楼道触摸延时开关课程设计

楼道触摸延时开关一设计目的1.进一步熟悉和掌握数字电子电路的设计方法和步骤2.进一步将理论和实践相结合3.熟悉和掌握仿真软件的应用二设计任务（内容）（1）设计一楼道触摸延时开关，其功能时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。（2）开关的延时时间约1分钟左右。二设计要求1.完成全电路的理论设计2.参数的计算和有关器件的选择3.对电路进行仿真4.撰写设计报告书一份；A3图纸至少一张。报告书要求写明以下主要内容（1）总体方案的选择和设计（2）各个单元电路的选择和设计（3）PCB的制作及仿真过程的实现参考资料 1阎石.数字电子技术基础（第五版）北京：高等教育出版社，20062王兆安.电力电子技术（第四版）北京：机械工业出版社，20003杨志忠.集成电路及元器件使用手册 北京：机械工业出版社20104朱定华. 电子电路实验与课程设计 北京：清华大学出版社，2009楼道触摸延时开关课程设计目 录第一章 设计原理 3第二章 电路的设计 42.1触摸延时电路的设计 42.1.1 555计时器 42.1.2 延时电路设计原理 5 2.2桥式整流电路原理6 2.2.1单项桥式整流电路组成6 2.2.2单项桥式整流电路工作原理62.3滤波电路和稳压电路72.3.1滤波电路72.3.2稳压电路8 2.4控制电路的设计10 2.4.1继电器的基本原理 10 2.4.2电磁式继电器 11 2.4.3控制电路的设计 12 2.5整体系统的概述 13第三章 电路的仿真14 3.1 Multisim14 3.2仿真 15第四章 心的与体会19附录20附录一20附录二23第一章 设计原理 楼道触摸延时开关是一种新型电子节能开关，可广范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。需要开灯时，手指轻轻触摸开关的感应区，电灯自动开启点亮，延时一分钟，电灯自动关闭熄灭。该操作简单，实用节能，又没有声控开关有声音就亮的弊端。触摸式延时控制开光具备以下功能特点：节约电能，无触点，无污染，安全可靠。为完成设计要求，设计电路应由如下几个部分组成： 1.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。2.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。3.由单项桥式整流电路，闻言管等构成5V的直流电源。设计原理图如下：直流电源触发端执行电路控制电路灯 由设计原理图可知该电路应由几部分组成，而且各个部分相对独立，因此，在进行设计电路的时可将各个部分分别设计，独立选择器件，独立测试，最后将这几部分进行组装、调试，达到设计完整楼道触摸延时开关的目的。第二章 电路的设计2.1触摸延时电路的设计 2.1.1 555计时器555计时器是美国Signetics公司1972年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路，因输入端设计有三个5k的电阻而得名。此电路后来竟风靡世界。目前，流行的产品主要有4个：BJT两个：555，556（含有两个555）；CMOS两个：7555，7556（含有两个7555）。555定时器的电路如图所示。它由三个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电晶体管T、与非门和反相器组成。2.1.2延时电路设计原理 触摸延时电路是基于时基芯片NE555构成的电路，主要用于开关闭合后控制电路在一段时间后自动断开达到延时的目的。 电路原理：触摸延时开关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，电源便通过给充电，这就是定时的开始。当电容上电压上升至电源电压的2/3时，555第7脚导通使放电，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、决定：=1.1 根据设计需要延时一分钟=60s，设=100F ，则=550K图2-1触摸延时电路原理图VCCOUTU2555_TIMER_RATEDGNDDISRSTTHRCONTRIR1550kR2200kC4100uFC5104uF开关 VCC5V2.2桥式整流电路原理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性端与负载电阻的上端相连， 负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单向的脉动电压。2.2.1单项桥式整流电路组成2-2单项桥式整流电路V1220 Vrms 50 Hz 0 T1D11243RL2.2.2单项桥式整流电路工作原理设变压器副边电压，U2为其有效值由图2.2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 U 2 的正半周内，二极管 D1 、 D 3 导通， D 2 、 D 4 截 止，在负载 RL 上得到上正下负的输出电压；在负半周内，正好相反， D1 、 D 3 截止，D 2 、 D 4 导通，流过负载 RL 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。如图2-3所示为单相桥式整流电路各部分的电压和电流的波形。 图2-3桥式整流电路电流、电压波形2.3滤波电路和稳压电路 2.3.1滤波电路滤波电路利用电阻抗元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器 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，既可保留直流分 量，又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数， 改善了直流电压的质量。 +Vi - V1220 Vrms 50 Hz T1D11243RLCU1U2电路工作原理 滤波电容容量大， 因此一般采用电解电容， 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。 当 U 2 为正半周并且数值大于电容两端电压 UC 时，二极管 D1 和 D 3 管导通，D 2 和D 4 管截止，电流一路流经负载电阻 RL ，另一路对电容 C 充电。当 UC U 2 ，导致 D1 和 D 3 管反向偏置而截止，电容通过负载电阻 RL 放电， UC 按指数规律缓慢下降。 当 U 2 为负半周幅值变化到恰好大于 UC 时， D 2 和 D 4 因加正向电压变为导通状2.3.2稳压电路1.稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管，其V-A特性曲线与普通二极管相似，但反向击穿曲线比较陡。稳压二极管工作于反向击穿区，由于它在电路中与适当电阴配合后能起到稳定电压的作用，故称为稳压管。稳压管反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小。当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然增大，稳压管从而反向击穿，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压的变化却相当小，利用这一特性，因此稳压管在电路中起到了稳压的作用。