精品Protel软件应用课程设计声控灯电路.docx
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精品Protel软件应用课程设计声控灯电路
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江西理工大学应用科学学院信息工程系
《Protel软件应用》课程设计报告
设计题目:
声控灯电路设计
专业:
电子信息工程
班级:
学号:
姓名:
同组人员:
指导老师:
完成日期:
指导老师评语:
得分:
指导教师签名:
3.4整机电路的原理……………………………………………………………………3
1设计任务和性能指标
1.1设计任务
根据已知条件,完成通过基于晶体管的声控灯的设计、连接与仿真。
须符合以下要求:
1.采用晶体管设计电路完成一个简易声控灯的设计;
2.通过声音震动使灯发光,并且延迟10秒左右后熄灭;
3.利用仿真软件Pspice或Multisim仿真电路,并学习PROTEL软件,并用其绘制电路的原理图和PCB图,要求图纸绘制清晰,布线合理,符合绘图规范;
4.完成课程设计报告(应包含电路图,清单、调试及设计总结)。
2设计方案与论证
方案1
主要包含四部分电路,分别为:
电源电路,光控电路,声控延时电路,晶体管开关电路,下面对其功能进行逐一分析并确定电路结构。
电源电路主要巍控制电路提供工作电压,本设计采用传统的电源电路设计方法,即降压,整流,滤波,稳压,使电路输出电压6V直流电压供给控制电路。
光控制电路是根据光线强弱来优先决定电灯的亮灭,该电路可以对声控延时电路进行控制,在白天光线将强时,光控制电路输出低电平将声控电路封锁;在晚上光线较强时,光控制电路输出高电平,则声控功能打开。
本设计采用光敏电阻和其他电阻组成的分压电路来控制555定时器的触发器输入端2脚,并且将555定时器的2脚和6脚连接在一起,通过电容接地,555定时器的输出去控制电路中的定时器的复位端。
声控延时电路,该电路主要在光线较弱时起作用。
这主要是通过光控电路的输出来控制的。
在白天,该电路在光控电路的控制作用下,处于关闭状态,对任何声音信号都不响应;在晚上,光控电路将该电路的功能打开,使用该电路能根据外界声音信号做出相应的响应。
经放大处理后的声音信号控制处于单稳工作模式的555定时器来实现声控及延时功能。
晶闸管开关电路该电路受声控电路555定时器输出端的控制。
当其输出高点平时。
晶闸管导通,照明灯点亮。
方案2电路由交流供电电路、放大电路、单稳态电路三部分组成。
交流供电电路由继电器和三极管9015,电阻等元器件组成。
放大电路由电阻、压电陶瓷片、三极管9014、等元器件组成。
由R1和R2的大小比例控制放大倍数,从而得出输出信号V0。
单稳态电路由有电容和电阻R,三极管9014等元器件组成,Q2和Q3直接耦合,R3和R4,R5分别控制Q2和Q3的集电极和基极电压使此电路形成一个正反馈回路。
(二极管保护的作用)
2方案选择
由于方案一电路设计过于复杂,需要两个555计时器,并且需要变压器实现低电压来执行各个电路,所需要的元器件多,不易实现,可行性较差。
而方案二设计简单,易实现,所用元器件少,可行性好。
故而选择二号方案。
3系统硬件设计
3.1放大电路的原理
如下图所示,在本次设计电路中使用了一只φ20的压电陶瓷片,它的符号和外形见图3.1所示,压电陶瓷片所转换的电信号很微弱,只有通过由三极管Q1组成的放大器把微弱的信号进行放大后,才能去触发单稳态电路。
所以要设置一个简单的放大电路,将微弱的信号放大,才能触发后边的电路。
图3.1压电陶瓷片的符号和外形
图3.2放大电路部分
图3.2所示为放大电路的组成,将信号放大
由R1和R2比例控制放大的倍数。
图中Vo输出了放大的信号。
3.2单稳态电路的原理
图3.3中三极管Q2、Q3及其电阻器、电容器组成了单稳态电路。
电阻器R3为三极Q2提供了基极电流;而三极管Q3的基极电流则是从三极管Q2的集电极电阻R4上得到的。
三极管Q2集电极与三极管Q3基极之间是直接耦合的;而三极管Q3集电极与三极管Q2基极之间的耦合则是由电容器C2来完成的。
电阻器R4是三极管Q2的集电极负载,三极管Q3的集电极负载是电阻器R5。
图3.3单稳态电路部分
单稳态电路的特点是它只有一个稳定状态。
电路在没有信号输入时,选择合理的R3使三极管Q2稳定在饱和状态,此时它的集电极电压约为0.3V以下。
