自动化专业电子课程设计报告-楼道触摸延时开关.doc

淮南师范学院电气信息工程系 自动化专业电子课程设计报告 自动化专业电子课程设计报告题 目： 楼道触摸延时开关 姓名学号指导教师： 杨国诗 评阅成绩等次： 电气信息工程系2010-2011 第二学期摘要 楼道触摸延时开关是一种简单、安全、新型的电子节能开关。可广泛应用于多层住宅和办公楼室外的走廊、门厅、楼梯间、电梯间、过道等公共场所，也可以在家庭安装。本次设计利用模拟电路与数字电路，以直流稳压电源电路、ne555单稳态电路、和继电器控制电路为核心设计触摸延时开关。需要开灯时，手指触摸开关感应区，电灯自动点亮，延时约一分钟，电灯自动熄灭。设计表明这种开关制作简单，安全可靠。 关键字：单稳态电路，继电器，ne555定时器，触摸延时开关 目 录前言 .4一 、设计的任务与要求 .5 1.1 设计的任务 .5 1.2 设计的要求 .5二、总体设计和系统框图 .52.1 触摸延时设计方案 .52.2直流稳压电源设计方案.62.3控制电路设计方案 .62.4电路系统总体设计 .7三、设计方案 . 83.1 电源电路的设计 .83.2 稳压电路设计 . 93.3 单相桥式整流电路 103.4 滤波电路 123.5 555定时器 . 153.6 延时电路 173.7 继电器 183.8 控制电路 19四、系统仿真 . 204.1 仿真控制原理及仿真图. 20五、设计结果分析. 21 5.1 系统能实现的功能. 21 5.2 系统所选用器件一览表. 22六、设计总结和体会. 22致谢. 24参考文献. 25 前 言市场经济的发展，人们对开关的需求越来越高，开关的种类也因此越来越齐全。声控开关、机械开关、光控开关等产品逐步进入生活中。但由于机械开关属于有触点开关元件，它有接触不良、故障率高、使用不便等缺点，且摩擦较大容易损坏；声控开关严重浪费了电力资源，干扰了环境安宁；光控开关是采用光线的强弱来实现对用电器电源自动控制的电子开关，它对光线强弱的要求苛刻。针对以上开关的各种缺点，促使我们寻求更为理想的开关电器设备替代元件，方便人们生活。楼道延时触摸开关是一种新型的电子节能开关，可广泛应用于多层住宅和办公室外的走廊、门厅、楼梯间、电梯间、过道等公共场所，也可以在家庭安装。本次设计利用模拟电路和数字电路，以直流稳压电源电路、ne555单稳态电路、和继电器控制电路为核心设计延时触摸开关。需要开关灯时，手指触摸开关感应区，电灯自动点亮，延时约一分钟，电灯自动熄灭。该操作简单，使用节能，又没有声控开关有声音就亮的弊端。主要由ne555定时器，直流稳压电路和继电器控制电路组成。具备以下功能特点：节约电能，无触点，无污染，安全可靠。一、设计的任务与要求1.1 设计任务利用模拟电路与数字电路，以直流稳压电源电路、ne555单稳态电路、和继电器控制电路为核心设计触摸延时开关。通过本次设计了解并掌握对直流稳压电源的整流、滤波、稳压为ne555提供工作电源，由ne555定时器组成的单稳态电路实现对触摸开关的延时以及由继电器组成的控制电路来实现对白炽灯的控制等。1.2 设计要求使触摸延时开关具有以下功能：（1）当人用手触摸开关时，照明灯亮，并延续一段时间后自动熄灭。（2）开关的延时时间为一分钟左右。二、总体设计和系统框图2.1 触摸延时方案 图2.1.1 触摸延时开关555定时器构成单稳态触发器。只要用手触摸一下金属片p，由于人体感应电压相当于在触发输入端（管脚2）加入一个负脉冲，555输出端输出高电平，灯泡（rl）发光，当暂稳态时间（tw）结束时，555输出端恢复低电平，灯泡熄灭。该触摸开关可用于夜间定时照明，定时时间可由rc参数调节。2.2 直流稳压电源设计方案 在电子电路中，都需要电压稳定的直流稳压电源供电。直流稳压电源它是由电源变压器、整流、滤波、和稳压电路等四部分组成。 图2.2.1 直流稳压电源框图电源变压器交流电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压会随温度、负载等其他因素的变化而变化。因而在整流滤波电路之后，稳压电路的作用是维持输出直流电压稳定。2.3控制电路设计方案 方案一： 本方案控制电路主要由继电器和二极管组成。继电器是一种电子控制器件，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大的电流的一种“自动开关”。