声光控制路灯电路的原理图设计-protel课程设计-大学论文.doc

声光控制路灯的原理图设计报告书

Protel课程设计任务书
题 目 ：声光控制路灯电路的原理图设计

初始条件：
熟练使用Protel 99se(或Protel DXP) 印制板设计系统，使用PROTEL软件，新建和加载原理图项目文件及原理图设计环境的设置，熟练掌握如何进行原理图设计、原理图仿真的方法，设计原理图并生成网表。
要求具有较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力，对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具备电子电路的基本设计能力及基本调试能力。

要求完成的主要任务：
（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、完成用声光控制路灯电路的设计。
2、画出完整的声光控制路灯电路的原理图。
3、分析声光控制路灯电路的原理。
4、完成Protel课程设计报告（应包含电路原理图，原理分析，元件清单、设计总结）。

指导教师签名： 年 月 日

系主任（或责任教师）签名： 年 月

目录
一、课题的设计要求及意义 1
二、设计思路 2
1. 电路构成 2
1.1直流供电电路 2
1.2控制电路分析 2
2. 元件及其在电路中组成的单元电路 3
三、需备元件清单 7
四、电路原理图及分析 9
1.电路设计原理图 9
2. 电路分析 10
2.1整流桥整流电路 10
2.2控制电路 10
2.3光控电路 11
2.4声控电路 12
2.5延时电路 12
五、使用99SE绘制原理图 14
1. 原理图设计、绘制的过程 14
2. 绘制电路图 14
3.生成网络表 19
六、PCB（印刷电路板）制作 21
1.创建PCB文件 21
七、心得体会 25
附录一 26
附录二 27
附录三 28
参考文献 29

一、课题的设计要求及意义
此次我们组需要设计的电路是声光控制路灯电路，在此电路中，我们希望达到的目的是，使电路能根据声音和光线的作用自动发光，并且自动熄灭。在白天强光照射时，电路中灯泡不发光；而晚上无灯光或被遮光，并且有声响时灯泡发光，且延续３０秒后熄灭。 此电路图的设计主要是基于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，用途非常。
二、设计思路
1. 电路构成
设计该电路主要由四与非门CD4011集成块构成，电路由直流供电电路、控制电路、延时电路三部分组成。控制电路采用基本数字逻辑单元进行设计。

图1.电路构成图
1.1直流供电电路
四只整流二极管D1~D4J接成电桥的形式，固有桥式镇流之称。整流桥的D1~D2连接处称共阴极，用“+”标记，即电流从此处流出,D3~D4连接处称为共阳极，用“-”标记。
1.2控制电路分析
控制电路由四与非门CD4011、光敏器件、接收声音器件、声控器件等元器件组成。 白天，要使光敏器件在阳光照射或光线较亮的情况下控制灯不亮；夜晚，由于光敏电阻没有受到阳光照射，这时声控器件开始起开关控制作用，当有声音信号被接收声音器件接收到后，灯亮。
1.3延时电路
由电容器件和电阻器件组成，通过电容的充放电来维持灯泡的点亮状态，延时的时间由电容的容量及电阻的阻值来决定。
2. 元件及其在电路中组成的单元电路
2.1电容 在电子线路中，电容用来通过交流而阻隔直流，也用来存储和释放电荷以充当滤波器，平滑输出脉动信号。电容器的选用涉及到很多问题。首先是耐压的问题。加在一个电容器的两端的电压超过了它的额定电压，电容器就会被击穿损坏。电阻与电容在电路中组成延时电路 。
2.2二极管 二极管最明显的性质就是它的单向导电特性，就是说电流只能从一边过去，却不能从另一边过来（从正极流向负极）。二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。四个二极管可组成整流桥整流电路。
2.3光敏二极管 光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。光敏二极管可组成光控电路。
2.4可控硅 可控硅也称作晶闸管，它是由PNPN四层半导体构成的元件，有三个电极，阳极a，阴极k和控制极g 。可控硅在电路中能够实现交流电的无触点控制，以小电流控制大电流，并且不象继电器那样控制时有火花产生，而且动作快、寿命长、可靠性好。在调速、调光、调压、调温以及其他各种控制电路中都有它的身影。可控硅分为单向的和双向的，符号也不同。单向可控硅有三个PN结，由最外层的P极和N极引出两个电极，分别称为阳极和阴极，由中间的P极引出一个控制极。单向可控硅有其独特的特性：当阳极接反向电压，或者阳极接正向电压但控制极不加电压时，它都不导通，而阳极和控制极同时接正向电压时，它就会变成导通状态。一旦导通，控制电压便失去了对它的控制作用，不论有没有控制电压，也不论控制电压的极性如何，将一直处于导通状态。要想关断，只有把阳极电压降低到某一临界值或者反向。 普通晶闸管的阳极与阴极之间具有单向导电的性能，其内部可以等效为由一只PNP晶闸管和一只NPN晶闸管组成的组合管。 晶闸管在该设计电路中可组成控制电路。
2.5声控元件 本电路中采用驻极体话筒，驻极体话筒也称驻极体传声器，它是利用驻极体材料制成的一种特殊电容式“声—电”转换器件。
驻极话筒内部结构及与原理：

