毕业设计（论文）-555构成的多用途定时控制器电路的设计.doc

苏州大学本科生毕业设计（论文） 555构成的多用途定时控制器电路的设计摘要：设计一个由555构成的实用定时控制电路，这种定时控制器具有简单、性能稳定、调整方便等特点。设用于电饭煲的定时开启、关闭和保温，电风扇或其他用电器的定时开启和循环间歇通电等，也可用于替代已损坏的电冰箱温控器，控制冰箱电源的通断循环过程。关键词：555定时器；触发信号；延时时间；继电器；晶闸管abstract:555 constituted by the design of a practical timing control circuit, the timing controller circuit with a simple,stable performance, easy adjustment.from time to time appropriate to a rice cooker on, off and heat,electrict fans or other appliances used to open the regular cycle of intermittent electricity and so on,can also be used to replace damaged thermostat of the refrigerator to control the refrigerators power-off cycle.keywords:555 timer;trigger signals;delay timer;relay;thyristor前言20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有利地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。时间对于人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间，忘记了要做的事情。在日常生活和工作中，我们常常用到定时控制器，如电饭煲的定时开启、关闭和保温，电风扇或其他用电器的定时开启和循环间歇通电等。早期常用的一些时间控制单元都是使用模拟电路设计制作的，其定时准确性和重复精度都不是很理想，现在基本都是基于数字技术的新一代产品，随着555定时器的性能价格比的不断提高，新一代产品的应用也越来越广泛，可以用于家电控制，甚至可以用于儿童玩具。它具有电路简单、性能稳定、调整方便等特点。随着电子技术的飞速发展，家用电器和办公电子设备逐渐增多，不同的设备都有自己的控制器，使用起来很不方便。根据这种实际情况，设计了555构成的多用途定时系统，可以利用一个控制器对多路电器进行控制。这种具有人们所需要的智能化特性的产品减轻了人的劳动，扩大了数字化的范围，为家庭数字化提供了可能。本设计以555定时器为核心，与电源电路、控制电路、驱动电路等共同组成的一个多用途的定时控制器。本文对多用途的定时控制器组成、结构和工作原理作了详细的介绍，并给出了各个组成部分的原理电路图，并对它们作了具体的介绍。第一章 设计方案1.1设计要求设计一个555构成的多用途定时控制器电路，具体要求如下：1. 可设定定时启动的时间，按照设定好的时间，自动循环地工作下去；2. 设计的电路尽量用最简单的元器件来实现所要求的功能，要具有一定的实际应用价值；3. 可以自动控制电路的整个工作过程；4. 定时时间范围可以选择；5. 接通电源，指示灯亮；定时开始，指示灯亮。12设计目的 本课题是设计一个555构成的多用途定时控制器电路，通过本设计了解掌握定时控制器电路的工作原理，进而研究电子产品设计的技术方法。通过对555构成的多用途定时控制器电路的设计、安装于调试，熟练掌握各种电子仪器、仪表的正确使用方法，熟悉掌握数字逻辑电路原理及各类型数字单元电路的工作原理、电路形式、调试方法等方面知识；同时，通过对系统设计结果的理论分析，加强理论联系实际的工作能力，对加强数字逻辑电路原理与技术方法的掌握，得到全面的、系统的训练，为今后从事本专业工作奠定坚实的基础。