樓道觸摸延時(shí)開關(guān)的設(shè)計(jì)

1、 2011-2012 學(xué)年 第 二學(xué)期 數(shù)字電子技術(shù) 課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告題 目： 樓道觸摸延時(shí)開關(guān)的設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級(jí)： 10電信（2）班 指導(dǎo)教師： 電氣工程系 2012年 5 月 20 日151、任務(wù)書課題名稱樓道觸摸延時(shí)開關(guān)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師（職稱） 執(zhí)行時(shí)間20112012學(xué)年第二學(xué)期 第 14 周學(xué)生姓名學(xué)號(hào)承擔(dān)任務(wù)設(shè)計(jì)目的1. 掌握脈沖觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)。2. 了解觸摸開關(guān)。設(shè)計(jì)要求1. 設(shè)計(jì)一樓道觸摸延時(shí)開關(guān)，其功能是當(dāng)人用手觸摸開關(guān)時(shí)，照明燈點(diǎn)亮，并持續(xù)一段時(shí)間后自動(dòng)熄滅2. 開關(guān)的延時(shí)時(shí)間約1分鐘左右。3. 畫出電路原理圖。4. 進(jìn)行電路的仿真和調(diào)試。摘 要 樓

2、道觸摸延時(shí)開關(guān)是一種簡(jiǎn)單、安全、新型的電子節(jié)能開關(guān)?？蓮V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(chǎng)所，也可以在家庭安裝。本次設(shè)計(jì)利用模擬電路與數(shù)字電路，以直流穩(wěn)壓電源電路、NE555單穩(wěn)態(tài)電路、和繼電器控制電路為核心設(shè)計(jì)觸摸延時(shí)開關(guān)。需要開燈時(shí)，手指觸摸開關(guān)感應(yīng)區(qū)，電燈自動(dòng)點(diǎn)亮，延時(shí)約一分鐘，電燈自動(dòng)熄滅。設(shè)計(jì)表明這種開關(guān)制作簡(jiǎn)單，安全節(jié)能。關(guān)鍵詞：?jiǎn)畏€(wěn)態(tài)電路,繼電器,NE555定時(shí)器,觸摸延時(shí)開關(guān)目 錄 第一章 設(shè)計(jì)原理1第二章 觸摸延時(shí)電路的設(shè)計(jì)22.1 555計(jì)時(shí)器22.2 設(shè)計(jì)原理2第三章 控制電路的設(shè)計(jì)43.1繼電器的基本理論43.1.1 繼電器的定義43

3、.1.2 繼電器的分類43.1.3 繼電器的作用43.2 電磁式繼電器53.2.1電磁式繼電器結(jié)構(gòu)53.2.2電磁式繼電器工作原理53.2 控制電路的設(shè)計(jì)5第四章 總電路的設(shè)計(jì)74.1樓道觸摸延時(shí)開關(guān)總電路圖74.2工作原理7第五章 電路仿真8結(jié)論12附錄一 555定時(shí)器13參考文獻(xiàn)16答辯記錄及評(píng)分表17 第一章 設(shè)計(jì)原理 樓道觸摸延時(shí)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(chǎng)所，也可以在家庭安裝。需要開燈時(shí)，手指輕輕觸摸開關(guān)的感應(yīng)區(qū)，電燈自動(dòng)開啟點(diǎn)亮，延時(shí)一分鐘，電燈自動(dòng)關(guān)閉熄滅。該操作簡(jiǎn)單，實(shí)用節(jié)能，又沒有聲控開關(guān)有聲音就亮的弊

4、端。觸摸式延時(shí)控制開光具備以下功能特點(diǎn)：節(jié)約電能，無觸點(diǎn)，無污染，安全可靠。為完成設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)電路應(yīng)由如下幾個(gè)部分組成： 1.完成由NE555定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)觸摸開關(guān)的延時(shí)。 2.由繼電器組成的控制電路通過繼電器的通、斷來實(shí)現(xiàn)對(duì)白熾燈的控制。設(shè)計(jì)原理圖如下：電源觸發(fā)電路計(jì)時(shí)電路負(fù)載由設(shè)計(jì)原理圖可知該電路應(yīng)由幾部分組成，而且各個(gè)部分相對(duì)獨(dú)立，因此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)電路的時(shí)可將各個(gè)部分分別設(shè)計(jì)，獨(dú)立選擇器件，獨(dú)立測(cè)試，最后將這幾部分進(jìn)行組裝、調(diào)試，達(dá)到設(shè)計(jì)完整樓道觸摸延時(shí)開關(guān)的目的。第2章 觸摸延時(shí)電路的設(shè)計(jì)2.1 555計(jì)時(shí)器555計(jì)時(shí)器是美國(guó)Signetics公司1972年研制的用于取

