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1、河北联合大学轻工学院QINGGONG COLLEGE, HEBEI UNITED UNIVERSITY专业英语设计论文设计（论文）题目：新型声控灯的设计与制作学生姓名：学 号：专业班级：13电气2班学部：信息科学与技术2015年6月23日新型声控灯的设计与制作温金鹏（华北理工大学轻工学院）摘 要：声控灯应用较广，但易受环境的噪声干扰而产生误动作。文章介绍一 款用CD4013集成电路设计制作完成的新型声控灯，其抗干扰能力比常见声控开 关要强。对新型声控灯系统的结构组成，具体电路 作用及工作原理做了详细的 阐述，并介绍了制作步骤。关键词：声控灯；抗干扰；设计；制作；CD4013Design and
2、 Fabrication of a Novel Voice Activated LightWen Jinpeng (QingGong college,North China university of science and technology) Abstract: Voice activated light has wide application, but it is easy for it to occur error action due to the interference from environment noise. This paper introduces a novel
3、 voice activated light composed of and fabricated with CD40 13 IC, so it has stronger interference immunity than that of common voice activated switch. The paper describes the structure composition of the voice activated system, the functions and working principles of the circuits, and presents the
4、fabrication steps.Key words： voice activated light; interference immunity; design; fabrication; CD4013摘 要 错误!未定义书签。Abstract II第 1 章 绪论4第 2 章 系统设计思想和结构框图4第3章电路设计及原理阐述4第4章制作步骤7第5章制作后续升级电路一新型遥控灯9结 论10参考文献10第1章绪论声控灯应用较广，但易受环境的噪声干扰而产生 误动作。本文介绍一款用通 用集成电路CD4013设计制作完成的新型声控灯，其抗干扰能力比常见声控开 关要强：受二次冲击声亮，再受二次冲击声暗
5、。而且要求二次声音的时间间隔 大于0.3s，小于0.8s,满足条件的声音有效，否则无效。这样的控制才是“智 能化”的控制，才是生活中需要的控制。本声控灯由声波采集、脉冲形成、CD4013 为 核心组成的单稳态电路、定时延时电路、双稳态电路、可控硅控制电路等电 路组成，它们之间巧妙的作用使其只接收具有一定规律的两个冲击声响，例如， 适当快慢的两次拍掌声，而对其他无规律的声响（如说话声、雷声）则不响应。 本新型声控白炽 灯造价便宜，仅8元左右。第2章系统设计思想和结构框图2/新型声控灯的设计要求抗干扰能力较强的新型声控灯要求 如下：1）掌声响两次，灯才亮或灭；2）在2s内的掌声才有效；3）两次掌声
