樓道聲控開關(guān)

1、電 子 技 術(shù) 綜 合 設(shè) 計樓道觸摸延時開關(guān)姓名院系信息與電氣工程學(xué)院專業(yè)電子類年級1501學(xué)號指導(dǎo)教師2017年 月 日樓道觸摸延時開關(guān)一設(shè)計目的1.進(jìn)一步熟悉和掌握數(shù)字電子電路的設(shè)計方法和步驟2.進(jìn)一步將理論和實踐相結(jié)合3.熟悉和掌握仿真軟件的應(yīng)用二設(shè)計任務(wù)（內(nèi)容）（1）設(shè)計一樓道觸摸延時開關(guān)，其功能時當(dāng)人用手觸摸開關(guān)時，照明燈點亮，并持續(xù)一段時間后自動熄滅。（2）開關(guān)的延時時間約1分鐘左右。二設(shè)計要求1.完成全電路的理論設(shè)計2.參數(shù)的計算和有關(guān)器件的選擇3.對電路進(jìn)行仿真4.撰寫設(shè)計報告書一份；A3圖紙至少一張。報告書要求寫明以下主要內(nèi)容（1）總體方案的選擇和設(shè)計（2）各個單元電路的選

2、擇和設(shè)計（3）PCB的制作及仿真過程的實現(xiàn)參考資料 1閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）北京：高等教育出版社，20062王兆安.電力電子技術(shù)（第四版）北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20003楊志忠.集成電路及元器件使用手冊 北京：機(jī)械工業(yè)出版社20104朱定華. 電子電路實驗與課程設(shè)計 北京：清華大學(xué)出版社，2009樓道觸摸延時開關(guān)課程設(shè)計目錄第一章 設(shè)計原理1第二章 電路的設(shè)計22.1觸摸延時電路的設(shè)計22.1.1 555計時器22.1.2延時電路設(shè)計原理32.2橋式整流電路原理42.2.1單項橋式整流電路組成42.2.2單項橋式整流電路工作原理52.3濾波電路和穩(wěn)壓電路62.3.1濾波電路62.3.

3、2穩(wěn)壓電路62.5整體系統(tǒng)的概述8第三章 電路的仿真93.1 Multisim93.2仿真10第四章 心的與體會15附錄一 555定時器16附錄二 元件參數(shù)19第一章 設(shè)計原理 樓道觸摸延時開關(guān)是一種新型電子節(jié)能開關(guān)，可廣范應(yīng)用于多層住宅和辦公樓室外的走廊，門廳，樓梯間，電梯間，過道等公共場所，也可以在家庭安裝。需要開燈時，手指輕輕觸摸開關(guān)的感應(yīng)區(qū)，電燈自動開啟點亮，延時一分鐘，電燈自動關(guān)閉熄滅。該操作簡單，實用節(jié)能，又沒有聲控開關(guān)有聲音就亮的弊端。觸摸式延時控制開光具備以下功能特點：節(jié)約電能，無觸點，無污染，安全可靠。為完成設(shè)計要求，設(shè)計電路應(yīng)由如下幾個部分組成： 1.完成由NE555定時器

4、組成的單穩(wěn)態(tài)電路實現(xiàn)對觸摸開關(guān)的延時。2.由單項橋式整流電路，聞言管等構(gòu)成5V的直流電源。設(shè)計原理圖如下：直流電源觸發(fā)端執(zhí)行電路控制電路燈 由設(shè)計原理圖可知該電路應(yīng)由幾部分組成，而且各個部分相對獨立，因此，在進(jìn)行設(shè)計電路的時可將各個部分分別設(shè)計，獨立選擇器件，獨立測試，最后將這幾部分進(jìn)行組裝、調(diào)試，達(dá)到設(shè)計完整樓道觸摸延時開關(guān)的目的。第二章 電路的設(shè)計2.1觸摸延時電路的設(shè)計 2.1.1 555計時器555計時器是美國Signetics公司1972年研制的用于取代機(jī)械式定時器的中規(guī)模集成電路，因輸入端設(shè)計有三個5k的電阻而得名。此電路后來竟風(fēng)靡世界。目前，流行的產(chǎn)品主要有4個：BJT兩個：55

