定时排气扇课程设计

1 前前 言言 电子课程设计是电子技术学习中非常重要的一个环节 是将理论知识和实践能力相统一 的一个环节 是真正锻炼学生能力的一个环节 很多电路要使用 555 来产生一个脉冲 555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规 模集成器件 在电路应用中主要用来做定时器 可构成施密特触发器 多谐振荡器和单稳态 触发器 本次课设的要求就是利用 555 和一些辅助器件来完成简易的定时排气扇 在许多领域中计时器均得到普遍应用 诸如在体育比赛 定时报警器 游戏中的倒时器 交通信号灯 红绿灯 行人灯 交通纤毫控制机 还可以用来做为各种药丸 药片 胶囊在 指定时间提醒用药等等 由此可见计时器在现代社会是何其重要的 本次设计就用到了计时 器功能 室内长期不通风对人的身体有害 但若是一直开着排气扇 不能节约电能 也是不合理 的 因此 应做到定式排气 并自动切断电源 做为电子系的大学生不仅要学习理论 更要 将理论所学运用到实际 自动定时循环排气扇控制器 可用来对家庭居室的排气扇进行定时循环控制 它既可对 室内空气进行定时清洁净化 又省去人工控制 只要按照实际需要设定好排气时间和间歇时 间 排气扇就会按照设定好的程序和时间 自动循环地工作下去 同时该控制器还可根据设 定好的定时程序和时间 自动切断工作电源 这样既能实现控制目的 又不浪费电能 此控 制器不仅可以用在排气扇上 只要实现类似功能的电路都可使用 且成本低廉 制作简单 操作方 便 非常具有实用价值 2 第一章第一章 电路设计电路设计 1 11 1 电路设计方案电路设计方案 方案一 本方案由排气扇 定时控制电路和间歇控制电路组成 首先由定时控制电路控 制总定时即排气扇总工作时间 可以通过调节滑动变阻器来改变定时时间 间歇控制电路控 制排气的工作和间歇时间 也可以通过调节滑动变阻器来改变其时间 本设计排气扇的效果 用发光二极管来显示 二极管亮表示排气扇工作 灭则表示不工作 其电路图如图 1 1 图 1 1 方 案一实验电路图 但此电路时由两个多谐振荡器串联而成 由实验结果分析其信号不稳定 致使时间也不 稳定 所以我放弃了这个方案 方案二 本方案除了工作电源外由两部分组成 一部分是对排气扇进行自动开停控制的 自动循环控制器 另一部分是对开停次数进行计数的电子计数器 定时循环开停时间控制器 由 555 时基集成电路组成 在电路中 555 时基集成电路被连接成脉冲占空比可调的超低频 多谐振荡器 其电路图如图 1 2 所示 3 图 1 2 方案二实验电路图 1 21 2 工作原理工作原理 我选择方案二 该方案中 555 时基集成电路能够实现电路振荡的主要原理是 由电源通 过接在电路的 7 6 2 脚间的电阻器 R1 R2 对接至地端的电容器 C1 的充 放电过程 与 3 个引脚各自功能相配合来完成的 在前面已介绍过的振荡电路中 电容器 C1 的充电是通过 R1 R2 与 C1 的接地端形成回路的 而电容器的放电则是 C1 的正极通过 R2 到 7 脚完成的 只要将电路中 R1 R2 与 C1 的数值设定好 则振荡电路的振荡频率和脉冲占空比就是固定不 可变的 而在本电路中则不同 由于在电路中加人了二极管 VDl VD2 和可调电位器 RP 情况就 改变了 在这个振荡电路中虽然它的振荡频率是不可变的 但其脉冲的占空比是可以通过 RP 进行调节而改变的 这是由于加人了二极管后 电容器 C1 的充 放电回路与前不同了 其中充电回路变为由电源通过 Rl RP 的上半段 VD2 到电容器 Cl 而电容器的放电回路则由 电容的正极通过 VD1 R2 和 RP 的下半段到 7 脚 电路中的电容器 C1 为固定不变的 但它的 充 放电电阻值是可以通过调节 RP 的位置来改变的 由于振荡脉冲的占幸比是由电容器充 放电时间的差异形成的 当 RP 的动臂移向下方 时 使充电电阻的阻值增大 同时使放电电阻器一的阻值减小同一数值 其结果是电容器充 电的时间延长 而放电时间缩短 