图2.驻极话筒内部结构
驻极体话筒的工作原理：当驻极体膜片遇到声波振动时，就会引起与金属极板间距离的变化，也就是驻极体振动膜片与金属极板之间的电容随着声波变化，进而引起电容两端固有的电场发生变化（U＝Q/C），从而产生随声波变化而变化的交变电压。由于驻极体膜片与金属极板之间所形成的“电容”容量比较小（一般为几十波法），因而它的输出阻抗值（XC=1/2πfC）很高，约在几十兆欧以上。这样高的阻抗是不能直接与一般音频放大器的输入端相匹配的，所以在话筒内接入了一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。通过输入阻抗非常高的场效应管将“电容”两端的电压取出来，并同时进行放大，就得到了和声波相对应的输出电压信号。驻极体话筒内部的场效应管为低噪声专用管，它的栅极G和源极S之间复合有二极管VD，主要起“抗阻塞”作用。由于场效应管必须工作在合适的外加直流电压下，所以驻极体话筒属于有源器件，即在使用时必须给驻极体话筒加上合适的直流偏置电压，才能保证它正常工作。驻极体可组成声控单元电路。
2.6 CD4011 CD4011是CMOS电路，内部是四个与非门，14个引脚，工作电压3~18V，频率约5MHz，输入/输出为CMOS电平。
图3. D4011引脚图

三、需备元件清单
元件号
元件序号
元件规格
元件类型
元件数量
元件封装
BRIDGE1
D1
4007整流桥
VD1~VD4
1
FLY4
DIODE
VD5
4181二极管
DIODE
1
DIODE0.4
RES2
R1
180K
180K
1
AXIAL0.4
RES2
R2
24K
24K
1
AXIAL0.4
RES2
R3、R6
2M
2M
2
AXIAL0.4
RES2
R4
120K
120K
1
AXIAL0.4
RES2
R5
68K
68K
1
AXIAL0.4
RES2
R7
6.2M
6.2K
1
AXIAL0.4
RES2
R8
30K
30K
1
AXIAL0.4
POT2
R9
100~50
100~50
1
VR1
ELECTRO1
C1
100uF/25V
100uF/25V
1
RB.2./.4
ELECTRO1
C2
100uF/25V
100uF/25V
1
RB.2./.4
CAP
C3
152
152
1
RAD0.1
CAP
C4
333~123
333~123
1
RAD0.1
CAP
C5
681
681
1
RAD0.1
Component-1
A1
CD4011

1
DIP14
MICROPHONE2
MK
声控器件

1
AXIAL0.3
SCR
Q1
可控硅
SCR
1
TO-92B
PHOTO
D2
光敏二极管
PHOTO
1
DIODE0.4
LAMP
DS1
15~25W白炽灯
15~25W
1
SIP2
四、电路原理图及分析
1.电路设计原理图

图4.电路原理图
2. 电路分析
2.1整流桥整流电路

图5.四个二极管组成的硅整流桥整流电路
2.2控制电路

图6.晶闸管控制电路
单向可控硅可通过控制极G的电位的高低来控制它的导通与截止，起到开关控制的作用。
2.3光控电路

图7.光敏二极管组成的光控电路
白天，由于光敏二极管PHOTO两端电压低，CD4011的一脚为低电平， 3脚即变成高电平，导致11脚为低电平，即单向可控硅控制极G为低电平，单向可控硅SCR截止，灯泡不亮；
夜晚，由于光敏电阻没有受到阳光照射，其阻值很高，两端电压较高，即1脚变成高电平，此时3脚的状态受1、2脚控制，若2脚为高电平，则3脚为低电平，若2脚为低电平，则3脚位高电平。
2.4声控电路