6、 的间隔在0.5s以上才有效；4）在5m远 处击掌能进行控制。2.2声控灯的设计原理设计思路：1）控制灯的亮暗，用继电器或可控硅。本设计用可控硅，其优点是所需的控制电流小，几mA足矣；体积比继 电器要小。2）双稳态电路有 分立元件组成的和集成电路的两种。本文采用CMOS 集成电路设计：其优点是设计成的控制电路功耗小，电路的一致性好，抗干扰 性强。3）声音是模拟信号，需将模拟信号转变成脉冲信号。在CMOS集成电路 中，集2）、3）特点应用于一体的可用CD4013集成块来实现。4）驻极体话筒 得到的声音信号较弱，要适当放大声音信号，使其有较高的灵敏度。2.3声控灯系统结构框图根据上述内容，可画出本
7、控制电路的结构方框 图，如图1所示。可见系统由声音信号传感器电路、信号放大电路、CD4013 为核心组成的单稳态电路和 双稳态电路、可控硅控制电路、简易电源电路以及 一些辅助电路构成。Dl V JL 2抽IHLrt世第3章 电路设计及原理阐述3/ 电路设计 电路设计要遵从简洁至上原则，根据系统框图所示添加器件。图2是声控灯的初始电路图，在万能 板上焊接实验后，基本能满足系统的 要求，但声控 灵敏度太低，有效距离仅lm左右。看来需改进电路，以提高声 控灵敏度。在图2的基础上，将Q1放大的声音信号进行检波，由Q2再次放大，设计成如 图3所示的声控电路，声控灵敏度大幅度提高，有效距离达到5m，满足了
8、要 求。*7W3宁耳話览门空己乎巨空王3.2声控灯电路组成 3.2.1声音信号传感器电路由电阻R1、驻极体话筒BM组成。经 实验，电阻R1取值4.724kQ均能正常工作。当然，当UBM二UR1 时，此时的R1值最为恰当，其动态电压范围最大。驻极体话筒具有体积小、结 构简单、电声性能好、价格低廉等优点，当其接成漏极输出时，其增益较高。 故驻极体话筒BM的灵敏度很高。3-22声音信号放大电路三极管Q1、电阻R2、R3组成基本放大 电路。R2为基极偏置电阻，R3为集电极电阻，当R2B Ql*R3时，三极管Q1 处于放大状态。C1为音频信号 耦合电容。3.2.3脉冲形成电路由三极管Q2、二极管D5、电
9、容C6、C7,电阻R11 等组成开关电路。当三极管Q1集电极输出的音 频信号为负半周时，通过三极管 Q2的发射极向C7充 电，三极管Q2导通，在R11 上形成正向脉冲电压；当音 频信号为正半周时，电容C7 上的正电荷通过D5快速释放。二极管D5为积存在 Q2基极上的正电荷提供通路，不能省略。C6能去除R11上的杂波信号，为取得 较为有用纯净的脉冲信号立下了汗马功劳。3.2.4脉冲整形电路由CD4013集成电路D触发器U1A单元、二极管D2、电阻R4及电容C2组成单稳电路，其作用是将 不规则的脉冲信号整形为宽度一致的脉冲，其脉冲 宽度由R4、C2的时间常数决定。3.2.5双稳态电路由CD4013
10、集成电路D触发器U1B单元、电阻R8及电容C4等组成。R8、C4组成延时电路，使触发 器翻转延时，避免在0.8s(t=0.7R8*C4)内多个音频 脉冲造成触发器多次翻转，而造成输出状态控制不准。其输出的高、低电平通过电阻R9控制可控硅的通、断，即可实现白炽灯的亮暗控制。3.2.6延时开启电路由三极管Q3、二极管D1、电容C3、电阻R5、R6 等组成。当CD4013的第引脚为高电平时，通过二极管D1向C3迅速充电，使 三极管Q3饱和导通，电路处于封锁状态，音频脉冲控制无效；当CD4013的第 引脚为低电平时，电容C3 上的电荷通过电阻R5、R6缓慢放电，放电结束后， 三极管Q3截止。此时，电路
11、才处于延时开启状态，音频脉冲才能正常控制双 稳态电路翻转。选择R6、C3的值，可确定第一、第二次掌声的有效时间间隔。 其时间常数大，有效时间间隔就长些，也就是说拍手的节拍要慢些 才能控制灯 状态的变化；如果时间常数较小，有效 时间间隔就短些，也就是说拍手的速度 快些也可控制 灯状态的变化。按图3中所示，其有效延时时间间隔约为0.29s(根据C3的放电电压曲线uC=E*e-t/ t ,其中时间常数t =R6*C3。取uC3=0.7V、 E=11.3V，得t=2.78t=0.29s，详见图4中UC3波形)。注意：R6、C3的时间 常数要远远小于R4、C2的时间常数 才行。3.2.7简易电源电路市电
