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1、1 软件简介1.1 protel的简介早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEL已发展到PROTEL99（网络上可下载到它的测试板），是个庞大的EDA软件，完全安装有200M，它工作在WINDOWS95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有C
2、lient/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100布通率。1.2 protel的功能Protel99 SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。本次课设主要利用其绘制原理图的功能。1.3 proteus的简介Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单
3、片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。1.4 proteus的功能Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是： （1）原理布图 （
4、2）PCB自动或人工布线 （3）SPICE电路仿真 革命性的特点： （1）互动的电路仿真 用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。 （2）仿真处理器及其外围电路 可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型本课设主要用到其强大的仿真功能。2电路中用到的新元器件2.1驻极体话筒驻极体话筒属于电容式话筒的一种，声电转换的关键元件是驻极体振动膜。当声波输入时，驻极体膜片随声波的强弱而振动，使电容极板间的距离发生变化，引起电容量C发生变化，因为驻极体两侧的电荷来变，因此电容两端的电压
5、（UC=QC）发生变化，从而实现了声电转换。由于振动引起的输出电压的变化量较小，所以要在电容的后面加一个效应管进行放大，提高话筒的灵敏度，同时场效应管还可以与音频放大器匹配。驻极体话筒的外形和内部电路如图2.1所示：（a） 外形图 （b） 内部结构图图2.1 驻极体话筒的外形与结构2.2光敏电阻光敏电阻器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（将光的变化转换为电的变化）。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化
6、，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达110M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。图2.2光敏电阻原理图2.3 51单片机 51单片机是对目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机。后来随着Flash Rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前
7、乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机即是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。3声光控节能灯电路的组成下面将总电路分为以下五个模块：电源电路，光控电路，声控电路，单片机控制电路，继电器驱动电路。3.1电源电路本课程设计使用的是V双电源和+5V单电源的两级电路。如图所示：图3.1 直流电源电路电源电路由变压，整流，滤波，稳压四部分构成。变压电路由普通的电源变压器组成，将220V的交流电转换成低压交流电；整流电路由一个桥式整流组成，将低压交流电转换成脉动直流电；滤波电路由滤波电容C1和C2构成，滤除交流成分，增加直流成分；稳压电路主要由7812，7912及7805三个集成稳压器
8、，输入端电容C5和C6和输出端电容C3，C4，C7，C8构成，集成稳压器利用负反馈进一步稳定经过滤波后的电压，输出端电容用以改善负载的瞬态效应，消除电路的高频噪声，同时具有消振的作用；发光二极管D2作为电源指示，电阻R1作为限流电阻保护发光二极管。除此之外，单排J1，J2，J3和J4作为电源和地的输出端。3.2声控电路光控电路由拾音电路，两级放大电路和迟滞比较器构成，如图所示：图3.2 光控电路拾音电路将声音转换成微弱的电压信号。然后，微弱的电压信号经过两级放大成伏级的电压，电压通过迟滞比较器转变成单片机识别的方波信号,经过双向稳压管变成V的方波，然后传给单片机的外部中断P3.4口。拾音电路由