图2-4 稳压管特性曲线稳压管与其普通二极管不同之处在于反向击穿是可逆性的。当去掉反向电压稳压管又恢复正常，但如果反向电流超过允许范围，二极管将会发热击穿，所以，与其配合的电阻往往起到限流的作用。2稳压电路图25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将变化。因此，稳压电路的作用是将使整流滤波后的直流电压基本上不随交流电网电压或负载的变化而变化。 2.4控制电路的设计 2.4.1继电器的基本原理1 继电器的定义继电器是一种电控制器件。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）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“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。具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。2 继电器的分类继电器按其工作原理不同又可分为电磁继电器，固态继电器，热敏干簧继电器，磁簧继电器，光继电器，时间继电器，高频继电器，极化继电器等。按其负载大小又可分为微功率继电器，弱功率继电器，中功率继电器，大功率继电器等。按其反应类型又可分为电流继电器，电压继电器，功率方向继电器，阻抗继电器，频率继电器，气体（瓦斯）继电器等按其在保护回路中的作用又可分为启动继电器，度量继电器，时间继电器，中间计时器，信号继电器，出口继电器等。3 继电器的作用继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。 继电器一般都有能反映一定输入变量（如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等）的感应机构（输入部分）；有能对被控电路实现“通”、“断”控制的执行机构（输出部分）；在继电器的输入部分和输出部分之间，还有对输入量进行耦合隔离，功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构（驱动部分）。 作为控制元件，概括起来，继电器有如下几种作用： 1）.扩大控制范围：例如，多触点继电器控制信号达到某一定值时，可以按触点组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路。 2）.放大：例如，灵敏型继电器、中间继电器等，用一个很微小的控制量，可以控制很大功率的电路。 3）.综合信号：例如，当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时，经过比较综合，达到预定的控制效果。 4）.自动、遥控、监测：例如，自动装置上的继电器与其他电器一起，可以组成程序控制线路，从而实现自动化运行。2.4.2电磁式继电器1电磁式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26 继电器接线图2电磁式继电器工作原理 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。2.4.3控制电路的设计当继电器的输入信号x从零连续增加达到衔铁开始吸合时的动作值xx,继电器的输出信号立刻从y=0跳跃到y=m,即常开触点从断到通。一旦触点闭合，输入量x继续增大，输出信号y将不再起变化。当输入量x从某一大于xx值下降到xf,继电器开始释放，常开触点断开。我们把继电器的这种特性叫做继电特性，也叫继电器的输入-输出特性。 本设计中应用继电器的输入输出特性来控制负载，达到定时关灯的目的。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2-7控制电路工作原理：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NE55的供电电源是 5V，所以3脚输出电压略等与5V 。可以选用额定电压5V的继电器，二极管选用普通二 极管。2.5整体系统的概述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，得一个较小的交流电压，经整流，滤波得到一个直流电压，在经过稳压电路得到一个稳定的直流电压为555定时器提供工作电压。当需要开灯时，用手触摸一下开关，触发信号电压加到555的触发端，使555的输出由低电平变成高电平，继电器KS吸合，220V交流电形成回路，点灯点亮。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的触发端由高电平回到低电平，继电器释放，220V交流电形成的回路断开，电灯熄灭。这就是触摸延时开关的原理。图2-8楼道延时开关原理图第三章 电路的仿真3.1 MultisimMultisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。NI Multisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具，NI Multisim 是一个完整的集成化设计环境。NI Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。学员可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实地再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。NI Multisim软件绝对是电子学教学的首选软件工具。3.2仿真1直流稳压电源仿真图3-1直流稳压电路图3-2直流稳压仿真值2延时电路的仿真图3-2 延时电路 图3-2延时电路保持高电平输出波形 3楼道延时开关电路仿真图3-3楼道触摸延时开关电路原理图1）开关断开状态图3-4计时器输出端为低电平时的波形 1按设计方案连接仿真电路，当开关未闭合时，555继电器输出端为低电平，继电器保持断开状态，灯泡保持熄灭。2）开关闭合状态图3-5开关按下后555计时器输出端由低电平变为高电平当开关闭合时，5V电压加在555计时器的触发端，使输出端信号有低电平变为高电平，继电器衔铁闭合，照明电路接通，灯泡点亮。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。3） 保持高电平输出状态图 3-6 开关断开后555计时器输出端保持高电平输出4）继电器从高电平跳变到低电图3-7继电器从高电平跳变到低电平时的波形变化 1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。达到预定设计目的，设计成功第四章 心的与体会 通过本次对楼道触摸延时开关的设计，使我从中学习到了许多的新知识，对触摸延时开关的认识又提升到了一个新的阶段，对于楼道触摸延时开关的设计，我们应该抓住其本质，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。 附录一 555定时器图 附1.1 555定时器的内部逻辑电路构造图 附1.2 555定时器逻辑符号图 附1.3 555定时器管脚图555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3 。555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大