第二章 设计方案2.1元器件介绍2.1.1 555定时器的原理555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，其应用极为广泛。它不仅用于信号的产生和变换，还常用于控制和检测电路中。定时器有双极性和cmos两种类型的产品，它们的结构和工作原理基本相同，没有本质的区别。一般来说，双极型定时器的驱动能力较强，电源电压范围为5至16v，最大负载电流可达200ma,而cmos定时器的电源电压范围为3至18v，最大负载电流在4ma,以下，它具有功耗低、输入阻抗高等优点。1. 电路结构图 2-1 555定时器电路结构555定时器的内部电路由分压器、电压比较器c1和c2、简单sr锁存器、放电三极管t以及缓冲器g4组成，其内部结构如图2-1所示。3个5k的电阻串联成分压器，为比较器c1、c2提供参考电压。当控制电压端5悬空时(可以对地接上0.01f左右的电容)，比较器c1和c2的基准电压分别为2/3vcc和1/3vcc。vi1是比较器c1的信号输入端，称为阈值输入端；vi2是比较器c2的信号输入端，称为触发输入端。如果控制端5外接电压vco和1/2vco.比较器c1和c2的输出控制sr锁存器和放电三极管t的状态。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）一般要外接上拉电阻。rd为直接复位输入端，当rd为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输入端vo即为低电平。当vi12/3vcc, vi21/3vcc,比较器c1输出低电平，比较器c2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vo为低电平。当vi12/3vcc, vi21/3vcc,比较器c1输出高电平，比较器c2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vo为高电平。当vi11/3vcc,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。2.引脚排列 图 2-2 555外部引脚排列图由图2-2 可以看出，555外部引脚排列为1为接地，2为触发端，3为输出端，4为复位端，5为控制端，6阀值端，7为放电端，8电源端。3. 电路功能表2-1 555定时器功能表输入输出阀值输入(vi1)触发输入（vi2）复位端r0输出v0放电管txx00导通2/3vcc1/3vcc11截止2/3vcc1/3vcc10导通2/3vcc1/3vcc1不变不变2.1.2 电子闹钟 闹钟既能指示时间，又能按人们预定的时刻发出响铃信号或其他信号。闹钟的机芯结构主要有机械式和石英电子式两大类，其他如晶体管摆轮游丝式、音叉式等类型已很少用。日用机械闹钟的走时日误差一般在120秒/日以内，石英电子闹钟的走时日误差一般在0.2秒/日以内。本设计中所用到的是电子闹钟，下面介绍了石英电子闹钟的内部结构及原理。石英电子闹钟的机芯结构包括走时和闹时两大系统。1走时系统：指针式石英电子闹钟的走时系统包括石英谐振器、cmos集成电路(分频和驱动)、步进电机（将电能转换为机械能）、计数和传动机构、指针结构等部件；数字式石英电子闹钟的走时系统包括石英谐振器、cmos集成电路（分频、计算和驱动）、液晶显示屏或发光二极管、导电橡胶等部件；此外，指针式和数字式都包括电池、微调电容、夹板和线路板等部件。2闹时系统有两种：一种是以集成电路或晶体管开关电路（分立元件）输出信号，驱动扬声器或其他声响装置；另一种是直接利用电磁原理，通过线圈的通、断电流，吸动打锤敲击闹铃，或吸动其他声响装置。石英电子闹钟用石英晶体产生基本振荡，通过步进电机驱动齿轮组带动指针组。