楼道触摸延时开关设计报告书改

课程设计报告 课程名称 课程名称 电子技术课程设计 设计题目设计题目 楼道触摸延时开关 系系 别 别 通信与控制工程系 专专 业 业 班班 级 级 学生姓名学生姓名 学学 号号 起止日期起止日期 指导教师指导教师 教研室主任 教研室主任 1 指导教师评语指导教师评语 指导教师签名 年 月 日 成绩成绩 项项 目目权重权重 1 设计过程中出勤 学习态度等方面0 2 2 课程设计质量与答辩 0 5 3 设计报告书写及图纸规范程度 0 3 成成 绩绩 评评 定定 总 成 绩 教研室审核意见 教研室主任签字 年 月 日 教学系审核意见 主任签字 年 月 日 2 摘 要 该次设计是设计楼道触摸延时开关 通过本次设计巩固和加深对电子线路的基本 知识的理解 培养了我们动手实践的能力 设计过程中运用了 CMOS 数字集成块 CD4013BP 组成单稳态电路实现延时的工作原理 并用桥式整流和可控硅组成开关电路 模块 而且利用一个极性电容和发光二极管方便人在夜间找到开关的位置 经过设计 制板 调试 该系统实现了灯泡延时 1 分钟照明 目 录 设计要求 1 1 方案论证与对比 1 1 1 方案一 1 1 2 方案二 1 3 方案的对比与选择 2 元器件的选择与工作原理 2 1 工作原理 2 2 元器件的选择 3 设计总 结 13 4 仪器仪表清 单 14 5 参考文 献 6 致 谢 0 楼道触摸延时开关设计 设计要求 当人用手触摸开关时 照明灯点亮 并持续一段时间后自动熄灭 延时时间约当人用手触摸开关时 照明灯点亮 并持续一段时间后自动熄灭 延时时间约 1 分钟分钟 左右 左右 1 方案论证与对比 1 1 方案一原理方框图 平时 VS 处于关断状态 灯不亮 VD1 VD4 输出 220V 脉动直流电经 R5 限流 VD5 稳压 C2 滤波输出约 12V 左右的直流电供 IC 使用 此时 LED 发光 指示开关 电源电压整流电路滤波电路稳压电路 CD4013 单稳态电路 开关电路 电灯泡 触发器 1 位置 便于夜间寻找开关 当人手触摸一下电极M 时 人体泄漏电流 经 R1 R2 分压 其正半周使单稳态电路翻转 1 脚输出高电平 经 R4 加到 VS 的门极 使 VS 开通 电灯点亮 这时 1 脚输出高电平经 R3 向电容 C1 充电 使 4 脚电平逐渐 升高直至暂态结束 电路翻回稳态 1 脚突变为低电平 VS 失去触发电压 交流 电过零时即关断 电灯熄灭 1 21 2 方案二原理方框图方案二原理方框图 1 31 3 方案方案的选择与对比的选择与对比 方案一的电路结构 思路简单 运行时性能稳定且能较好的符合设计要求 且成本 低 而且方案一的元器件少 能够减少在焊接过程中出现的失误 单稳态电路 方案 一中用的是双 D 触发器 CD4013BP 5V 相对方案二两个三极管更加简便 更能实现 功能 综上所述 我们选择方案一 2 元器件选择与工作原理 2 1 工作原理 电源电压整流电路滤波电路稳压电路 开关电路 灯泡三极管延时 2 图 2 1 楼道延时触摸开关 PCB 原理图 图 2 2 楼道延时触摸开关 PCB 布线图 3 总电路图工作原理 由 CD4013BP 5V 组成一个单稳态电路 平时 VS 断开 CD4013 1 角输出低电平 电灯泡不亮 C2 发出 12V 的电压 使 LED 发光 方便夜间找到开 关的位置 当人触摸 M 时 人体泄漏电流 经 R1 R2 分压 其正半周使单稳态电路 翻转 1 脚输出高电平 经 R4 加到 VS 的门极 使 VS 开通 电灯点亮 这时 1 脚 