9、小型麦克和限流电阻组成，自制5V电源向其提供驱动电流；两级放大电路由两级共射单管放大组成，前级是NPN管，后级是PNP管；迟滞比较器的正向阈值电压为： 负向阈值电压为： 由图而知，故： （式3.2） 可以通过阈值电压的设置来消除两级放大的噪声，防止噪声对产生方波信号的干扰，从而消除噪声对单片机的干扰，增强对有用信号的识别。电阻,非常大，延长电容放电时间。3.3光控电路由光敏电阻，滑动变阻器，电阻，NPN三极管及运算放大器LM358组成，如下图所示：图3.3 光控电路当光敏电阻受光照时，电阻减小，运放同向输入端为低电平；当光照较弱时，电阻增加，运放同向输入端为高电平。光控电路的输出信号经过电压跟
10、随器后，将比较微弱的电流信号放大到单片机能够识别的电流，然后由运放输出端将放大后的信号传给单片机的P1.6口。电路图中的集电极电阻R16作为限流电阻，保护三极管；调节变阻器R15能够改变基极电流，从而控制发射结和集电极电流，进而控制整个光控电路对光信号的灵敏度。3.4 单片机控制电路单片机最小系统如下图所示：图3.4 单片机最小系统P1.6作为光控信号的输入口，P3.4是声控信号的输入端，P1.7是作为输出端，与继电器驱动电路相连。由于没有外部ROM，所以与外部电源相接，置高平，直接读取内部ROM。本次课设通过单片机来完成延时电路和与电路的功能。程序原理如下所示：#include#define
11、 uint unsigned intsbit JD=P17;sbit GM=P16;void delay(uint z);main()TMOD=0x10;EA=1;ET1=1;JD=0;GM=0;while(1) if(JD= =1) delay(10000); JD=0; void counter1( ) interrupt 3 if(GM=1) JD=1;void delay(uint z)uint x,y;for(x=110;x0;x-)for(y=z;y0;y-); 3.5继电器驱动及灯泡照明电路3.5.1发射结接地型开关电路由限流电阻，负载及NPN管构成，VCC为5伏直流电源。如图所
12、示：图3.5.1 开关电路当输入端为0V（低电平），三极管的基极没有合适的偏置电压，三极管处于截止状态；当输入端为5V（高电平），使，基极-发射极处于导通，即三极管导通。如果不加限流电阻R1，会有非常大的基极电流通过。因此如图所示，加上限流电阻R1。3.5.2继电器驱动将开关电路的负载改为继电器，即变成继电器驱动电路。如图所示：图3.5.2继电器驱动及照明电路运放同相输入端与单片机P1.7口相连，电压跟随器将微弱的单片机I0口输出电流放大，提高带负载能力，使电流能够驱动三极管，但为防止电流过大烧坏三极管，因此加上限流电阻R13，从而通过三极管的开关作用来驱动继电器。当开关的负载为电动机或者继电
13、器等感性负载时，在截断流过负载的电流时（晶体管进入截止状态时），会产生感应电动势（楞次定律）。这时产生的电压非常大。当这种电压超过晶体管的时，晶体管将会被击穿。因此给继电器并上一个二极管，将集电极的电位钳制在左右，防止三极管被击穿。3.6 原理总图原理图如下所示：图3.6 原理总图由图可知，声光控节能灯电路声控电路（由声音拾取电路、放大电路、滞回比较器构成），光控电路（电压跟随器），单片机控制电路（由延时电路和逻辑与电路构成），继电器驱动电路及电源电路等部分组成。其中声控电路和光控电路是整个电路的核心部分，作用是将MIC输出的微弱声音信号进行放大，并转换成方波信号。最后通过单片机的比较输出来控
14、制继电器的导通，进而控制灯的亮灭。4参数计算4.1电源电路由于集成稳压器输出端为V和5V，则输入端至少为15V，因此选择220V转V的变压器和7815，7915和7805的集成稳压管。因为本次电路的电流都为毫安级别的，选择最大输出电流为1A的集成稳压管，能完全达到电路要求。滤波电容一般越大越好，一般选取2200u或1000u，在这里选择1000u的电容；输入端电容C5和C6用以抵消输入端的电感效应，以此防止自激震荡和电源高平脉冲的干扰，一般取0.1u至1u，在这里选取0.33u的电容。输出端电容一般取一大一小，选取0.1u和100u的电容。4.2声控电路驻极体话筒将声音信号转换为电信号，其大小