2.1.3 三极管的开关作用图 2-3 npn 三极管共射级电路图2-4共射级电路输出特性曲线 图2-3 所示是npn三极管的共射级电路。图2-4所示是它的特性曲线图，图中有3种工作区域：截止区（cutoff region）、线性区（active region）、饱和区（saturation region）。三极管是以b级电流ib作为输入，操纵整个三极管的工作状态。若三极管是在截止区，ib趋近于0，c极与e极间约为断路状态，ic=0,vce=vcc。若三极管是在线性区，b-e接面为顺向偏压，b-c面为逆向偏压，ib值适中（vbe=0.7v）,ic=hfeib成比例放大，vce=vcc-rcic=vcc-rchfeib可被ib操控。若三极管在饱和区，ib很大，vbe=0.8v, vce=0.2v,vbc=0.6v,b-c与b-e两接面均为正向偏压，c-e间等同于一个带有0.2v电位落差的通路，可得ic=(vcc-0.2)/rc,ic与ib无关了，因此时的ib大过线性放大区的ib，ichfeib是必然的。三极管在截止状态时c-e间如同断路，在饱和态时c-e间如同通路（带有0.2v电位降），因此可以作为开关。控制此开关的是ib，也可以用vbb作为控制的输入讯号。图2-5、2-6分别显示三极管开关的通路、断路状态及其对应的等效电路。图 2-5 截止状态如同断路 图 2-6 饱和状态如同通路 2.1.4 单向晶闸管单向晶闸管的结构和电路符号如图2-7所示，它是具有pnpn四层半导体结构的开关元件，它有三个pn结和阳级a、阴极k，门级（控制极）g三个电极。 a) b)图2-7 单向晶闸管的结构和电路符号a) 单向晶闸管的结构图 b) 电路符号1. 单向晶闸管的工作特性单向晶闸管具有可控的单向导电性。如图 2-8所示的电路中，只有图2-8a所示的晶闸管正向导通，灯泡点亮，另两种接法，晶闸管都不导通。（1） 正向导通特性如图2-8a所示，晶闸管加上正向电压时，阳极a与阴极k之间呈现低阻导通状态，a-k间压降约为1v，电压大部分都加在了小灯泡上面，所以灯泡亮。实验证明，晶闸管的正向导通电压随控制级电流的增大而迅速降低，当控制级有足够大的电流，晶闸管会在较低的正向阳极电压下导通。 a) 正向导通 b) 正向阻断 c) 反向阻断图2-8单向晶闸管的工作特性（2） 正向阻断特性当门级无触发电压时，晶闸管虽有正向阳极电压，但不能导通，a-k之间阻值很大，相当于开关断开，灯泡不亮，这时的晶闸管处于正向阻断状态，如图2-8b所示。（3） 反向阻断特性当晶闸管两端加反向电压时，即使控制级有触发电压，晶闸管也不会导通，灯泡不亮，晶闸管处于反向阻断状态，如图2-8c所示。综上所述，晶闸管的导通和阻断相当于开关的闭合和断开，只是它的开、合是有条件的，所以可以用它构成各种控制电路的开关电路。2. 单向晶闸管的通、断转化条件通过前面的分析我们知道，晶闸管的通、断工作状态是随着阳极电压、电流和控制级电流等条件相互转化的，具体见表2-2从断到通条件维持导通条件从通到断条件1）阳极电位高与阴极电位2)控制级具有足够的正向电压和电流 1）阳极电位比阴极电位高 2）阳极电流大于维持电流 1）阳极电流小于维持电流 2）阳极电位比阴极电位低以上两种条件应同时具备以上两种条件应同时具备具备以上两种条件的其中一个从表2-2中可知，单向晶闸管一旦导通，其控制级就失去了控制作用，即无触发电压，只要阳极a比阴极k电位高，阳极电流大于维持电流，晶闸管仍将维持导通状态。只有在阳极电流降到维持电流以下或阳极电位比阴极电位低时，单向晶闸管才由导通转为关断。2.1.5 电磁继电器电磁继电器是一种用电磁铁控制的电路开关，其种类繁多，但其基本原理都是利用电磁铁控制电路的通断。故继电器在自动控制、远距离操纵、转换电路等方面有着重要作用。电磁继电器的静触点有“常开”和“常闭” 之分。在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“。继电器是电子电路中常用的一种元件，在一般由晶体管、继电器等元器件组成的电子开关驱动电路中，往往还要加上一些附加电路以改变继电器的工作特性或起保护作用。