为防止继电器由吸合状态转为释放时，由于电感的作用线圈将产生较高的反电动势，极容易导致集成块击穿，所以在其两端并联二极管，在继电器由吸合状态转为释放变为释放的瞬间，线圈将通过二极管形成短时间的续流回路，使线圈中的电流不致突变，从而避免了线圈中反电动势的产生，保护了集成块的安全。方案二：本方案主要利用了三极管的开关作用。三极管工作在饱和状态（发射结和集电结都是正偏置）时，其c-c极间电压很小，比pn结的导通电压还要低（硅管在0.5v以下），c-e极间相当“短路”，即呈“开”的状态。图2.3.1 三极管结构示意图 三极管在截止状态（发射结、集电结都是反偏置）时，其c-c极间电流很小（硅管基本上量不到），c-e极间相当于“断开”，即呈“关”的状态。 三极管电路特点是开关速度快，远远比机械开关快，没有机械接点，不产生电火花。开关的控制灵敏，对控制信号的要求低，导通时开关的电压降比机械开关大，关断时开关的漏电流比机械开关大。不宜直接用于高电压、强电流的控制。基于此本设计采用方案一。2.4电路系统总体设计综上各方案所述,系统的工作原理：从应用的安全因素考虑，用隔离变压器对220v交流电进行降压，得到一个12v的交流电压，经整流、滤波得到一个12v的直流电压，再经过l7805稳压得到稳定的5v直流电压，为ne555提供工作电压，当需要开灯时，用手触碰一下感应区，触发信号电压加至555的触发端，使555的输出端由低变为高电平，继电器ks吸合，220v交流电形成回路，电灯点亮。电源变压器整流电路滤波电路稳压电路ne555单稳态触发器继电器控制电路灯触发端图2.4.1 设计系统流程框图同时，电源通过定时电阻给定时电容充电，这就是定时的开始。延时一段时间后555的输出端由高电平变为低电平，继电器释放，220v交流电形成的回路断开，电灯熄灭。具体系统框图如图2.4 .1所示：三、设计方案3.1电源电路 电子系统的稳定运行离不开稳定的电源，除了在某些特定的场合下采用太阳能电池或化学电池作电源外，多数电路的直流电源是由电网的交流电转换来的。常用小功率直流稳压电源系统由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四部分组成如图3.1.1所示： 图3.1.1 小功率直流稳压电源系统结构电源变压器：将电网交流电压（220v或380v）变换成符合需要的交流电压，此交流电压经过整流后可获得电子设备所需的直流电压，因为大多数电子电路使用的电压都不高，这个变压器起到降压的功能。 整流电路：利用具有单向导电性能的整流元件二极管，把方向和大小都变化的50hz交流电变换为方向不变但大小仍有脉动的直流电。 滤波电路：利用储能元件电容器c两端电压不能突变的性质，把电容c与整流电路的负载rt并联（或串联）就可以将整流电路输出中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。稳压电路：当电网电压或负载电流发生变化时，滤波电路输出的直流电压的幅值也随之变化，因此，稳压电路的作用是使整流滤波后直流电压基本上不随交流电网电压和负载的变化而变化。3.2稳压电路 由于集成电路工艺迅速发展，集成稳压电路的制成，也具有集成电路的共同特点：体积小，外围元件少，性能可靠，使用调整方便等优点，因此广泛使用。目前，集成稳压器的类型很多，按结构形式可分为串联型、并联型、和开关型；按输出电压类型可分为固定式和可调式。作为小功率的稳压电源以三端式串联型稳压器的应用最为普遍。图3.2.1 固定的三端集成稳压器方框图三端式是指稳压电路仅有输入、输出、接地三个接线端。有固定式和可调式两种，此外又分正或负输出电压类型。w7800系列三端固定正电压输出集成稳压器；w7900系列三端固定负电压输出集成稳压器。型号中最后两位数表示输出电压的稳定值，有5v、6v、9v、12v、15v、18v和24v。本设计中采用的是w7805稳压，为ne555提供工作电源。基本应用电路如图3.2.2所示，为抵消输入线较长时的电感效应，需在输入端并接电容c1；为消除输出电压中的高频噪声，需在输出端并接电容c2；当输出电压较高且c2容量较大时，输入端和输出端之间应跨接保护二极管vd，否则输入端一旦断开，c2将通过三端稳压器放电而使之损坏。此外，还必须注意防止稳压器的公共接地端开路，因为接地端开路时，输出电压接近于输入电压，所以可能使负载过压受损。