这样使三极管Q3稳定在截止状态。
这就是单稳态电路的稳定状态。
当一个负脉冲通过C1到达三极管Q2的基极时,三极管Q2开始趋向截止,它的集电极电流减小,集电极电压升高;经过直接耦合,使三极管Q3的基极电压升高,三极管Q3开始导通,它的集电极电压下降;经电容C2的藕合又使三极管Q2的基极电压进一步下降(虽然这时负脉冲已经不再存在),形成一个正反馈,很快达到一个新的状态。
此时三极管Q2截止,三极管Q3饱和导通。
这就是单稳态电路的暂稳态现象。
单稳态电路的暂稳态是不能持久的。
在暂稳态期间,电容器C2通过电阻器R3进行放电,随着放电的进行,三极管Q2的基极电压逐渐升高,当它达到0.5V以上时,三极管Q2开始导通,正反馈现象再次发生,整个电路很快又回到Q2饱和导通,Q3截止的稳定状态。
电容C2通过电阻R3的放电过程决定了电路暂稳态的维持时间。
根据计算,这个时间t=0.7×R3×C2。
在本电路中电阻R3为330K,电容C2为47μF,所以
t=0.7×330×103×47×10-6=1ls.根据这个公式改变电阻R3或电容C2的参数,可以延长或缩短电路的延迟时间。
电路复原后,电容器C2通过电阻器R5和三极管Q2的发射结进行充电。
充电完成后电路才可以接收下一次的触发。
3.3继电器电路的原理
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。
只要在线圈两端加上一定的电压,线圈中就会流过一定的电流,从而产生电磁效应,衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯,从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合。
当线圈断电后,电磁的吸力也随之消失,衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置,使动触点与原来的静触点(常闭触点)释放。
这样吸合、释放,从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
对于继电器的“常开、常闭”触点,可以这样来区分:
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点,称为“常开触点”;处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
如图3.4为继电器电路原理图。
图3.4继电器电路原理图
在本实验中,触点那端应该连接外部的电路控制灯。
如图3.5所示。
图3.5电路中的继电器部分控制的电路
当有电流经过线圈时,开关闭合使右边的二极管发光;当电流逐渐消失时,发光二极管熄灭,实现控制功能。
电路图中,二极管接到K的线圈两端起到保护作用。
3.4整机电路的原理
如下图3.6所示,电路中的B是一只压电陶瓷片,它能将声音信号转变为电信号。
压电陶瓷片所转换的电信号很微弱,只有通过由三极管Q1组成的放大器把微弱的信号进行放大后,才能去触发单稳态电路。
放大后信号中的负脉冲作用在三极管Q2的基极上时,可以使单稳态电路翻转。
电路中的电容器C3是电源退耦滤波电容器。
在电路的稳态过程下,单稳态电路中三极管Q2导通,三极管Q3截止。
三极管Q3的集电极为高电平,接在它上面的三极管Q4是PNP型三极管,所以三极管Q4没有导通,继电器不工作。
一旦有外界的声音来触发电路,单稳态电路中三极管Q2的基极受到负脉冲的作用而截止,单稳态电路处在了暂态的过程中。
这时三极管Q3导通,它的集电极电压下降,导致与它连接的三极管Q4也导通,继电器吸合。
由于单稳态电路的暂态时间是由电阻器R3与电容器C2的参数决定的,所以十秒钟后单稳态电路会自动恢复到稳态过程下,继电器停止工作。
图3.6声控电路电原理图
4绘制原理图和PCB
确定课题后,用ProtelDXP软件将电路原理图绘制出来。
绘制电路原理图过程如下:
1、打开ProtelDXP软件,新建一个“声控灯电路设计.PRJPCB”工程,在此工程下新建一个“声控灯电路设计.SCHDOC”原理图文件。
2、根据要求,画出电路原理图。
画图的时候,注意选择合适的元器件及对应的封装,阻值大小,元器件的极性等。
所绘制的电路原理图如下图4-1所示。
图4-1声控灯电路设计电路原理图
原理图绘制完成后,对所绘制的原理图进行编译。