继电器的附加电路主要有以下三种形式：1. 继电器串联rc电路电路如图2-10，这种形式主要应用于继电器的额定工作电压低于电源电压的电路中。当电路闭合时，继电器线圈由于自感现象会产生电动势阻碍线圈中电流的增大，从而延长了吸合时间。原理是电路闭合的瞬间，电容c两端电压不能突变可视为断路，这样就将比继电器线圈额定工作电压高的电源电压加到线圈上，从而加快了线圈中电流增大的速度，使继电器迅速吸合。电源稳定后电容c不再起作用，电源r起限流作用。 图2-9 图2-10 图2-11 2.继电器并联rc电路电路如图2-9所示，电路闭合后，当电流稳定时，rc电路不再起作用，断开电路时，继电器线圈由于自感而产生感应电动势，经rc电路放电，使线圈中电流衰减放慢，从而延长了继电器的衔铁释放时间，起延时作用。3继电器并联二极管电路 电路如图2-11所示，主要是为了保护晶体管等驱动元器件。当图中晶体管vt由导通变为截止时，流经继电器线圈的电流将迅速减小，这时线圈将产生很高的自感电动势，与电源电压叠加后加在vt的c与e之间，会使晶体管击穿，并联上二极管后，即可将线圈的自感电动势嵌为二极管的正向导通电压，此时硅管约为0.7v,锗管约为0.2v，否则容易损坏晶体管等驱动元件。 第三章 主要单元电路的组成与设计3.1总电路设计的原理框图 多用途定时控制器电路由电源电路、控制电路、延时电路（1）、延时电路（2）、延时电路（3）、驱动电路等共同组成，其硬件电路框如图3-1电源电路延时电路（1）延时电路（2）控制电路驱动电路延时电路（3）图3-1原理框图3.2各单元电路的设计及原理3.2.1电源电路的设计 电子电路工作时都需要直流电源提供能量，电池因使用费用高，一般只用于低功耗便携式的仪器设备中。所以这里我选用了半波整流滤波提供直流电源。吧交流电源换为直流稳压电流，一般直流电源由如下部分组成：整流电路是将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直流电。滤波电路时将脉动直流电中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分。1. 电路组成与工作原理半波整流电容滤波电路如图3-2a所示。设u2(0)=0,在0-t1期间，二极管vd正偏导通，电流分成两路：ilic充。因充电时间常数t充=trc(r/rl)crc,很小，uc快速上升，在t1时刻，uc达到峰值u2,vd反偏截止。c向rl放电，t放=trc=rlc。rl r,trctrc,故放电过程缓慢，uc下降缓慢，因二极管阳极电位却随u2迅速下降，使二极管在一段时间内处于截止状态。当u2自负半周向正半周上升，在t2时刻，u2uc,vd开始导通，向电容c迅速充电，在t2t3期间，u0波形按图3-2b中bc段变化。到t3时刻，uc=u2,二极管又截止，c又对rl放电。2波形图综上所述，画出的输出电压u0亦即电容c上电压uc波形如图32b所示。a)b)图 3-2 半波整流滤波电路及波形电容滤波作用的物理意义电容c多直流分量相当与开路，而对输出电路中的基波及更高次谐波，只要c足够大，xc可以很小，相当与短路，使输出波形趋于平滑。3.2.2定时电路的设计定时电有555定时电路,脉冲定时电路基于单片机的定时电路等多种形式，本设计从简单实用角度出发，选择了电路结构最为简单的555定时器组成的单稳态触发器，如图3-3所示，该电路的触发信号在2脚输入，r和c是外接定时电路。a) 电路 b) 简化电路图 3-3 用555定时器组成的单稳态触发器没有触发信号时vi处于高电平（vi1/3vcc）,如果接通电源后q=0,vo=0,t导通，电容通过放电三极管t放电，使vcc=0,vo保持低电平不变。如果接通电源后q=1,放电三极管t就会截止，电源通过电阻r向电容c充电，当vcc上升到2/3vcc时，由于r=0,s=1,锁存器置0，vo 为低电平。此时放电三极管t导通，电容c放电，vo保持电平不变。因此，电路通电后在没有触发信号时，电路只有一种稳定状态vo=0。