图3.2.2 w7800的基本应用电路1.使用时要求稳压器输入电压值至少大于2v以上，但不宜过大，要低于人体的安全电压36v，即|ui|-|uo|2v。uo为某一固定值，在数值等于2端和3端的电位差，即uo=u2-u3，本设计中uo=5v。另外还有接地端流过的静态电流io=8ma。2.确定稳压器型号、输入电压和输出电流 根据要求uo=5v，故选用w7805型号，稳压器压差为|ui|-|uo|=|u1|-|u2|2v，现取4v，所以输入电压u1=5+4=9v；直流稳压电源工作时最大电流iomax=300ma,稳压器是输入电流即为整流滤波电路的负载电流il=iomax+io=300+8=308ma。 为确定整流二极管和滤波电容参数需要，先确定电源变压器的变电压有效值u2和整流滤波电路的等效负载rlu2=7.5v现取u2=8v rl=31.23.3单相桥式整流电路桥式整流电路是利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极端与负载电阻的上端相连，负极端与负载电阻的下端相连，使负载上始终得到一个单向的脉动电压，如图3.31： 图 3.3.1 单相桥式整流1、桥式整流电路的工作原理由图3.3.1可看出，电路中采用四个二极管，互相接成桥式结构。利用二极管的电流导向作用，在交流输入电压u2的正半周内，a端电位高于b端电位，二极管d1、d3导通，d2、d4截止，在负载r1上得到上正下负是输出电压；在负半周内，b端电位高于a端电位，正好相反，d1、d3截止，d2、d4导通，流过负载r1的电流方向与正半周一致。因此，利用变压器的一个副边绕组和四个二极管，使得在交流电源的正、负半周内，整流电路的负载上都有方向不变的脉动直流电压和电流。 图 3.3.2 桥式整流电路波形图2、整流二极管参数计算 正向平均电流：ifid=0.5il=0.5308ma=154ma 最大反向电压：urmur(max)=1.414u2=1.4148=11.312v3、电源变压器容量 副边电流有效值： i2=（1.52）il=（1.52）308ma=（462616）ma取i2为500ma时，副边容量： p2=u2i2=80.5=4 va 变压器效率t=0.6 则原边容量： p1= p2/t=4/0.6=6.7 va 故平均容量为：p=0.5（p1+ p2）=0.5（6.7+4）=5.35 va 取p=5 va3.4滤波电路滤波电路利用电抗元件对交、直流阻抗的不同来对整流输出电压中的纹波实现滤波。由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器c在电源供给的电压升高时，能把部分能量储存起来，而当电源电压降压时，就把电场能量释放出来，时负载电压比较平滑，即电抗元件具有平波的作用。常用结构如图所示：图 3.4.1 滤波电路的基本形式 （a）c形滤波电路 （b）倒l形滤波电路 （c）形滤波电路1. 本设计采用的是电容滤波电路。电容c对直流开路，对交流阻抗小，所以c应该并联在负载两端。经过滤波电路后，既可以保留直流分量，又可以滤除一部分交流分量，改善了交直流成分是比例，减少电路的脉动系数，改善直流电压的质量。 图 3.4.2 桥式整流、电容滤波电路2. 电容滤波电路的工作原理 滤波电容容量大，一般采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正、负极，电容滤波电路利用电容的充、放电作用，使输出电压趋于平滑。负载rl未接入（开关s断开）时的情况：设电容器两端初始电压为零，接入交流电源后，当u2为正半周时，u2通过d1、d3向电容器c充电，u2为负半周时，经d2、d4向电容器c充电，充电时间常数为：c =rintc 式中rint包括变压器二次绕组的直流电阻和二极管d的正向电阻。由于rint一般很小，电容器很快就充电到交流电压u2的最大值1.414 u2，极性如图3.4.2所示。由于电容器无放电回路，故输出电压（即电容器c两端的电压uc）保持在1.414 u2，输出为一恒定的直流电压，如图3.4.3中wt0部分所示。接入负载rl（开关s合上）时的情况：设变压器二次电压u2从0开始上升（即正半周开始）时接入负载rl，由于电容器在负载未接入前充了电，故刚接入负载时u2 uc , 二极管受反向电压而截至，电容器经rl放电，放电时间常数为d =rlc。