15、为几毫伏，话筒使用5V电源驱动，电阻R2为限流电阻。电阻太大，导致驱动电流太小；电阻太小，导致电流太大，故设定电阻为2K。两级直接耦合放大电路放大倍数；而（为二级的输入电阻）; （式4.2）设定，=，,取,则,又因基极电流比较小，故取；,取； =2.8K，=1.5K；在输入交流信号时，电容接通，电阻被短接，此时；代入（式4.2）得：，而取，则=1K，=7.1K，取。三极管采用互补对称的9013与9012完全满足要求。将其代入电路算得，仿真为700倍左右，经检验实际放大倍数为500左右；因此设计迟滞比较器时，采用实际值。由于两级放大电路存在噪声，经测量大约为5mV左右，需要加迟滞比较器，设置合适
16、的阈值电压，将此段噪声滤掉。而经测量声音信号经两级放大后为0.5V左右，因此将阈值电压设为，=。因此，在迟滞比较器的输出端加上的稳压管，并加上限流电阻，取1K。设电阻=10K,由式3.2得：则电阻=200K，滑动变阻器设为150K，根据外面声音信号的大小来调节阈值电压的值。待添加的隐藏文字内容24.3光控电路 将基极电流设为0.1mA，当有光照射时，,=50K,与光敏电阻此时的阻值（约为1K到10K）相比,光敏电阻可以忽略。选择100K的滑动变阻器来替代50K，让基极电流可调，从而控制射级电流和控制光控电路的灵敏度。集电极电阻为限流电阻，取值为22K。4.4继电器驱动电路单片机高电平时输出拉电
17、流，大概是0.08-0.16mA，表明52的输出能力很弱，因此需要加驱动，本次采用UA741构成电压跟随器，提高带负载的能力。继电器选择5V电压供电，触点电流为1A，吸合电流电流设为50mA，将基极电流控制在0.5mA，故选择三极管的，基极电流所以三极管的集电极电流（负载电流）的额点值要大于50mA，三极管的集电极-发射极和集电极-基极间的最大额定值要大于5V，即，三极管9013完全满足要求，参数为集电极-基极击穿电压为30 V，集电极-发射极击穿电压为25 V，集电极电流为500 mA ，基极电流为50mA，放大倍数满足要求。单片机P1.7输出信号为5V高电平时，三极管导通。继电器驱动电路的
18、输入端为5V，由图可知，以5V减去基极与发射极的结电压0.7V，得到限流电阻上的分压为4.3V，然后代入R=U/I公式，4.3V/0.5mA=8.6K。所以使用8.6K的限流电阻就可以了。但8.6K不在四环电阻的系列值里，可以使用8.2K代替。此外，UA741的最大输出电流为40mA，完全可以满足基极电流的输出；继电器在三极管断开的瞬间产生的感应电动势很大，一般为一百伏或几百伏，因此选择反向电压达1000V的1N4007，能够达到要求。5仿真（1）声控部分仿真电路图，如图所示：图5.1 仿真原理图（2）声控部分仿真结果，如图所示：图5.2 声控电路仿真如图所示：第一条为50HZ的交流信号来替代
19、人的声音信号，输入电压为峰峰值为6mv,两级放大后为4v，放大倍数为667倍，经过迟滞比较器后输出的方波，完全符合要求。 在失真的情况下，电路所消耗的能量最小。6调试与小结本次设计过程中，遇到了许多问题，但经过调试解决。光控部分：经过两级放大的声音信号，开始是直接经过过零比较器转变为方波，但由于两级放大存在很大的噪声，导致输出端是一条直线，没有方波出现。后来在过零比较器的输出端加了一个电容，通过电容把噪声所产生的直流电压去掉，但不能被单片机所识别，因此有加上了电压跟随器，最终满足要求。但比较麻烦，最后将过零比较器与电压跟随直接改为迟滞比较器。继电器驱动部分：刚开始，未加负载时，单片机的输出电压
20、为标准的方波，但在输出端（P1.7）加了继电器驱动时，单片机的输出端电压变为0.63V，不能带动负载。因此，后来加上了电压跟随器来驱动负载。在光控部分也出现了同样的问题，都加上了电压跟随。通过此次课设，对两级放大的实际放大倍数有了解，在实际电路不能达到理论值，若要求更高，完全可以使用集成运放来实现。在对声音信号的处理过程中，必须除去噪声信号对电路的干扰，这是一个很麻烦但必须解决的问题。在此过程中加深了对运放组成的基本电路的理解，如电压跟随器，电压比较器等。另外，在继电器的使用过程中，使用了三极管的开关作用，并不是常见的放大作用，对三极管的应用有了更多的了解。此外，对一些新型器件的使用，如继电器，光敏电阻，驻极体话筒，也拓展了自己的知识，增加了以后自己使用器件的范围。 参考文献1刘岚, 叶庆云.电路分析基础. 北京：高等教育出版社,2010.12吴友宇 .模拟电子技术基础. 北京：清华教育出版社,2009.53郭天祥 .51单片机C语言教程. 北京：电子工业出版社,2009.124丘关源 .电路（第五版）. 北京：高等教育出版社,20045铃木雅臣.晶体管电路设计. 北京：科学出版社，2001