当触发输入端施加信号（vi1/vcc），电路的输出状态由低电平跳变为高电平，电路进入暂稳态，放电三极管截止。此时电容c充电到vc=2/3vcc时，电路的输出电压vo由高电平翻转为低电平，同时t导通，电路返回的稳定状态。电路的工作波形如图2-15所示。如果忽略t的饱和压降，则vc从零电平上升到2/3v的时间，即为输出电压vo的脉宽tw称为暂稳态时间。暂稳态时间的求取可以通过全响应公式，根据图3-4，可以用电容c上的电压曲线确定三要素，初始值为uc(0)=0v,无穷大值uc()=vcc, =rc设暂稳态时间为tw当t=tw时，uc(tw) =vcc,带入全响应公式中，即解得 tw=rcln31.1rc通常r的取值在几百欧至几百兆欧之间，电容取值为几百皮法到几百微法。这种电路产生的脉冲宽度可以从几十微妙到数分钟，精度可达0.1%。由图3-4可知，如果在电路的暂稳态持续时间内，加入新的触发脉冲（如图3-4中的虚线所示），则该脉对电路不起作用，电路为不可重复触发单稳态触发器。555定时器5脚其实内部用作比较器的运算放大器的正输入端，通过内部的分压电阻，该脚的电压是电源电压的2/3，加上一个0.01uf电容后，由于电容充放电特性的影响，使加到该处的瞬间的或高或低的干扰信号引起的电压的变化就会缓慢下来，也可以说吸收了瞬间的干扰，可以使该脚得到的信号更加平稳。图3-4工作波形3.2.3 控制电路的设计图 3-5 控制电路图在实际电路中往往需要设计一个控制电路对整个电路何时开始工作进行控制。在以往的控制电路中需要通过各种开关手动控制来实现这一功能，但电子闹钟也可以很方便地对这一电路实现自动控制。其电路图如图3-5所示。ne555(1)的2 端需要有一个负脉冲触发才可以工作。电路未形成回路时，nee555(1)的2端有一个高电平电压，通过电子闹钟控制晶闸管能够控制电容c2的负极能否与地相连，即其负极能否获得低电压电平。若c2的负极电压是低电平，因为电容两端的电压不能突变，其正极电压也为低电平，此时ne555(1)的2端就形成了一个负脉冲触发信号，ne555（1）开始工作。3.2.4驱动电路的设计 图 3-6 驱动电路图如图3-6所示，本设计选择的驱动电路比较简单，电路由继电器k，二极管vd2，三极管vt1，基极电阻，电阻r6以及发光二极管led2组成。电路的具体形式如图所示，三极管vt1相当于驱动电路中的“开关”。ne555(1)的三端的输出电平控制开关的开，关，从而控制继电器k是否通电工作。间接地控制常开触点k1。继电器反接并联一个二极管vd3，用来保护晶体管等驱动元件。3.2.5 接口电路的设计1. vt1ne555(2)之间的接口电路如图3-7所示，该电路主要有vt2,基极电阻r13，集电极电阻r11,r12与c6组成的微分电路，电阻r7以及二极管vd5组成图3-7 vt1与ne555(2)之间的接口电路此接口是用来向ne555(2)的2端提供触发信号的。ne555(2)的2端需要有一个负脉冲触发信号才可使其开始工作。若vt1的集电极处于低电平状态，因为正常工作时，neee的复位端置“1”，所以ne555(2)定时电路不工作；若vt1的集电极处于高电平状态，vt2导通，经过由r12与c6组成的微分电路使ne555(2)2端的电压有一个负跳变，触发其定时工作开始。2. ne555(2)的3端与ne555(3)得2端之间的接口电路如图3-8所示，该接口电路很简单，只由一个电容组成,此电容具有耦合作用，所谓的耦合作用就是将交流信号从前一级传到下一级。为了不使后一级的工作点不受前一级影响，就必须在直流方面把前一级与后一级分开。同时，又能将信号顺利的从前一级传给后一级，电容能传递交流信号，隔断直流信号，使前后级的工作点互不牵连。ne555（2）工作结束后，则3端变为低电平，c11将ne555（2）的3端得低电平信号耦合给ne555（3）的2端，使2端产生一个负脉冲信号，触发ne555（3）定时电路开始工作。图 3-9 总设计电路图第四章 总设计电路图及原理4.1 总设计电路图图3-9是555构成的使用定时控制器。