因d一般较大，故电容器两端电压u2按指数规律慢慢下降。其输出电压uo=uc，如图3.4.3的ab端所示。于此同时，交流电压u2按正弦规律上升。当u2大于uc时，二极管d1、d3受正向电压作用而导通，此时u2经二极管d1、d3一方面向负载rl提供电流，另一方面向电容器c充电，uc升高将如图3.4.3中的bc段，图中bc段的阴影部分为电路中的电流在整流电路内阻rint上产生的压降。uc随着交流电压u2升高到最大值1.414 u2的附近。然后，u2又按正弦规律下降。当u2=0.5(35)t/ rl=0.5(35)0.02/ 31.2=（9601603）uf取c=1000uf电容的耐压： ucm=1.414 u2=12v取ucm=25v，故电容参数为c：1000uf/25v3.5 555定时器 555定时器集模拟、数字与一体的中规模集成电路，其应用十分广泛，不仅可作各种仪器、仪表、自动化装置、各种民用电器的定时器、时间延时器等时间功能电路，也可构成自激多谐振荡器，脉冲调制电路，脉冲相位调谐电路及单稳态、双稳态等各种电路。 图 3.5.1 555定时器外形结构1电路结构 555定时器的内部电路由分压器、电压比较器c和c、简单sr锁存器、放电三极管t以及缓冲器g组成，其内部结构图如图3.5.2所示。三个5k的电阻串联组成分压器，为比较器c、c提供参考电压。当控制电压端（5）悬空时（可对地接上0.01uf左右的滤波电容），比较器c和c的基准电压分别为2/3v和v/3。v是比较器c的信号输入端，称为阈值输入端；v是比较器c的信号输入端，称为触发输入端。如果控制电压端（5）外接电压v,则比较器c、c的基准电压就变为v和v/2。比较器c和c的输出控制sr锁存器和放电三极管t的状态。 3.5.2图 555定时器的电路结构放电三极管t为外接电路提供放电通路，在使用定时器时，该三极管的集电极（7脚）一般都要外接上拉电阻。为直接复位输入端，当为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出端v即为低电平。2.电路功能当v2/3v， v v/3时，比较器c输出低电平，比较器c输出高电平，简单sr锁存器q端置0，放电三极管t导通，输出端v为低电平。当v2/3v， vv/3时，比较器c输出高电平，比较器c输出低电平，简单sr锁存器q端置1，放电三极管t截止，输出端v为高电平。当v v/3时，简单sr锁存器r=1， s=1，锁存器状态不变，电路保持原状态不变。电路具体功能如表1所示：表1 555定时器功能表输 入 输 出阈值输入（v）触发输入（v）复位（）输出（v）放电管t* 2/3v 2/3v* v/3 v/30111011不变导通截止导通不变3.6 延时电路1. 设计原理 触摸延时开关，使用时只要用手摸一下开关上的触摸电极片，电灯就会点亮，延时一段时间后，电灯自动熄灭。电路原理：触摸延时电路主要由时基芯片ne555组成的定时电路，在这里接成单稳态电路，平时由于触摸端无感应电压，电容c通过555第7脚放电完毕，第3脚输出为低电平，继电器ks释放，电灯不亮。当需要开灯时，用手触碰一下触摸端，触发信号电压由c加至555的触发端，使555的输出由低变成高电平，继电器ks吸合，电灯点亮。同时，555第7脚内部截止，电源便通过r给c充电，这就是定时的开始。当电容c上电压上升至电源电压的2时，555第7脚导通使c放电，使第3脚输出由高电平变回到低电平，继电器释放，电灯熄灭，定时结束，定时长短由r、c决定：t=1.1rc 2、参数计算 根据设计需要延时一分钟t=60s, 设c=100 uf 由上式可得 r =550k图 3.6.1 延时电路图3.7 继电器 继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。1.继电器结构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）吸合。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”。 图3.7.1 继电器接线图2.继电器工作原理 继电器的工作原理是，当继电器线圈通电后，线圈中的铁芯产生强大的电磁力，吸动衔铁带动弹簧，使触点1、2断开，1、3接通，当线圈断电后，弹簧使簧片复位，使触点1、2接通，1、3断开，我们只要把需要控制的电路接在触点1、2间（1、2称为常闭触点）或触点1、3间（称为常开触点），就可以利用继电器达到某种控制的目的。