5、代機(jī)械式定時(shí)器的中規(guī)模集成電路，因輸入端設(shè)計(jì)有三個(gè)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(gè)：BJT兩個(gè)：555，556（含有兩個(gè)555）；CMOS兩個(gè)：7555，7556（含有兩個(gè)7555）。 555定時(shí)器可以說是模擬電路與數(shù)字電路結(jié)合的典范。 兩個(gè)比較器 C1和 C2各有一個(gè)輸入端連接到三個(gè)電阻R組成的分壓器上，比較器的輸出接到RS觸發(fā)器上。此外還有輸出級(jí)和放電管。輸出級(jí)的驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)200mA。 比較器C1和C2的參考電壓分別為UA和UB，根據(jù)C1和C2的另一個(gè)輸入端觸發(fā)輸入和閾值輸入，可判斷出RS觸發(fā)器的輸出狀態(tài)。當(dāng)復(fù)位端為低電平時(shí)，RS觸發(fā)器被強(qiáng)制復(fù)位。若無需

6、復(fù)位操作，復(fù)位端應(yīng)接高電平。2.2 設(shè)計(jì)原理觸摸延時(shí)電路是基于時(shí)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(shí)間后自動(dòng)斷開達(dá)到延時(shí)的目的。 電路原理：觸摸延時(shí)開關(guān)電路主要由時(shí)基芯片NE555組成的定時(shí)電路，在這里接成單穩(wěn)態(tài)電路。平時(shí)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(shí)，用手觸碰一下觸摸端，觸發(fā)信號(hào)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(diǎn)亮。同時(shí)，555第7腳內(nèi)部截止，電源便通過給充電，這就是定時(shí)的開始。當(dāng)電容上電壓上升至電源電壓的2/3時(shí)，555第7腳導(dǎo)通使放電，使

7、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(shí)結(jié)束。定時(shí)長(zhǎng)短由、決定：=1.1 根據(jù)設(shè)計(jì)需要延時(shí)一分鐘=60s，設(shè)=100F ，則=550K圖2-1觸摸延時(shí)電路原理圖第三章 控制電路的設(shè)計(jì)3.1繼電器的基本理論3.1.1 繼電器的定義繼電器是一種電控制器件。它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路）之間的互動(dòng)關(guān)系。通常應(yīng)用于自動(dòng)化的控制電路中，它實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。具有動(dòng)作快、工作穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于電力保護(hù)、自動(dòng)化、運(yùn)動(dòng)、遙控、測(cè)量和通信等裝置中。3.1.2 繼

8、電器的分類繼電器按其工作原理不同又可分為電磁繼電器，固態(tài)繼電器，熱敏干簧繼電器，磁簧繼電器，光繼電器，時(shí)間繼電器，高頻繼電器，極化繼電器等。按其負(fù)載大小又可分為微功率繼電器，弱功率繼電器，中功率繼電器，大功率繼電器等。按其反應(yīng)類型又可分為電流繼電器，電壓繼電器，功率方向繼電器，阻抗繼電器，頻率繼電器，氣體（瓦斯）繼電器等按其在保護(hù)回路中的作用又可分為啟動(dòng)繼電器，度量繼電器，時(shí)間繼電器，中間計(jì)時(shí)器，信號(hào)繼電器，出口繼電器等。3.1.3 繼電器的作用繼電器是具有隔離功能的自動(dòng)開關(guān)元件，廣泛應(yīng)用于遙控、遙測(cè)、通訊、自動(dòng)控制、機(jī)電一體化及電力電子設(shè)備中，是最重要的控制元件之一。 繼電器一般都有能反映一