电路中，ne555(1), ne555(2), ne555(3)组成定时电路，联合构成时间的控制电路。vd1,c1半波整流提供直流电源。接通市电后发光二极管led1亮表明电源已接通，但此时晶闸管vs并未触发，主电路电源没接通，继电器k不会通电动作，用电器插座无电。当电子闹钟定时响闹时，其响闹电压经vd4给vs门极加上正向电压使其导通（手动压下按钮sb可随时使vs导通），整个电路的电源接通。ne555(1)的2端需要有一个负脉冲触发信号才可以工作。电路未形成回路时，ne555(1)的2端有一个高电平电压，当晶闸管vs导通时，电容c2的负极直接与地相连，即c2的负极电压是低电平，因为电容两端的电压不能突变，其正极电压也为低电平，此时在ne555（1）的2端就产生vd2，r4给三极管vt1基极加上正电压，vt1相当于驱动电路的“开关”，此时vt1导通相当于驱动电路的开关闭合，使继电器k通电动作，其常开触点k1闭合使电器插座与市电相连；与此同时，ne555(1)的3端高电平使led2亮，表示用电器插座有电，与发光二极管led2串联的电阻r6是限流保护电阻，电流流过r6,在r6上有电压降，led2导通后，管压降基本不变，所以其他部分电压就全在r6上，若不接r6，输入电压会全加到了led2上，导致它的正向电压增大而被烧坏。ne555(1)工作时，vt1导通，其集电极电位为低电平，由于ne555(2)的4端经vd5与vt1的集电极相连，故vt1导通使ne555(2)处于复位状态不会被触发；ne555(3)的2 端的通电瞬间电位不会很低（电容c11不是与零电位相接）也不会被触发，用电器的首次用电时间由ne555(1)的定时时间1.1rc决定。当ne555(1)的定时结束后，其3端变为低电平，vt1截止，led2不发光，用电器插座无电。vt1截止时，其集电极处于高电平状态，nee555（2）的4端为高电平。与此同时，vt2处于导通状态，使nee555（2）得2端由一个负跳变，触发其定时定时电路开始工作。此时nee555（3）定时电路不工作，而nee555（1）定时电路定时完成后也不会再被触发，继电器k不通电。因此，用电器首次无电时间有nee555（2）的定时常数rc决定。nee555（2），定时工作结束后，其3端变为低电平，使nee555（3）定时电路开始工作，其3端输出高电平并通过vd6使vt1导通，继电器k动作，用电器再此与市电相连，通电时间有时间常数r10c10决定nee555（3）定时电路工作结束后，nee555（2）定时电路又开始工作，如此一直反复循环。控制用电器插座的通电和断电时间。三片定时电路的定时时间都可以设置。第五章 心得体会时间过得真快，一眨眼的功夫就过去了。几个月的毕业设计马上就要见成绩啦！心里有一种说不出的喜悦，这是一次理论与实践的融合！在这过程中，我不断地锻炼自己、完善自己并且肯定了自己的能力！我从一开始面对课题的茫然，不断地找资料、专研课题，到现在能够完成论文，在最后的学习生涯中画上一个圆满的句号。首先，通过这次毕业设计，我养成了先开启电源再接信号的习惯。因为一般电源在开与关的瞬间往往会出现瞬态电压上冲的现象，而集成电路最怕过电压的冲击，所以在调试电路时，特别是在调试有集成电路的电路时，应注意到这一点。而且在实验中途也不要将电源关掉。这个习惯将会对我以后的工作有很大帮助。其次，我在这次的毕业设计中磨练了自己面对困难的心态。以前我在遇到困难时不知所措，焦躁不安，不断的退缩，自己的能力的不到提高。现在，我的心态得到了很大的改变。遇到问题，第一要领就是要心态平衡，然后才能根据问题的所在查找资料，提高与书本中的理论知识相比较和对照，找到问题的症结所在，然后提出相对完善的解决方案。这些也是我从指导老师那儿学来的。再次，我通过这次毕业设计了解到了许多电子芯片的使用方法。例如在设计中使用ne555集成芯片时，应充分了解电路的性质和要求，根据输出信号的性质（方波频率，矩形波等），还有在遇到不需要的引脚将如何处理的方法。通过这次毕业设计，我的动手能