图8.含MK元件声控电路
当驻极体接收到声音信号后，经C4的滤波，送一个信号到5、6脚，而4脚变为低电平，使得13脚变为低电平，11脚输出高电平，单向可控硅控制极变成高电平，单向可控硅导通，灯泡点亮；当驻极体没有接收到声音信号时， 11脚为低电平，灯泡不亮，工作原理类同白天情况。
2.5延时电路

图9.C2、R7组成的延时电路
延时电路由C2、R7组成，通过C2的充放电来维持灯泡的点亮状态，延时的时间由C2的容量及R7的阻值来决定。

五、使用99SE绘制原理图
1. 原理图设计、绘制的过程

图10.原理图设计流程图
2. 绘制电路图
1) 新建ddb.设计，并修改文件名。

图11.新建d d b.文件
2) 创建并设计一个原理图文件
在创建好一个设计项目后，下一步是穿件一个原理图文件。选取File/New...打开New Document对话框，选取新建文件文件后出现以下如图12.对话框，点击Schematic Document，出现如图13.界面，在该界面可设计图纸大小。

图12.新建SCH文件对话框

图13.创建新的原理图文件
3) 添加元件库
在放置元件钱，需先将所需元件所在的元件库载入内存。添加元件库的步骤如下：
①　 点击原理图文件窗体上的，在下拉菜单中点击打开窗口如下图14.所示。

图14.元件库添加/删除对话框
②　 点击所需的元件库，再点击按钮，即可添加或删除相关元件库。
4） 放置元件
在元件库里寻找需要的元件，按“防止”选用元件，Tab设置元件属性，放置在工作区，如下图15.与图16.所示。

32

图15.设计管理界面

图16.元件属性编辑对话框

在放置元件及设置元件属性、连线之前，要注意以下两点：
①　 本电路要用到CD4011集成块，它是一个复合元件，由四个与非门组成，所以在原理图中放置四个与非门后，要将它们“组装”起来。“组装”的过程是用Tab键分别设置四个与非门元件的属性，将它们的库名字（CD4011）、封装号（DIP14）以及标号（A1）、部件类型（CD4011）都设置相同，将其部件分别设置为1、2、3、4。
②　 由于原理图器件的管脚名称、序号与PCB封装的管脚名称、序号 要相同。但有的元件不一定符合这一条件，这类问题比较常见，例如原理图中三极管的管脚序号为B、E、C，而PCB封装中管脚序号为1、2、3。在本DDB文件中，需要将D2、VD5、lamp的管脚名称由1和2改为A和K。

5） 元件放置好并元件属性设置完毕后，即可连线。
选择连线工具条中的进行连线。完成电路图的绘制如下图：

图17.绘制原理图
3.生成网络表
网络表是PCB（电路板）中自动布线的灵魂，也是原理图设计软件SCH与印刷电路板软件PCB之间的接口，也是检查原理图正确与否的根据。原理图完成后，可按照图18.的步骤生成网络表。

图18.生成网络表对话框
选取菜单下的创建网络表选项则弹出如图19.所示。

直接点击确定键就可生成网络表文件sheet.NET。网络表文件包括两部分：一对方括号之间是一个元件的属性。包括序号、封装号、参数值。一对圆括号之间是连接某个接点的所有连线。
对照原理图进行检查，看有无错误、遗漏。有问题就返回修改再创建网络表，直到正确为止。至此，电路图SCH设计全部完成。
六、PCB（印刷电路板）制作
1.创建PCB文件
同创建SCH文件类似，在设计管理版面点击，然后点击文件菜单下新建项，在弹出的对话框中选择PCB Document，点确定则创建PCB文件如下。如图20.

