课程设计指导书
声光控延时照明电路的设计与制作
物理学院 光科12 专用
扬州大学物理教学实验中心
2015年11月
光电检测课程设计任务书
项目名称：声光控延时照明电路
一、设计目的
根据光电检测技术知识，以及可获得技术书籍与电子文档，初步形成电子设计过程中收集、阅读及应用技术资料的能力；熟悉电子系统设计的一般流程；掌握分析电路原理、工程计算及对主要技术性能进行测试的常见方法；学会使用电路仿真分析软件在计算机上进行电路设计与分析的方法。
二、任务与要求
设计一个声光触摸三控延时照明电路，满足以下基本要求：
（1）在白天，光照好，不管过路者发出多大声音，都不会使灯泡发亮。 （2）夜晚光暗，过路者发出声响，电路就会控制灯泡点亮。 （3）人走后，几十秒后自动关闭。
（4）当声控和光控两个电路一方或同时损坏时，就由按键开关控制电路继续正常工作，提供照明。
（5）负载采用手电筒常用的3.8V/0.3A小电珠。
光控部分采用可见光光敏电阻，声控部分采用驻极体电容话筒。系统采用四节干电池供电。实验室提供主要元器件如下：
NE555 CD4011 驻极体电容话筒 光敏电阻 三极管 小灯泡 电阻、电容等
三、任务安排
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周次 第 一 周 第 二 周 工作日 1 2 3 4 1 2 3 4 工作内容 布置课程设计任务书 方案的选择，设计电路元器件有关资料的收集 整体电路设计 电路组装调试 根据调试结果，改进电路 撰写课程设计说明书 交课程设计报告 四、课程设计报告要求
1、任务说明 2、目录 3、正文
（1） 总体方案框图设计 （2） 单元电路具体设计 （3） 计算器件参数值 （4） 选择相关元器件 （5） 画出总体设计电路图
（6） 组装调试的内容，如使用的主要仪器和仪表、调试电路的方法和技巧、测试
的数据和波形并与计算结果进行比较分析、调试中出现的故障、原因及排除方法。
4、课程设计的收获及体会 5、参考文献 6、元件清单
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附录
1. 光控电路
在电子电路中，常用光敏器件构成光控电路。所谓光敏器件通常是指能将光能转变成为电信号的半导体传感器。常用的光敏器件有光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管。
1.1. 光敏电阻的制作材料及其结构原理
光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元件。它在光线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。
用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作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。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。
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，电流就会随光强的增加而变大，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。如图1所示。
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图1 光敏电阻结构示意图及图形符号
在本设计中光敏电阻是RL，正如原理所说，在白天由于光照强度大，RL光敏电阻的阻值很小，前一级电信号来时，由于阻值小使得RL两端的电压很低，无法使后一级电路正常工作，从而使灯炮在白天不会亮；在而夜晚光敏电阻RL的阻值很大，前一级来信号时，由于阻值大使得RL两端的电压高，所以能够使下一级正常工作。
1.2. 光敏电阻器的特性及主要参数
光敏电阻器是根据半导体的光敏导电效应制成的，使用时给它施加以直流或交流偏压。它是用硫化镉(CdS)或硒化镉(CdSe)材料制成的特殊电阻器，它对光线非常敏感。无光线照射时呈高阻态，暗阻值一般可达1．5M欧姆以上；有光照时材料中变激发出自由电子与空穴，使其电阻减小，随着照度的增高，电阻值迅速降低，亮阻值可小至1k欧姆以下。可见光敏电阻的暗值与亮阻值之比约为1500倍，暗阻愈高愈好。
光敏电阻器的外型及符号如图所示。其结构特征是把条状的光敏材料封装在圆形管壳内，有的还用玻璃透明材料制成防护罩。和普通电阻器一样，它也有两根引线。
光敏电阻器的主要参数见表1：