振荡脉冲的占空比变大了 反之 当 RP 的动臂向上调节 4 时 电容器的充电时间缩短 而放电时间被延 长 振荡脉冲的占空比变小 在本电路中 在接通电源之初 由于 C1 刚开始充电 其上端的电压小于 Vp 3 ICl 的 3 脚输出高电平 这时 VL2 发光指示 继电器 K2 线圈不通电 所以 KZ 保持静态 但这一高电 平在形成之初便通过 C3 向 IC2 的 CP 端输人一个计数脉冲 使 IC2 的输出端前移一位 随后 电容器 C1 进人充电状态 而输出端 3 则保持高电平 直到 C1 充电使其正端电压达到 2 VDD 3 时 电路翻转 输出端 3 变为低电平 这时继电器 K2 通电吸合 将排气扇的工作电源接 通 排气扇开始运转 工作状态指示灯 VL1 发光指示 随后 C1 立即转人放电过程 经过一段时间 当 C1 正端电压下降到 Vm 3 时 电路翻转 输出端 3 又恢复高电平 继电器 K2 断电释放 排气扇停止运转 电路进入下一个循环期 虽然 R1 的电阻值远大于 R2 的电阻值 但因 RP 为共用元件 当 RP 的动臂旋至 R2 一端 时 R1 RP 的电阻值远大于 R2 的电阻值 这时 C1 的充电时间远大于放电时间 输出脉冲 的占空比最大 排气扇的运转时间小于停歇时间 当 RP 的动臂旋至 R1 端时 R1 的电阻值 又小于 R2 RP 的电阻值 这时电容器 C1 的充电时间略小于放电时间 输出脉冲的占空比为 最小 排气扇的运转时间大于停歇时间 工作电源控制器由 IC2 和继电器 K1 组成 它通过对排气扇运转周期的计数 确定和控 制排气扇的工作次数 当到达预定的工作次数后 通过继电器 K1 切断排气扇并包括整个控 制电路的工作电源 该电路由 ICZ 继电器 K1 SB2 和 SBI 组成 IC2 为 CD4017 十进制计数器 电路中用它的输出端 Q0 一 Q7 来控制继电器 KI 的吸合与 断开 当 Q0 一 Q7 中只要有一个输出高电平 继电器 K1 就不会断开 当电路被接通电源后 Q0 就输出高电平使 VT 导通 继电器 K1 吸合 在随后的工作过程中 虽然输出端会由 Q0 Q1 Q2 Q7 变化 但 VT 的导通状态不会变化 直到 Q8 输出高电平使计数器复位 IC2 的计数脉冲取自 ICI 的输出 每当 ICI 输出一个脉冲周期 IC2 便计数一次 其输出端 即前移一位 如果未加预置 则当排气扇运转七个周期后就会被切断工作电源而停止工作 SB2 为预置按钮 每按动一次按钮便向 IC2 输人一个计数脉冲 输出端即前移一位 余下的 工作周期就会减少一次 所谓预置便是通过预置减少排气扇的工作循环次数 该电路在使用时 首先按下起动按钮 SB1 接通控制电路的工作电源 这时 IC2 的伪输出 高电平使 VT 导通 继电器 K1 通电吸合后通过 K1 将电源开关自锁 使电路进人工作状态并 一直保持 本电路中 IC1 输出脉冲的周期为 1h 可通过 RP 的调节改变脉冲的占空比 从而 改变排气扇的开停时间 5 第二章第二章 定时排气扇功能及元器件介绍定时排气扇功能及元器件介绍 2 1 12 1 1 基本功能基本功能 实现总定时时间 8 小时 可以调节 用发光二极管显示 占空比可调的间歇排气 2 122 12 电路组成框图电路组成框图 555 占空比可调电路 定 时与控制排气扇间歇工作 计数电路排气扇工作电路 2 22 2 元气件介绍和元件清单元气件介绍和元件清单 2 2 12 2 1 555555 定时器电路结构及工作原理 定时器电路结构及工作原理 一 555 定时器介绍 1 555 定时器是一个模拟与数字混合型的集成电路 按其工 分双 极型和 CMOS 型两类 其应用非常广泛 2 原理及结构 555 定时器内部电路由分压器 电压比较器 C1 和 C2 简单 SR 锁存器 放电三极管 T 以 6 及缓冲器 G 组成 其内部结构如图 3 1 2 所示 三个 5k 串联 作为分压器为比较器 C1 C2 提供参考电压 当控制电压端 5 悬空时 比较器 