图20.创建PCB文件
双击该图标则进入PCB设计主界面，如图21.所示。

图21.PCB设计主界面
此界面底部为板层标签，用来在设计时快速的选择板层点击设计菜单下规则，如下图22.所示。

图22.执行规则菜单命令
更改设计规则，提前设计正确的参数。如图23.所示。

图23. 规则对话框

①　 在规则对话框内设置布线层、走线宽度、焊盘大小等要求。
②　 定义边框
在设计工作区的板层标签选择keepout layer如图24.所示。

图24.工作区的板层标签
然后选择工具条上的按钮，画边框。此时的边框不能太大，一定要闭合。待到布线完成后，再画精确的边框。
③　 载入网络表文件
注意：若有封装问题无法加载的点，需返回电路原理图，修改元件属性至正确后重新创建网络表，再加载。
④　 将元件拖入画好的边框中，按照电关系布好后自动布线。自动布线器的运行结果如图25.所示。

图25.PCB完整图
七、心得体会
通过本次课题的研究，不仅锻炼了自己的动手能力，也加深了自己对PROTEL软件更深一层的认识。
由于原先对PROTEL软件的掌握非常薄浅，所以在开始做本次课题的时候遇到了好多困难，一直让自己很困惑。但还是坚持了下来，去查资料，和同学讨论并自己做着各种各样的尝试，有很多失败，比如一开始我就对CD4011集成块很困惑，不知道如何将四个与非门“组装”起来应用。最后通过和同学研究讨论，在网上查阅资料，最终通过尝试终于将它的“组装”弄明白。再有遇到的困难就是管脚问题，这个问题，也让我纠结了好久，但最后是通过网上搜了好久的资料才解决的。这也让我意识到封装库也不是绝对正确的，有要更改的引脚标号，需要调整的尺寸、焊盘直径等等因素要考虑。另外，在进行设计前要准确地理解电路原理，有明确的设计目标，正确的设计理念，才能出现好的产品。总之，本次课题研究不是那么顺利，但最终都基本上克服了下来，将电路图按照自己查找的资料完全设计了出来，并完成PCB电路板的生成。
这次课设是实践与理论的一次结合，这是我在以前的学习中从未体验过的。在这次研究中，我认识到了于是独立思考的重要性，同时在必要的时候也需要与他人加强合作。我相信在这次课设中，我独立思考问题并解决问题的能力得到了提升。最终课设能相对完整的完成，也增加了我对自己的信心，证明了自己还不是那么差劲，并不是什么事情都不能独立完成。
附录一
元件清单：
封装 元件值 元件标号
AXIAL0.3 MIC MK
AXIAL0.4 180K R1
AXIAL0.4 24K R2
AXIAL0.4 2M R3
AXIAL0.4 120K R4
AXIAL0.4 68K R5
AXIAL0.4 2M R6
AXIAL0.4 6.2M R7
AXIAL0.4 30K R8
DIODE0.4 DIODE VD5
DIODE0.4 PHOTO D2
DIP14 CD4011 A1
FLY4 VD1~VD4 D1
RAD0.1 152 C3
RAD0.1 333~223 C4
RAD0.1 681 C5
RB.2./.4 100uF C1
RB.4/.8 10uF C2
SIP2 LAMP DS1
TO-92B SCR Q1
VR1 100~50 R9

附录二
声光控制路灯电路的电路原理图：

附录三
声光控制路灯电路的PCB电路板：

参考文献
[1] 周新民.工程实践与训练教程[M].武汉：武汉理工大学出版社，2009.8
[2] 吴友宇.模拟电子技术基础[M].北京：清华大学出版社，2009.5
[3] 伍时和.数字电子技术基础[M].北京：清华大学出版社，2009.4
[4] 蔡杏山.零起步轻松学protel99se电路设计[M].北京：人民邮电出版社，2009.8
本科生课程设计成绩评定表
姓 名
吕义斌
性 别
男
专业、班级
电子信息工程、电信1102班
课程设计题目：声光控制路灯电路的原理图设计
课程设计答辩或质疑记录：
1. 电源是如何与控制电路连接的？
答：首先用到了整流桥整流电路，使其输出电信号为直流信号，通过接一电阻，起到限流作用，在并接一电容，起滤波作用，然后与后整个控制电路连接。
2. 元件可控硅在电路起什么作用？
答：单向可控硅通过它的控制极电位的高低，来控制它的导通与截止，从而控制电路的导通与断开，使灯亮或不亮。
3.声音控制是怎样做到的？
答：当MK元件接收到声音信号后，经C4的滤波，送一个信号到CD4011的5、6脚，而脚4变为低电平，使得CD4011的13脚变为低电平，11脚输出高电平，单向可控硅控制极变成高电平，单向可控硅导通，灯泡亮；当MK没有接收到声音信号时，11脚为低电平，灯泡不亮。

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年 月 日