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表1 几种光敏电阻器的参数
峰值亮 阻 型号 /k LXD3526 LXD3537 LXD3548 MG45-1 MG45-2 MG45-3 8～20 18～50 45～140 ≤2～10 ≤2～10 ≤2～10 /k /nm 500 2000 5000 1～10 1～10 1～10 540 540 540 - - - /ms - - - ≤20 ≤20 ≤20 /V 150 150 150 50 85 150 -30～70 -30～70 -30～70 -40～70 -40～70 -40～70 暗 阻 波长常数电压/(°C) /mV 50 50 50 10 20 50 CdS CdS CdS CdS CdS CdS 时间极限工作温度 功率料 消耗材 1.3. 光敏电阻的检测
用一黑纸片将光敏电阻的透光窗口遮住，此时万用表的指针基本保持不动，阻值接近无穷大。此值越大说明光敏电阻性能越好。若此值很小或接近为零，说明光敏电阻已烧穿损坏，不能再继续使用。
将一光源对准光敏电阻的透光窗口，此时万用表的指针应有较大幅度的摆动，阻值明显减些小此值越小说明光敏电阻性能越好。若此值很大甚至无穷大，表明光敏电阻内部开路损坏，也不能再继续使用。
将光敏电阻透光窗口对准入射光线，用小黑纸片在光敏电阻的遮光窗上部晃动，使其间断受光，此时万用表指针应随黑纸片的晃动而左右摆动。如果万用表指针始终停在某一位置不随纸片晃动而摆动，说明光敏电阻的光敏材料已经损坏。
2. 声控电路
声控电路的组成主要由声控传感器、声音信号放大器、控制电路、驱动
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电路及执行电路等组成。
2.1. 声传感器(驻极体话筒)
声传感器是声控电路的重要器件，它的作用是用来接受声控信号，把声控信号转换成电信号。常用的声传感器有驻极体电容话筒、压电蜂鸣器及扬声器等，使用的较多的是驻极体电容话筒。驻极体电容话筒是一种有源声音传感器，它具有灵敏度高、体积小、使用方便等特点。 1．驻极体话筒的结构与原理
驻极体话筒的工作原理如图2所示。
图 2 驻极体话筒工作原理图
话筒的基本结构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（背称为背电极）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一个平板电容器。电容的两极之间有输出电极。由于驻极体薄膜上分布有自由电荷。当声波引起驻极体薄膜振动而产生位移时；改变了电容两极版之间的距离，从而引起电容的容量发生变化，由于驻极体上的电荷数始终保持恒定，根据公式：Q=CU所以当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—电的变换。实际上驻极体话筒的内部结构如图3所示。
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图3 驻极体话筒内部结构
由于实际电容器的电容量很小，输出的电信号极为微弱，输出阻抗极高，可达数百兆欧以上。因此，它不能直接与放大电路相连接，必须连接阻抗变换器。通常用一个专用的场效应管和一个二极管复合组成阻抗变换器。内部电气原理如图4所示。
图4 内部电气原理图
电容器的两个电极接在栅源极之间，电容两端电压既为栅源极偏置电压Ucs，Ucs变化时，引起场效应管的源漏极之间Idc的电流变化，实现了阻抗变换。一般话筒经变换后输出电阻小于2千欧。 2．驻极体话筒极性的判别
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。驻极体话筒的内部结构如图3所示。由声电转换系统和场效应管两部分组成。它的电路的接法有两种：源极输出和漏极输出。源极输出有三根引出线，漏极D接电源正极，源极S经电阻接地，再经一电容作信号输出；漏极输出有两根引出线。
3．驻极体话筒的特性参数
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(1)．工作电压Uds1．5～12V，常用的有1．5V，3V，4．5V三种。 (2)．工作电流Ids0．1～1mA之间。 (3)．输出阻抗一般小于2K（欧姆）。
(4)．灵敏度单位：伏/帕，国产的分为4档，红点（灵敏度最高）黄点，蓝点，白点（灵敏度最低）。
(5)．频率响应一般较为平坦。 (6)．指向性全向。
(7)．等效噪声级小于35分贝。
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