3.8控制电路在楼道触摸延时开关设计中，控制电路主要由继电器与二极管组成，通过继电器的通断来控制灯泡的亮与熄灭。电路中，继电器线圈两端反相并联了一只二极管，它是用于保护集成块的，切不可省去，否则在继电器由吸合状态转为释放时，由于电感的作用线圈上将产生较高的反电动势，极容易导致集成块击穿。并联了二极管后，在继电器由吸合变为释放的瞬间，线圈将通过二极管形成短时间的续流回路，使线圈中的电流不致突变，从而避免了线圈中反电动势的产生，确保了集成块的安全。 图 3.8.1 控制电路图工作原理：当ne555三脚输出高电平时，继电器的线圈中会流过一定的电流，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，电灯亮。 当ne555三脚输出低电平时，继电器中线圈断电，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，此时电灯熄灭。这样吸合、释放、从而达到了在电路中的导通、切断的目的。 控制电路参数要求：继电器由ne555三脚输出电压决定，由于ne555的供电电源是5v，所以3脚输出电压略等于5v。可以选用额定电压5v的继电器，二极管选用普通的二极管。四、系统仿真4.1仿真控制原理及仿真图1.直流稳压电路 图4.1.1 直流稳压电路图电源变压器220v交流电进行降压，得到一个所需要的12v的交流电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到一个平滑12v的直流电压。但这样的电压会随温度、负载等其他因素的变化而变化，因而在整流滤波电路之后，稳压电路的作用是维持输出稳定的5v直流电压。2.触发延时开关电路图4.2.1 触摸延时开关电图经过直流稳压电源得到稳定的5v直流电压，为ne555提供工作电压，当需要开灯时，用手触碰一下感应区，触发信号电压加至555的触发端，使555的输出端由低变为高电平，继电器ks吸合，220v交流电形成回路，电灯点亮。同时，电源通过定时电阻给定时电容充电，这就是定时的开始。延时一段时间后555的输出端由高电平变为低电平，继电器释放，220v交流电形成的回路断开，电灯熄灭。五、设计结果分析5.1 系统能实现的功能当人用手触摸开关时，照明灯亮，并延续一段时间后自动熄灭。5.2 系统所选用器件一览表本实验所需器件:元件名称规格型号 数量（个） 定时器ne5551电阻550k1电阻200 k1电容1000uf1电容104 uf2电容100 uf3极性电容330nf1稳压器w78051继电器coil-dc5v1变压器12v1三极管2n18932整流二极管 18db05 4二极管 d1灯泡 lamp1六、设计总结和体会1 设计总结楼道触摸延时开关是一种新型的电子节能开关，在理论上能很好的达到了学校教学要求。该系统的设计很好的满足当前学校教学的需要，是一个理想的设计。该系统规模小，但是操作简单，造价低，节约电能，无触点，无污染，安全可靠，应用非常广泛。该系统的设计为寻求更为理想的开关电器设备替代元件，方便人们生活。2 设计的收获及体会通过本次对楼道触摸延时开关的课程设计，首先，在大量的查阅资料的过程中，对资料进行分析比较，选择适合的资料后，使我们对楼道触摸延时开关的基本原理有所了解，即对学习过的知识整流电路、桥式整流电路、滤波电路、稳压电路的相关内容进行了巩固，又掌握了许多课本上学不到的知识。对一些元器件的功能有了新的认识，以及各器件引脚的连接等等。其次，使我们学会了protel软件，在画电路图的时候，应该如何选择所需要的元器件，以及如何对元器件进行连接和处理等等。再次，在对触摸延时开关分析、制作的过程中，我们应抓住其本质，主要包括直流稳压电源经过整流、滤波、稳压为ne555提供工作电压；完成由ne555定时器组成的单稳态电路实现对触摸开关的延时；由继电器组成的控制电路通过继电器的通、断来实现对白炽灯的控制。最后，在设计当中，我们遇到了很多的问题，通过在网上查找资料、图书馆借相关书籍以及咨询导师，然后理论与实践相结合，自己动手动脑，最终解决问题。这种做法既有助于完成理论知识的巩固，又有助于带动实践，解决实际问题，加强我们的动手能力和解决问题的能