输出高电平经 R3 向电容 C1 充电 使 4 脚电平逐渐升高直至暂态结束 电路翻回稳 态 1 脚突变为低电平 VS 失去触发电压 交流电过零时即关断 电灯熄灭 2 2 元器件的选择 IC 应采用 CMOS 集成电路 CD4013 它为双 D 触发器 本电路里只使用它的一半 另一个 D 触发器悬空 VS 晶闸管用 2N6565 MCR100 8 等小型塑封单向晶闸管 可 控制 100W 以下任何照明电路 VD1 VD4 为 1N4004 1N4007 型整流二极管 LED 可用普通红色发光二极管 电阻均为 RTX 型 1 8W 碳膜电阻器 C1 C2 用 CD11 16V 型电解电容 C3 为瓷片电容器 晶闸管 1 晶闸管是四层三端器件 它有 J1 J2 J3三个 PN 结 可以把它中间的 NP 分成两部 分 构成一个 PNP 型三极管和一个 NPN 型三极管的复合管 图 2 3 器件符号 当晶闸管承受正向阳极电压时 为使晶闸管导通 必须使承受反向电压的 PN 结 J2 失去阻挡作用 每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流 因此是 两个互相复合的晶体管电路 当有足够的门极电流 Ig 流入时 就会形成强烈的正反馈 造成两晶体管饱和导通 设 PNP 管和 NPN 管的集电极电流分别为 IC1和 IC2 发射极电流相应为 Ia 和 Ik 电 流放大系数相应为 1 IC1 Ia 和 2 IC2 Ik 设流过 J2结的反相漏电流为 ICO 晶闸管 4 的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和 1 1 COk COCC IIIa I I II 21 21 若门极电流为 Ig 则晶闸管阴极电流为 gakIII 得出晶闸管阳极电流为 2 2 121 gcoII I 硅 PNP 管和硅 NPN 管相应的电流放大系数 1和 2随其发射极电流的改变而急剧 变化 当晶闸管承受正向阳极电压 而门极未接受电压的情况下 式 2 2 中 Ig 0 1 2 很小 故晶闸管的阳极电流 Ia ICO 晶闸管处于正向阻断状态 当晶 闸管在正向门极电压下 从门极 G 流入电流 Ig 由于足够大的 Ig流经 NPN 管的发射结 从而提高放大系数 2 产生足够大的集电极电流 IC2流过 PNP 管的发射结 并提高了 PNP 管的电流放大系数 1 产生更大的集电极电流 IC1流经 NPN 管的发射结 这样强烈 的正反馈过程迅速进行 当 1和 2随发射极电流增加而使得 1 2 1时 式 2 2 中的分母1 1 2 0 因此提高了晶闸管的阳极电流 Ia 这时 流过晶闸管的电流完全由主回路的电压 和回路电阻决定 晶闸管已处于正向导通状态 晶闸管导通后 式 2 2 中1 1 2 0 即使此时门极电流 Ig 0 晶闸管仍能保持原来的阳极电流 Ia 而继续导通 门极 已失去作用 在晶闸管导通后 如果不断地减小电源电压或增大回路电阻 使阳极电 流 Ia 减小到维持电流 IH以下时 由于 1和 2迅速下降 晶闸管恢复到阻断状态 桥式整流电路 2 单相桥式整流电路由四只二极管组成 其构成原则就是保证在变压器副边电压 u2 正 负半周内正确引导流向负载的电流 使其方向不变 设变压器副边两段分别为 a 和 b 则 a 为 b 为 时应有电流留出 a 点 a 为 b 为 时应有电 流流入 a 点 相反 a 为 为 时应有电流流入 点 为 为 时应有电流流出 点 因而 和 点均应分别接两只二极管 以引导电流 如 5 图 2 