5、5，556（含有兩個555）；CMOS兩個：7555，7556（含有兩個7555）。555定時器的電路如圖所示。它由三個阻值為5k的電阻組成的分壓器、兩個電壓比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器、放電晶體管T、與非門和反相器組成。2.1.2延時電路設(shè)計原理 觸摸延時電路是基于時基芯片NE555構(gòu)成的電路，主要用于開關(guān)閉合后控制電路在一段時間后自動斷開達(dá)到延時的目的。 電路原理：觸摸延時開關(guān)電路主要由時基芯片NE555組成的定時電路，在這里接成單穩(wěn)態(tài)電路。平時由于觸摸端無感應(yīng)電壓，電容通過555第7腳放電完畢，第3腳輸出為低電平，繼電器KS釋放，電燈不亮。 當(dāng)需要開燈時，用手觸碰一下觸摸端，觸發(fā)信號

6、電壓由加至555的觸發(fā)端，使555的輸出由低變成高電平，繼電器KS吸合，電燈點亮。同時，555第7腳內(nèi)部截止，電源便通過給充電，這就是定時的開始。當(dāng)電容上電壓上升至電源電壓的2/3時，555第7腳導(dǎo)通使放電，使第3腳輸出由高電平變回到低電平，繼電器釋放，電燈熄滅，定時結(jié)束。定時長短由、決定：=1.1 根據(jù)設(shè)計需要延時一分鐘=60s，設(shè)=100F ，則=550K圖2-1觸摸延時電路原理圖VCCOUTU2555_TIMER_RATEDGNDDISRSTTHRCONTRIR1550kR2200kC4100uFC5104uF開關(guān) VCC5V2.2橋式整流電路原理整流電路是利用了二極管的單向?qū)щ娦?，將?/p>

7、個二極管分為兩組，根據(jù)變壓器副邊電壓的極性分別導(dǎo)通，將變壓器副邊電壓的正極性端與負(fù)載電阻的上端相連， 負(fù)極性端與負(fù)載電阻的下端相連，使負(fù)載上始終可以得到一個單向的脈動電壓。2.2.1單項橋式整流電路組成2-2單項橋式整流電路V1220 Vrms 50 Hz 0 T1D11243RL2.2.2單項橋式整流電路工作原理設(shè)變壓器副邊電壓，U2為其有效值由圖2.2可看出，電路中采用四個二極管，互相接成橋式結(jié)構(gòu)。利用二極管的 電流導(dǎo)向作用，在交流輸入電壓 U 2 的正半周內(nèi)，二極管 D1 、 D 3 導(dǎo)通， D 2 、 D 4 截 止，在負(fù)載 RL 上得到上正下負(fù)的輸出電壓；在負(fù)半周內(nèi)，正好相反， D1

8、 、 D 3 截止，D 2 、 D 4 導(dǎo)通，流過負(fù)載 RL 的電流方向與正半周一致。因此，利用變壓器的一個副邊繞組和四個二極管，使得在交流電源的正、負(fù)半周內(nèi)，整流電路的負(fù)載上都有方向 不變的脈動直流電壓和電流。如圖2-3所示為單相橋式整流電路各部分的電壓和電流的波形。 圖2-3橋式整流電路電流、電壓波形2.3濾波電路和穩(wěn)壓電路 2.3.1濾波電路濾波電路利用電阻抗元件對交、直流阻抗的不同，實現(xiàn)濾波。電容器 C 對直流開 路，對交流阻抗小，所以 C 應(yīng)該并聯(lián)在負(fù)載兩端。經(jīng)過濾波電路后，既可保留直流分 量，又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動系數(shù)， 改善了直流電壓的質(zhì)