选择“Project->CompilePCBProject声控灯电路设计.PRJPCB”,点击Messages查看编译结果,对于出现的Error项,一定要查找其出现错误的原因,并进行改正,直至编译不出现Error项。
生成网络报表:
选择“Design->NetlistForProject->Protel”,生成声控灯电路设计SCHDOC.NET网络报表,部分网络表截图如下图4-2所示。
[
+6V
²åÕë
Battery
]
[
B
BCY-W2/D3.1
XTAL
]
[
C1
µçÈÝ
CapPol1
]
[
C2
µçÈÝ
CapPol1
]
[
C3
µçÈÝ
CapPol1
图4-2声控灯电路设计部分网络报表
生成元器件清单表:
选择“Reports->BillofMaterials”,生成元器件清单列表如图4-3所示。
图4-3声控灯电路设计元器件清单报表
原理图绘制完成后,接下来就是生成PCB。
生成PCB过程如下:
1、在“声控灯电路设计.PRJPCB”工程下新建一个“声控灯电路设计.PCBDOC”文件,然后保存到相应的路径。
2、根据要求,设置单面板,选择“Design→LayerStackManager”,弹出管理版面,点击面板左下的“Menu”,在弹出的菜单中选择“Examplelayerstatcks”→“Singlelayer”来实现。
3、在禁止布线层绘制电气边界,此PCB板采用的大小为60mm×40mm。
绘制出的电气边界如图4-4所示。
图4-4声控灯电路设计电气边界
4、设置PCB的系统参数,电路参数等相关参数。
5、导入网络表:
(1)检查原理图更新情况。
①执行“Design→UpdateSchematicin声控灯电路设计.PrjPCB”命令,系统将比较当前PCB板上信息与原理图的不同,得出需更新的报表。
②弹出对话框,点yes,出现不同比较对话框。
③可以逐一检查错误,点“ExploreDifference”,在弹出的对话框中双击某项,即可跳到对应的原理图位置上。
(2)完成检查后导入网络表。
①执行“Importchangefrom声控灯电路设计.PrjPCB”,弹出的对话框中,列出了所有的改变。
②点击Validatechange,系统扫描所有的改变,看能否在PCB上执行所有的改变。
若正确,“Check”栏为绿色的“√”标记;否则返回原理图修改。
③若都正确,点击ExecuteChange,执行所有的改变。
如果都正确,“Done”栏为绿色的“√”标记。
如图4-5所示。
图4-5元器件全部正确的工程网络变化对话框
④此时,所有元器件封装及其电气连接都导入了PCB中。
元器件之间有绿色的线(飞线)连着。
如图4-6所示。
图4-6加载网络表和元器件封装后的电路板图
6、对元器件进行布局,。
布局后的效果如图4-7所示。
图4-7布局后的效果图
7、自动布线:
设置规则,选择“Design->Rules”,在弹出的对话框中的Routing选项中,在“Width”选项中增加一项电源网络和一项地网络。
宽度分别设置为1mm和1mm。
在“RoutingLayers”选项中“ComponentSide”选择“Nouse”,“SolderSide”选择“Any”。
其他规则选择默认。
然后选择“AutoRoute->ALL”。
自动布线后的效果如图4-8所示。
图4-8自动布线后的效果图
PCB制作完成后,生成PCB报表文件,选择“Reports->NetlistStatus”,弹出NetStatus-声控灯电路设计.html文件,如图4-9所示。
图4-9PCB报表
打印输出PCB图:
(1)选择“Files→Pagesetup”设置纸型、效果、打印内容等。
(2)点击上面对话框的Advanced,弹出打印层面设置对话框。
(3)双击任一层,出现Layerproperties对话框。
选择“Files→printpreview”来预览打印的内容:
缺省打印方式为“Composite”型。
5PCB板制作、焊接与调试
5.1PCB板制作
1、将生成的PCB打印到转印纸上后,选择合适大小的覆铜板,将转印纸有电路图的一面紧贴覆铜板有铜的一那面,转印纸紧紧包住覆铜板,然后将裹有转印纸的覆铜板放到转印机中转印。
2、转印完成后等待覆铜板冷却,然后撕开转印纸,将覆铜板放到腐蚀液中腐蚀。
3、等待大约20-30分钟,知道覆铜板上多余的铜全部被腐蚀掉,覆铜板变成带有线路的透明的黄色塑料板。