3 所示 图 2 4 桥式整流原理 设变压器副边电压 U2为其有效值 tUu sin222 当 2为正半周时 电流由 a 点流出 经过 V1 RL D3流入 b 点 因而负载电阻 RL 上的电压等于变压器副边电压 即 V2和 V4管承受的反响电压为 u2 当 u2为2uuo 负半周时 电流由 b 点流出 经 V2 RL V4流入 a 点 负载电阻 RL上的电压等于 u2 即 V1 V3承受的反向电压为 u2 2uuo 这样 由于 V1 V3和 V2 V4两对二极管交替导通 致使负载电阻 RL上在 u2的整个周期 内都有电流通过 而且方向不变 输出电压 如图 2 4 所示为单相桥tUuo sin22 式整流电路各部分的电的波形 图 2 5 桥式整流电路电流 电压波形 6 输出电压平均值 UO AV 和输出电流平均值 IO AV 根据图 2 4 中所示 uo的波形可知 输出电压的平均值 sin2 1 2 0 ttdUUAVO 解得 2 2 9 0 22 U U UAVO 由于桥式整流电路实现了全波整流电路 它将 u2的负半周也利用起来 所以在变 压器副边电压有效值相同的情况下 输出电流的平均值 即负载电阻中的电流平均值 LL AVO AVO R U R U I 2 9 0 在变压器副边电压相同 且负载也相同的情况下 输出电流的平均值也是半波整流 电路的两倍 根据谐波分析 桥式整流电路的基波 UOIM的角频率是 u2的 2 倍 即 100HZ 故脉动系数 2 22 3 2 U UOIM 67 0 3 2 AVO OIM U U S 与半波整流电路相比 输出电压的脉动减小很多 4013 双 D 触发器 结构功能原理应用电路 3 3 4013 是集成触发器芯片 内部有两个独立的 D 触发器 每个触发器都有一个置位端 SET 复位端 RESET 时钟端 CLOCK 数据输入端 DATA 两个输出端 Q 和 Q 端 当 R 为 1 S 为 0 时 无论 D 和 CL 时钟 为什么状态 输出 Q 一定为 0 因此 R 可称 为复位端 当 S 为 1 R 为 0 时 输出 Q 一定为 1 s 称为置位端 当 R S 均为 0 时 Q 在 CP 端有脉冲上升沿到来时动作 具体是 Q D 即若 D 为 1 则 Q 也为 1 若 D 为 0 则 Q 也为 0 7 图 2 6 RS 双稳态触发器 按下 S1 R 1 电路复位 Q 端输出 0 按下 S2 S 1 电路置位 Q 端输出 1 为 1 时三 极管导通 继电器得电动作 按下 S2 后 继电器始终保持吸和状态 只有按下 S1 继 电器触点才释放 此电路为 基本的 RS 触发器 8 图 2 7 单稳态触发器 当 S1 未被按下时 复位端 R O 否则如果 R l 电路将强行复位 Q 0 所充电荷通过 R2 向 Q 端放电 最终使 R 0 这是电路的稳态 当按一下 S1 CP 端电位由 O 到 1 其上升沿触发电路传输 D 端的数据 因 D 1 所以 Q 1 此为暂稳态 Q 端的高电位通 过 R2 向 C 充电 当 c 两端电压达到复位电平时 则 R 1 电路复位 Q 端变为低电平 0 暂稳态结束 电路回复到稳态 上图作为楼道灯延时关灯线路 稳态时 Q 端 为低电平 三极管 截止 继电器不工作 灯泡不亮 当按一下 S1 电路进人暂稳 态 Q 1 三极管饱和导通 继电器得电 其常开触点吸合接通梯道灯 灯点亮 暂稳 态过后 灯自动熄灭 暂稳态时间即为灯泡点亮的时间 由 R2 和 C 的参数决定 9 图 2 8 无稳态 多谐振荡器 设在电源接通后的瞬阀 Q 端精出为高电平 