9、量。 +Vi - V1220 Vrms 50 Hz T1D11243RLCU1U2電路工作原理 濾波電容容量大， 因此一般采用電解電容， 在接線時要注意電解電容的正、 負(fù)極。 電容濾波電路利用電容的充、放電作用，使輸出電壓趨于平滑。 當(dāng) U 2 為正半周并且數(shù)值大于電容兩端電壓 UC 時，二極管 D1 和 D 3 管導(dǎo)通，D 2 和D 4 管截止，電流一路流經(jīng)負(fù)載電阻 RL ，另一路對電容 C 充電。當(dāng) UC U 2 ，導(dǎo)致 D1 和 D 3 管反向偏置而截止，電容通過負(fù)載電阻 RL 放電， UC 按指數(shù)規(guī)律緩慢下降。 當(dāng) U 2 為負(fù)半周幅值變化到恰好大于 UC 時， D 2 和 D 4 因

10、加正向電壓變?yōu)閷?dǎo)通狀2.3.2穩(wěn)壓電路1.穩(wěn)壓二極管是一個特殊的面接觸型的半導(dǎo)體硅二極管，其V-A特性曲線與普通二極管相似，但反向擊穿曲線比較陡。穩(wěn)壓二極管工作于反向擊穿區(qū)，由于它在電路中與適當(dāng)電陰配合后能起到穩(wěn)定電壓的作用，故稱為穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管反向電壓在一定范圍內(nèi)變化時，反向電流很小。當(dāng)反向電壓增高到擊穿電壓時，反向電流突然增大，穩(wěn)壓管從而反向擊穿，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓的變化卻相當(dāng)小，利用這一特性，因此穩(wěn)壓管在電路中起到了穩(wěn)壓的作用。圖2-4 穩(wěn)壓管特性曲線穩(wěn)壓管與其普通二極管不同之處在于反向擊穿是可逆性的。當(dāng)去掉反向電壓穩(wěn)壓管又恢復(fù)正常，但如果反向電流超過允許范圍，

11、二極管將會發(fā)熱擊穿，所以，與其配合的電阻往往起到限流的作用。2穩(wěn)壓電路圖25穩(wěn)壓電路當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化時，濾波電路輸出的直流電壓的幅值也將變化。因此，穩(wěn)壓電路的作用是將使整流濾波后的直流電壓基本上不隨交流電網(wǎng)電壓或負(fù)載的變化而變化。2.5整體系統(tǒng)的概述從應(yīng)用的安全因素考慮，用隔離變壓器對220V交流電進(jìn)行降壓，得一個較小的交流電壓，經(jīng)整流，濾波得到一個直流電壓，在經(jīng)過穩(wěn)壓電路得到一個穩(wěn)定的直流電壓為555定時器提供工作電壓。當(dāng)需要開燈時，用手觸摸一下開關(guān)，觸發(fā)信號電壓加到555的觸發(fā)端，使555的輸出由低電平變成高電平，繼電器KS吸合，220V交流電形成回路，點燈點亮。同時，電源通過

12、定時電阻給定時電容充電，這就是定時的開始，延時一段時間后555的觸發(fā)端由高電平回到低電平，繼電器釋放，220V交流電形成的回路斷開，電燈熄滅。這就是觸摸延時開關(guān)的原理。圖2-8樓道延時開關(guān)原理圖第三章 電路的仿真3.1 MultisimMultisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進(jìn)行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技

13、術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計和測試這樣一個完整的綜合設(shè)計流程。NI Multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進(jìn)行設(shè)計和驗證。憑借NI Multisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級SPICE分析和虛擬儀器，您能在設(shè)計流程中提早對電路設(shè)計進(jìn)行的迅速驗證，從而縮短建模循環(huán)。與NI LabEW和SignalExpress軟件的集成，完善了