4、将塑料板切割成合适的大小,注意电路板线路的完整性,用砂纸或者锉刀将板子边缘打磨光滑。
5、用合适钻头的钻孔机给板子上的焊盘打孔,注意将钻头对准焊盘中心。
6、用砂纸将电路板上线路的一层碳膜轻轻擦掉,会出现铜黄色的线路。
PCB板基本制作完成。
PCB板制作过程中遇到的问题及解决办法:
1、在钻三极管时会将两个孔钻到一起导致短接。
解决办法:
钻孔时将两边的孔钻的离中间远点。
2、敷铜板转印完成后,有些线路会出现断裂或者没有印到敷铜板上。
解决办法:
用转印笔在出现断裂的线路上轻轻地描,注意不要连到其他线路上。
3、钻孔过程中,误将线路钻断了。
解决办法:
焊接时将锡丝熔化后将断点连上。
5.2元器件的焊接
焊接顺序
先测量,做好记录;在清洁,挂锡焊接;最后检查质量。
1.右手持电路铁。
左手压住元件或导线。
焊接前,电烙铁要充分预热
。
烙铁头刃面上要吃锡,及带上一定量焊接。
2.将烙铁头刃面紧贴在焊点处。
电路铁与水平面大约成60度角。
以便融化的锡可以从烙铁头上流到到焊点上。
将烙铁在焊点处停留的时间控制2-3秒钟。
3.抬开烙铁头。
左手仍持元件不动。
待焊点处得锡冷却凝固后,才可以松开左手。
5.3系统的调试
调试准备——检查电路
在通电调试之前,必须认真检查电路连线是否正确,对照电路图按照一定顺序一一检查,特别要注意电源是否接错,电源与地是否有短接,二极管是否接反,三极管三个引脚是否接错,继电器的常通和常开脚,开关的两个脚,轻轻拨一拨元器件,观察焊点是否牢固。
调试;
根据本设计中的电路原理图进行实物的连接,焊接连接各元件即可。
连接完成后,引出两根根导线,一根导线接+6V电源的正极,另一根导线接地,接好线后,刚开始第一次闭合开关,继电器会自动吸合一次,然后自动松开,接着拍手来触发声控电路,每拍一下手,继电器就应吸合,灯就会发亮,然后延迟10秒后灯自动熄灭。
与设计的内容基本相符合。
同样设计中仍然存在误差,这是由于元器件参数的精度不够、实物连接时引入附加阻值、性能不够高以及环境温度等多方面的影响所致。
在实际生活中可以通过多种措施来提高输出音频信号的的稳定度,如可以选择电容的并联使电容的值更精确;同时外界温度也会影响实验的精确性。
6总结
本次课设是完成一个简易声控灯电路设计,首先通过查找书籍资料,首先进行电路原理图的设计、绘制以及PCB版图制作,然后对电路中的各个部分进行调整修改,按照设计的电路原理图完成实物的连接,连接后在实验室不断地调试、修改,最后得到设计要求的输出波形。
此次晶体管课程设计对我们的总体电路的设计的要求更严格,需要通过翻阅复习以前学过的知识确立了实验总体设计方案,然后逐步细化进行各模块的设计;其次,在电路仿真的过程中总会出现一些问题,需要我们细心解决,所以这周下来,我对电路故障的排查能力有了很大的提高;再次,通过此次课程设计,我对设计所用到的软件Multisim10和Protel99SE有了更加深刻地了解,这对我们以后的工作和学习的帮助都很有用处。
当然,经过了课程设计,我也发现了自己的很多不足。
但是通过自己的动手动脑,既增加了知识,又给了我专业知识以及专业技能上的提升,我也会更加努力,认真学习,争取在以后的课程中做得更好!
在这次课设中,我首先要感谢学校给我们提供的机会,其次我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助,这是我能顺利完成这次报告的主要原因,更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题,让我能把设计做得更加完善。
在此期间,我不仅学到了许多新的知识,而且也开阔了视野,提高了自己的设计能力。
最后,我要感谢帮助过我的同学,他们也为我解决了不少我不太明白的设计上的难题。
同时也感谢学院为我提供良好的做课程设计的环境。
最后再一次感谢所有在设计中帮助过我的老师和同学。
参考文献
[1]康华光,陈大钦,张林.电子技术基础模拟部分.北京:
高等教育出版社,2006.1
[2]周南生.晶体管电路设计与制作.北京:
科学出版社,2006.8
[3]铃木雅臣著,彭军译.晶体管电路设计.北京:
科学出版社,2004
[4]尹勇.Multisim电路仿真入门与进阶.北京:
科学出版社,2005
[5]清源科技.Protel99SE电路原理图与PCB设计及仿真.北京:
机械工业出版社,2007.1
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