该高电平通过 RP2 向 C2 充电 当 C2 端电压上升到复位电平时 Q 端为变为低电平 C2 通过 VD2 向 Q 端放电 当 Q 端为低电平时 因 Q 为 Q 的倒相输出端 所以 Q 为高电平 该高 电平通过 RP1 向 C1 充电 当 c1 端电压上升到置位电平时 电路置数 Q 变为高电平 Q 变为低电平 Q 端的高电平向 c2 充电 Q 端的低电平使 c1 向它放电 如此循环 在 Q 和 Q 端交替出现高低电平 形成振荡 因电路的输出端 Q 和 Q 没有一个稳定的状态 所 以该电路叫无稳态振荡器 Q 端的振荡信号加到三极管的基极放大 推动扬声器发出响 亮的音频叫声 振荡频率由 RP1 RP2 C1 C2 决定 因此也称为音频信号发生器 10 图 2 9 双稳态触发器 图 2 10 4013 路灯控制电路图 交流 220V 电压经 VD1 VD4 整流 R1 限流 C1 滤波及 VS 稳压后 为触摸电路和执行电 路提供 12V 工作电压 11 白天 RG1 和 RG2 受光照射而呈低阻状态 IC 的 S1 端为低电平 R1 端为高电平 1 端输出低电平 VT 处于截止状态 K 处于释放状态 照明灯 EL 不亮 夜晚 RG1 和 RG2 因无光照射或 使 IC 的 S1 端变为高电平 R1 端变为低电平 Q1 端输出高电平 VT 饱和导通 K 通电吸和 其常开触头接通 EL 点亮 天亮后 RG1 和 RG2 阻值下降 IC 的 Q1 端又输出低电平 VT 截止 K 释放 EL 熄灭 3 设计总结 3 1 实验结果分析 参数范围有些许的偏差 是因为在各原件的参数选择上有些偏差 延迟时间是由于延迟电路中充放电的时间不够 在制作过程中 由于缺少元器件和 在焊接过程中 由于焊接不熟练 所以 元器件的接触有些不良 3 2 实验总结 为期三个星期的课程设计已经结束 在这两星期的学习 设计过程中我感触颇深 使我对抽象的理论有了具体的认识 通过对楼道延时触摸开关的设计 我掌握了常用 元件的识别和测试 熟悉了常用的仪器仪表 了解了电路的连接方法 以及如何提高 电路的性能等等 通过对楼道触摸延时开关的设计 我还深刻认识到了 理论联系实际 的这句话 的重要性与真实性 而且通过对此课程的设计 我不但知道了以前不知道的理论知识 而且也巩固了以前知道的知识 最重要的是在实践中理解了书本上的知识 明白了学 以致用的真谛 也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因 是为了教会我 们如何运用所学的知识去解决实际的问题 提高我们的动手能力 在整个设计到电路 的焊接以及调试过程中 我个人感觉调试部分是最难的 因为你理论计算的值在实际 当中并不一定是最佳参数 我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期达到最好 而参数的调试是一个经验的积累过程 没有经验是不可能在短时间内将其完成的 而 这个可能也是老师要求我们加以提高的一个重要方面吧 其次 这次课程设计提高了我的团队合作水平 使我们配合更加默契 体会到成 12 功来自于汗水 体会到成果的来之不易 在实验过程中 我们遇到了不少的问题 比如 元器件的缺少 焊接的问题 在 老师和同学的帮助下 把问题一一解决 那种心情别提有多高兴啦 实验中暴露出我 们在理论学习中所存在的问题 有些理论知识还处于懵懂状态 还有就是在实验中 好多同学被电烙铁烫伤了 这不得不让我想起安全问题 所以在以后的实验中我们应 该注意安全 特别是在特殊的地方或者使用特殊工具