14、具有強(qiáng)大技術(shù)的設(shè)計流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實現(xiàn)建模測量。NI Multisim軟件是一個專門用于電子電路仿真與設(shè)計的EDA工具軟件。作為 Windows 下運行的個人桌面電子設(shè)計工具，NI Multisim 是一個完整的集成化設(shè)計環(huán)境。NI Multisim計算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實際動手實驗相脫節(jié)的這一問題。學(xué)員可以很方便地把剛剛學(xué)到的理論知識用計算機(jī)仿真真實地再現(xiàn)出來，并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。NI Multisim軟件絕對是電子學(xué)教學(xué)的首選軟件工具。3.2仿真1直流穩(wěn)壓電源仿真圖3-1直流穩(wěn)壓電路圖3-2直流穩(wěn)壓仿真值2延時電路的仿真

15、圖3-2 延時電路 圖3-2延時電路保持高電平輸出波形 3樓道延時開關(guān)電路仿真圖3-3樓道觸摸延時開關(guān)電路原理圖1）開關(guān)斷開狀態(tài)圖3-4計時器輸出端為低電平時的波形 1按設(shè)計方案連接仿真電路，當(dāng)開關(guān)未閉合時，555繼電器輸出端為低電平，繼電器保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，燈泡保持熄滅。2）開關(guān)閉合狀態(tài)圖3-5開關(guān)按下后555計時器輸出端由低電平變?yōu)楦唠娖疆?dāng)開關(guān)閉合時，5V電壓加在555計時器的觸發(fā)端，使輸出端信號有低電平變?yōu)楦唠娖剑^電器銜鐵閉合，照明電路接通，燈泡點亮。同時，電源通過定時電阻給定時電容充電，這就是定時的開始。3） 保持高電平輸出狀態(tài) 圖 3-6 開關(guān)斷開后555計時器輸出端保持高電平輸出4）

16、繼電器從高電平跳變到低電圖3-7繼電器從高電平跳變到低電平時的波形變化 1延時一段時間后555的輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖?，繼電器釋放，220V交流電形成的回路斷開，電燈熄滅。達(dá)到預(yù)定設(shè)計目的，設(shè)計成功電路板圖片第四章 心的與體會 通過本次對樓道觸摸延時開關(guān)的設(shè)計，使我從中學(xué)習(xí)到了許多的新知識，對觸摸延時開關(guān)的認(rèn)識又提升到了一個新的階段，對于樓道觸摸延時開關(guān)的設(shè)計，我們應(yīng)該抓住其本質(zhì)，主要包括直流穩(wěn)壓電源經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓為NE555提供工作電壓；完成由NE555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)電路實現(xiàn)對觸摸開關(guān)的延時；由繼電器組成的控制電路通過繼電器的通、斷來實現(xiàn)對白熾燈的控制。 附錄一 555定時器圖

17、附1.1 555定時器的內(nèi)部邏輯電路構(gòu)造圖 附1.2 555定時器邏輯符號圖 附1.3 555定時器管腳圖555 定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。它內(nèi)部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個 RS 觸發(fā)器，一個放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個基準(zhǔn)電壓VCC /3 和 2VCC /3 。555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng) 5 腳懸空時，則電壓比

18、較器 C1 的同相輸入端的電壓為 2VCC /3，C2 的反相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時 TR 端的電壓大于VCC /3，則 C1 的輸出為 0，C2 的輸出為 1，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0 電平。 它的各個引腳功能如下：1腳：外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。8腳：外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.5 16V，CMOS型時基電路VCC的范圍為3 18V。一般用5V。 .3腳：輸出端Vo 2腳：低觸發(fā)端6腳：TH高觸發(fā)端 4腳：是直接清零端。當(dāng)此端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TR、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應(yīng)接高電平。 5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時，應(yīng)將該端串入一只0.01F電容接地，以防引入干擾。 7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的