C1 和 C2 的基准电压分别为 2VCC 3 和 VCC 3 VI1 比较器 C1 信号输入端 称阈值输入端 VI2 比较器 C2 信号输入端 称触发输入端 当控制电压端 5 外接电压 VOC 比较器 C1 C2 的基准电压变为 VOC 和 VOC 2 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 一般都要外接上拉电阻 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 输出端 VO 即 为低电平 当 VI1 2VCC 3 VI2 VCC 3 时 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 输出端 VO 为低电平 当 VI1 2VCC 3 VI2 VCC 3 时 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 放电三极管截止 输出端 VO 即为高电平 7 当 VI1VCC 3 时 简单 SR 锁存器 S 1 R 1 锁存器状态不变 电路保持 原状态不变 3 电路功能 综合上述分析 可得 555 定时器功能表 2 2 22 2 2 由由 555555 定时器组成的多谐振荡器电路结构图及工作原理定时器组成的多谐振荡器电路结构图及工作原理 1 占空比不可调的 用 555 定时器组成的多谐振荡器 如图 3 2 1 接通电源后 电容 C1 被充电 当 VC 上升到 2VCC 3 时 使 VO 为低电平 同时放电三极管 T 导通 此时电容 C1 通过 R2 和 T 放电 VC 下降 当 VC 下降到 VCC 3 时 VO 翻转为高电平 电容 C1 放电所需时间为 tpL R2Cln2 0 7R2C1 当放点结束时 T 截止 VCC 将通过 R1 R2 向电容 C1 充电 VC 由 VCC 3 上升到 2VCC 3 所需时间为 tpL R1 R2 Cln2 0 7 R1 R2 C1 当 VC 上升到 2VCC 3 时 电路又翻转为低电平 如此周而复始 于是 在电路的输 出端就得到一个周期性的矩形波 电路的工作波形如图 3 2 1 b 其振荡频率为 1 tpL tpH 1 43 R1 2R2 C1 8 2 占空比可调的 要实现占空比可调 则采用图 3 2 2 所示电路 因电路中二极管 D1 D2 的单向导电 特性 使电容器 C1 的充放电回路分开 调节电位器 R2 就可调节多谐振荡器的占空比 图中 VCC 通过 RA D1 向电容 C1 充电 充电时间为 tpH 0 7 RAC 电容器 C1 通过 D2 RB 及 555 中的三极管 T 放电 放电时间为 tpL 0 7 RBC 因而 振荡频率为 1 tpL tpH 1 43 RA RB C 电路输出波形的占空比为 q RA 100 RA RB 9 2 2 32 2 3 CD4017CD4017 1 CD4017 电路结构及工作原理 CD4017 实现的功能是对 555 定时器发来的信号采集 也即对高低电平的方波进行 计数 然后输出计数结果 CD4017 十进制计数器脉冲分配器 CD4017 是 5 位 Johnson 计数器 具有 10 个译码 输出端 CPCRINH 输入端 时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能 对输入时钟脉冲 上升和下降时间无限制 INH 为低电平时 计数器在时钟上升沿计数 反之 计数功能无效 CR 为高电平时 计数器清零 引出端功能符号 10 CP 时钟输入端 CR 清除端 INH 禁止端 Q0 Q9 计数脉冲输出端 VDD 正电源 VSS 地 下图为 CD4017 接入电路的情况 11 如上图所述 14 脚接定时器的 3 脚 13 脚接地 每当方波由低电平变为高电平的上升 沿是计时器加 1 Q0 Q9 脚对应计数的 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 