12、经整流堆D3桥式整流电路整流，形成100Hz的脉动直流电。经R10限流降压，电容C5滤波，稳压管DW5稳压，就形 成简易12V稳压电源了。由于 控制电路的工作电流很小，故电阻R10可取大些， 取值范围为100150kQ均可正常工作，其功率取值为1W。3.3 声控灯工作原理3.3.1声控开灯过程加上市电后，三极管Q1处于放大状态，三极管Q2处于截止状态，CD4013的脚、013脚输出低 电平，可控硅D4处于关断状 态，灯不亮。脚输出高电平，三极管Q3处于饱和状态，012脚输出高电平 信 号，通过延时电阻器R8，延时电容器C4加到数据 端D2 上，故脚为高电平。 当出现第一次掌声时，三极管Q2饱和
13、导通，在R11 上形成第一个正向脉冲 电 压，此信号经D触发器U1A单元组成的单稳电路整形，脚输出高电平脉冲， 其脉冲宽度为0.8s (tW=0.7R4*C20.8s),详见图4中U1的波形图。C3经R6 放电，三极管Q3延时截止(详见图4中UC3的波 形图)，为第二个音频脉冲控制 双稳态电路做准备。由于第一个正向脉冲电压出现时，三极管Q3还处于 饱和 状态，故此信号被封锁，不能控制由D触发器U2B单元组成的双稳态电路。在 出现第一次掌声后 的大于0.29s小于0. 8s时间内，当出现第二次掌声时，三 极管Q2再次饱和导通，在R11 上形成第二个正向脉冲电压，此脉冲对单稳电路 无效，却能控制双
14、稳态电路的状态翻转，因为此时三极管Q3已截止。因此， 当连续出现两个脉冲时，双稳态电路的状态才翻转一次，013脚由低电平变为 高电平，可控硅D4获得触发电压而导通，灯由暗变为亮，实现了声控 开灯的目的(详见图4中U13的波形图)。走；右茅士卷主三曉壬虫巳3.3.2声控关灯过程当灯亮时，三极管qi处于放大状态，三极管Q2处于截止状态，CD4013的脚输出低电平、013脚输出高电平，可控硅D4处 于导通状态。脚输出高 电平，三极管Q3处于饱和状态，012脚输出低电平 信 号，通过延时电阻器R8，延时电容器C4加到数据 端D2 上，故脚为低电平。 同理，只有当连续出现 两个脉冲时，双稳态电路的状态才
15、翻转一次，013脚 输 出低电平，可控硅D4失去触发电压，脉动直流电过零时即关断，灯由亮变为暗, 实现了声控关灯 的目的。当无声控信号时，电路又进入等待状态。只有再次出 现连续的两次掌声时，电路才会重新动作，重复声控开灯的过程。综上所述， 本电路不会因为 人的说话声或者其他普通声源干扰而受到影响！其 抗干扰能力 比常见声控开关要强：二次拍手亮，二次拍手暗。而且要求二次拍手的时间间 隔大于0.3s小于0.8s，满足条件的拍掌声有效，否则无效。这样的控制才是 “智能化”的控制，才是生活中需要 的控制。第4章制作步骤(1) 到市场上买一特大型E27螺旋接口节能灯白炽灯，吸顶式平螺口灯座，如 图5a、
16、图5b所示。其尺寸如下：外径11.5cm，高度4.8cm，孔距1： 55- 70mm， 孔距2： 86mm，有轻微误差。另买一块规格5X 10cm厚1.2mm的2-3-5连孔万 能环氧板，如图6a所示。当然,也可买规格5X7cm厚1.2mm的万能洞洞环氧板。如图6b所示。（2）将连孔万能板按图7所示挖出两个孔，以备连接导线用。（3）在连孔万 能板上焊接好控制电路，控制电路只要按图正确焊接，无须调试即可成功。焊 接好的新型声控控制电路板如图8a所示，图8b是控制 电路的铜箔焊接面，电 路焊接好后，要去掉多余的铜箔，以加强绝缘性能。图7 （参见下图）图8a新型声控灯控制电路板（参见下图）图8b新型声控控制电路