9、定輸入變量（如電流、電壓、功率、阻抗、頻率、溫度、壓力、速度、光等）的感應(yīng)機(jī)構(gòu)（輸入部分）；有能對(duì)被控電路實(shí)現(xiàn)“通”、“斷”控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（輸出部分）；在繼電器的輸入部分和輸出部分之間，還有對(duì)輸入量進(jìn)行耦合隔離，功能處理和對(duì)輸出部分進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的中間機(jī)構(gòu)（驅(qū)動(dòng)部分）。 作為控制元件，概括起來，繼電器有如下幾種作用： 1.擴(kuò)大控制范圍：例如，多觸點(diǎn)繼電器控制信號(hào)達(dá)到某一定值時(shí)，可以按觸點(diǎn)組的不同形式，同時(shí)換接、開斷、接通多路電路。 2.放大：例如，靈敏型繼電器、中間繼電器等，用一個(gè)很微小的控制量，可以控制很大功率的電路。 3.綜合信號(hào)：例如，當(dāng)多個(gè)控制信號(hào)按規(guī)定的形式輸入多繞組繼電器時(shí)，經(jīng)過比較綜合

10、，達(dá)到預(yù)定的控制效果。 4.自動(dòng)、遙控、監(jiān)測(cè)：例如，自動(dòng)裝置上的繼電器與其他電器一起，可以組成程序控制線路，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行。3.2 電磁式繼電器3.2.1電磁式繼電器結(jié)構(gòu)電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）吸合。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對(duì)于繼電器的“常開、常閉”

11、觸點(diǎn)，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時(shí)處于斷開狀態(tài)的靜觸點(diǎn)，稱為“常開觸點(diǎn)”；處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱為“常閉觸點(diǎn)”。 圖3.7.1 繼電器接線圖3.2.2電磁式繼電器工作原理 繼電器的工作原理是，當(dāng)繼電器線圈通電后，線圈中的鐵芯產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁力，吸動(dòng)銜鐵帶動(dòng)彈簧，使觸點(diǎn)1、2斷開，1、3接通，當(dāng)線圈斷電后，彈簧使簧片復(fù)位，使觸點(diǎn)1、2接通，1、3斷開，我們只要把需要控制的電路接在觸點(diǎn)1、2間（1、2稱為常閉觸點(diǎn)）或觸點(diǎn)1、3間（稱為常開觸點(diǎn)），就可以利用繼電器達(dá)到某種控制的目的。3.2 控制電路的設(shè)計(jì)當(dāng)繼電器的輸入信號(hào)x從零連續(xù)增加達(dá)到銜鐵開始吸合時(shí)的動(dòng)作值xx,繼電器的輸出信號(hào)立刻從y=0

12、跳躍到y(tǒng)=m,即常開觸點(diǎn)從斷到通。一旦觸點(diǎn)閉合，輸入量x繼續(xù)增大，輸出信號(hào)y將不再起變化。當(dāng)輸入量x從某一大于xx值下降到xf,繼電器開始釋放，常開觸點(diǎn)斷開。我們把繼電器的這種特性叫做繼電特性，也叫繼電器的輸入-輸出特性。 本設(shè)計(jì)中應(yīng)用繼電器的輸入輸出特性來控制負(fù)載，達(dá)到定時(shí)關(guān)燈的目的。在樓道觸摸延時(shí)開關(guān)設(shè)計(jì)中，控制電路主要由繼電器與二極管組成，通過繼電器的通斷來控制燈泡的亮與熄滅。電路中，繼電器線圈兩端反相并聯(lián)了一只二極管，它是用于保護(hù)集成塊的，切不可省去，否則在繼電器由吸合狀態(tài)轉(zhuǎn)為釋放時(shí)，由于電感的作用線圈上將產(chǎn)生較高的反電動(dòng)勢(shì)，極容易導(dǎo)致集成塊擊穿。并聯(lián)了二極管后，在繼電器由吸合變?yōu)獒尫?/p>

13、的瞬間，線圈將通過二極管形成短時(shí)間的續(xù)流回路，使線圈中的電流不致突變，從而避免了線圈中反電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生，確保了集成塊的安全。圖3-1 控制電路圖工作原理：當(dāng)NE555三腳輸出高電平時(shí)，繼電器的線圈中會(huì)流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合，電燈亮。當(dāng)NE555三腳輸出低電平時(shí)，繼電器中線圈斷電，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）釋放，此時(shí)電燈熄滅。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的?？刂齐娐穮?shù)要求：繼電器由NE555三腳