CO 脚是进位脚 当计数到 10 时就进位 例如计数 2 次 则 Q2 端口输出高电平 计数 4 次则 Q4 端口输出高 电平 电压在 3 5V 左右 发光二极管需接一电阻起限压作用 这样由 555 定时器发来的方波每个周期计数一次 就有一个灯被点亮 当方波持续则灯 依次被点亮形成流水状 实现流水灯的功能 2 2 42 2 4 继电器继电器 1 原理 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 释放 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 继电器一般有两股电路 为低压控 制电路和高压工作电路 2 3 元件清单 NE555 1 个 CD4017 1 个 发光二极管 10 个 红色 9 个 绿色 1 个 二极管 1N4001 4 个 三极管 3DG12 1 个 电容 2200uF 1 个 0 1uF 2 个 0 01uF 1 个 电阻 1 1M 1 个 240k 1 个 1k 3 个 10k 1 个 100k 1 个 12 滑动变阻器 1M 1 个 电磁继电器开关 2 个 第三章第三章 PCBPCB 板的制作板的制作 3 1 13 1 1 ProtelProtel 原理图原理图 13 3 1 3 1 2 2 PCBPCB 图图 3 23 2 1 1 手工焊接步骤手工焊接步骤 1 准备 将被焊件 电烙丝 焊锡丝 烙铁架等准备好 并放置在便于操作的地方 焊接前要加热到能熔锡的烙铁头放在松香或蘸水海棉上轻轻擦拭 以除去氧化物残渣 然后 把少量的焊料和助焊剂加到清洁的烙铁头上 让烙铁随时处于可焊接状态 2 加热被焊件 将烙铁头放置在被焊件的焊接点上 使接点上升温 若烙铁头上带 有少量焊料 在准备阶段时带上 可使烙铁头的热量较快地传到焊点上 3 熔化焊料 将焊接点加热到一定温度后 用焊锡丝触到焊接处 熔化适量的焊料 焊锡丝应从烙铁头的对称侧加入 而不是直接加在烙铁头上 4 移开焊锡丝 当焊锡丝适量熔化后 迅速移开焊锡丝 5 移开烙铁 当焊接点上的焊料流散接近饱满 助焊剂尚未完全挥发 也就是焊接 点上的温度最适当 焊锡最光亮 流动性最强的时刻 迅速拿开烙铁头 移开烙铁头的时机 方向和速度 决定着焊接点的焊接质量 正确的方法是先慢后快 烙铁头沿 45 角方向移动 并在将要离开焊接点时快速往回一带 然后迅速离开焊接点 14 注 对热容量小的焊件 可以用三步焊接法 即焊接准备 加热被焊部位并熔化焊料 撤离烙铁和焊料 3 33 3 注意事项注意事项 1 电源 地线的处理 既使在整个 PCB 板中的布线完成得都很好 但由于电源 地线的考虑不周到而引起的 干扰 会使产品的性能下降 有时甚至影响到产品的成功率 所以对电 地线的布线要认 真对待 把电 地线所产生的噪音干扰降到最低限度 以保证产品的质量 2 数字电路与模拟电路的共地处理 数字电路的频率高 模拟电路的敏感度强 对信号线来说 高频的信号线尽可能远离敏 感的模拟电路器件 对地线来说 整人 PCB 对外界只有一个结点 所以必须在 PCB 内部进 行处理数 模共地的问题 而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的它们之间互不相连 只是在 PCB 与外界连接的接口处 如插头等 数字地与模拟地有一点短接 请注意 只有 一个连接点 也有在 PCB 上不共地的 这由系统设计来决定 15 第四章第四章 电路板的调试电路板的调试 4 14 1 555555 多谐振荡器的调试多谐振荡器的调试 吸取了以前做电子产品时的经验 在焊接时 每焊接一个元器件都用万用表测试是否虚 焊 在检查确认整个电路焊接完整 没有漏焊后 接通电源 进行调试 开始时的电压选为 12V 现象应该为 排气扇不工作时红灯亮 而工作时绿灯亮 在接 通电源后 却发现两盏灯都有亮 这和应得到的现象相违背 于是用万用表检查电路时哪里 出现了问题 反复检查电路