74122 的 Q’引脚，故其在 Q’引脚是 一个下降沿脉冲，此时发光二极管负端为低，灯会亮，亮时延迟时间为脉冲宽 度 t w 5s 。声音信号消失，Q 端上升沿维持 5s 后灯会自动熄灭。 74122 为可重复触发单稳态触发器，其主要特点就是可重复触发性，它能 使计时装置重新计时， 以达到延长灯亮时间的目的。 只要是在无光有声的情况 下给声音信号，灯就会亮。