14、輸出電壓決定，由于NE55的供電電源是5V，所以3腳輸出電壓略等與5V 。可以選用額定電壓5V的繼電器，二極管選用普通二極管。第四章 總電路的設(shè)計(jì)4.1樓道觸摸延時(shí)開關(guān)總電路圖 由設(shè)計(jì)原理可知，本次設(shè)計(jì)的樓道觸摸延時(shí)開關(guān)是由基于555計(jì)時(shí)器的觸摸延時(shí)電路和基于繼電器的控制電路組合構(gòu)成的，故將二者結(jié)合極為下圖所示的總電路圖。圖4-1 樓道觸摸延時(shí)開關(guān)總電路原理圖4.2工作原理經(jīng)過直流穩(wěn)壓電源得到穩(wěn)定的5V直流電壓，為NE555提供工作電壓，當(dāng)需要開燈時(shí)，用手觸碰一下感應(yīng)區(qū)，觸發(fā)信號(hào)電壓加至555的觸發(fā)端，使555的輸出端由低變?yōu)楦唠娖?，繼電器KS吸合，220V交流電形成回路，電燈點(diǎn)亮。同時(shí)，電源

15、通過定時(shí)電阻給定時(shí)電容充電，這就是定時(shí)的開始。延時(shí)一段時(shí)間后555的輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖剑^電器釋放，220V交流電形成的回路斷開，電燈熄滅。第五章 電路仿真圖5-1 實(shí)驗(yàn)總電路圖圖5-2 555計(jì)時(shí)器輸出端為低電平時(shí)的波形 按設(shè)計(jì)方案連接仿真電路，當(dāng)開關(guān)未閉合時(shí)，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。圖5-2 開關(guān)閉合時(shí)燈泡點(diǎn)亮 當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，5V電壓加在555計(jì)時(shí)器的觸發(fā)端，使輸出端信號(hào)有低電平變?yōu)楦唠娖?，繼電器銜鐵閉合，照明電路接通，燈泡點(diǎn)亮。同時(shí)，電源通過定時(shí)電阻給定時(shí)電容充電，這就是定時(shí)的開始。圖5-2開關(guān)按下后555計(jì)時(shí)器輸出端由低電平變?yōu)楦唠娖綀D5-3

16、開關(guān)斷開后燈泡繼續(xù)保持點(diǎn)亮狀態(tài)圖 5-4 開關(guān)斷開后555計(jì)時(shí)器輸出端保持高電平輸出圖5-1繼電器從高電平跳變到低電平時(shí)的波形變化延時(shí)一段時(shí)間后555的輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖?，繼電器釋放，120V交流電形成的回路斷開，電燈熄滅。達(dá)到預(yù)定設(shè)計(jì)目的，設(shè)計(jì)成功。 結(jié)論 通過本次對(duì)樓道觸摸延時(shí)開關(guān)的設(shè)計(jì)，使我從中學(xué)習(xí)到了許多的新知識(shí)，對(duì)觸摸延時(shí)開關(guān)的認(rèn)識(shí)又提升到了一個(gè)新的階段，對(duì)于樓道觸摸延時(shí)開關(guān)的設(shè)計(jì)，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(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)觸摸開關(guān)的延時(shí)；由繼電器組成的控制電路通過繼電器的通、斷來實(shí)現(xiàn)對(duì)白熾

17、燈的控制。 附錄一 555定時(shí)器圖 附1.1 555定時(shí)器的內(nèi)部邏輯電路構(gòu)造 圖2 555定時(shí)器邏輯符號(hào) 圖3 555定時(shí)器管腳圖555 定時(shí)器成本低，性能可靠，只需要外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)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(shí)器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測(cè)量及自動(dòng)控制等方面。它內(nèi)部包括兩個(gè)電壓比較器，三個(gè)等值串聯(lián)電阻，一個(gè) RS 觸發(fā)器，一個(gè)放電管 T 及功率輸出級(jí)。它提供兩個(gè)基準(zhǔn)電壓VCC /3 和 2VCC /3 。555 定時(shí)器的功能主要由兩個(gè)比較器決定。兩個(gè)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)

18、 5 腳懸空時(shí)，則電壓比較器 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(shí) 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(gè)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(shí)基電路VCC的范圍是4.5 16V，CMOS型時(shí)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(shí)基電路不工作，此時(shí)不論TR、TH處于何電平，時(shí)基電路輸出為“0”，該端不用時(shí)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?jī)蓚€(gè)比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時(shí)，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