声、光同时控制的路灯照明电路的研制

1、摘要本文阐述了简单的声、光同时控制的路灯电路的制作。声、光同时控制的路灯电路，能自动控制白天开关、夜晚亮灯、人走灯灭。具有灵敏、低耗、性能稳定、使用寿命长、节能等特点。选择声敏传感器、光敏传感器作为基本元件。综合了声、光和延时控制、工作稳定、节电并可延长灯泡寿命。光敏传感器,声控传感器两种传感器形成了声控、光控两种控制的电路。利用布局和布线规则完成了电路板的制作。实现了电子开关的两种控制，实验结果实现了灯的控制。关键词：传感器；声控；光控；节能；AbstractSound and light control corridor lights switch for automatic switch

2、 during the day, night lighting, people take the light off. Sensitive, low consumption, stable performance, long life, energy saving and so on. Here are sound, light control automatically delay saving switch, combines sound, light and time delay control, job security, power saving and extended lamp

3、life. Strong light during the day or the occasion even greater control of the vibration noise can not light bulbs; night or low light encounter sound, vibration, lights and automatic lights, after about one minute (time can be set) automatically can be used for stairs, toilets and other public place

4、s, the automatic management of the corridor lights. In this paper, a simple control of sound and light production of the corridor light switch. Select sound sensor, light sensors as a basic element. Photosensitive resistors, sensors voice of two sensors form a voice, light control two control board.

5、 Using layout and routing rules of the circuit board production. To achieve the two control electronic switch, the experimental results achieved light control.Key Words：sensor；voice；optical control；energy saving；目录TOC o 1-3 f h u HYPERLINK l _Toc14872 摘要 PAGEREF _Toc14872 2 HYPERLINK l _Toc25995 Abs

6、tract PAGEREF _Toc25995 3 HYPERLINK l _Toc20001 第1章 绪论 PAGEREF _Toc20001 6 HYPERLINK l _Toc4348 1.1 课题研究背景及意义 PAGEREF _Toc4348 6 HYPERLINK l _Toc23105 1.2 本文的主要工作 PAGEREF _Toc23105 6 HYPERLINK l _Toc29156 第2章 总体电路设计及其原理说明 PAGEREF _Toc29156 8 HYPERLINK l _Toc5596 2.1设计要求 PAGEREF _Toc5596 8 HYPERLINK

7、l _Toc22976 2.2总体电路设计 PAGEREF _Toc22976 10 HYPERLINK l _Toc27999 第3章 单元电路设计与分析 PAGEREF _Toc27999 13 HYPERLINK l _Toc2190 3.1电源设计 PAGEREF _Toc2190 13 HYPERLINK l _Toc6414 3.1.1电源结构设计 PAGEREF _Toc6414 13 HYPERLINK l _Toc21717 3.1.2 结构原理说明 PAGEREF _Toc21717 13 HYPERLINK l _Toc24413 3.2声控部分电路设计 PAGEREF

8、_Toc24413 15 HYPERLINK l _Toc13592 3.2.1驻极体话筒 PAGEREF _Toc13592 15 HYPERLINK l _Toc1824 3.2.2声控部分电路工作原理及电路图 PAGEREF _Toc1824 16 HYPERLINK l _Toc15827 3.3光控部分电路的设计 PAGEREF _Toc15827 17 HYPERLINK l _Toc24583 3.3.1光敏三极管简介 PAGEREF _Toc24583 17 HYPERLINK l _Toc115 3.3.2光敏三极管功能 PAGEREF _Toc115 18 HYPERLIN

9、K l _Toc15434 3.3.3光控原理 PAGEREF _Toc15434 20 HYPERLINK l _Toc23265 3.4延时处理部分电路的设计 PAGEREF _Toc23265 21 HYPERLINK l _Toc19575 3.4.1 555定时器 PAGEREF _Toc19575 22 HYPERLINK l _Toc1179 3.4.2延时电路图及控制原理 PAGEREF _Toc1179 25 HYPERLINK l _Toc5802 3.5参数计算 PAGEREF _Toc5802 26 HYPERLINK l _Toc19831 第4章 电路图绘制与PCB

10、图制作 PAGEREF _Toc19831 28 HYPERLINK l _Toc19663 4.1 Protel 99 SE简介 PAGEREF _Toc19663 28 HYPERLINK l _Toc25465 4.1.1原理图设计 PAGEREF _Toc25465 28 HYPERLINK l _Toc8596 4.2 PCB的生成 PAGEREF _Toc8596 29 HYPERLINK l _Toc24681 4.3.6PCB最终生成 PAGEREF _Toc24681 34 HYPERLINK l _Toc31278 结论 PAGEREF _Toc31278 35 HYPER

11、LINK l _Toc9481 参考文献 PAGEREF _Toc9481 36 HYPERLINK l _Toc2858 致谢 PAGEREF _Toc2858 37 HYPERLINK l _Toc30497 附录一 PAGEREF _Toc30497 38 HYPERLINK l _Toc8412 附录二 PAGEREF _Toc8412 39第1章 绪论 课题研究背景及意义 在学校、机关、厂矿企业等单位的公共场所以及居民区的公共楼道，长明灯现象十分普遍，这造成了能源的极大浪费。另外，由于频繁开关或者人为因素，墙壁开关的损坏率很高，增大了维修量、浪费了资金。同时，为了加强我们对模拟电子技

12、术合数字电子技术的理解合巩固，而我设计的课题是声光控制路灯的设计，我设计了一种电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便、使用寿命长的声光双控白炽灯节能路灯。在本设计中介绍了声光控路灯控制器的组成、性能，适用范围及工作原理，给出各电路原理图及元件参数选择，节电效果十分明显，同时也大大减少了维修量、节约了资金，使用效果良好。白天光照好，不管过路者发出多大声音，都不会是灯泡发亮。夜晚光暗，电路的拾音器只要检测到有碎发声响，就会自动亮为行人照明，过几分钟后又自动熄灭，节能节电。1.2 本文的主要工作 研究目标在了解555、光敏三极管、可控硅等基础上，研究声光双控路灯电路，并对电路进行理论和可行性分析，使

13、研究具有一定的理论水平与使用价值。 研究内容随着电子技术的发展，尤其是数字技术的发展，用数字电路技术实现灯的自动发亮、节能节电、延长灯的寿命变得越来越重要，而且贴近我们的实际生活。给人们的生活、带来极大的方便。声光控制开关是声音和光控制电路工作的电子开关。它将声音（如击掌声）和光转化为电信号，经放大、整形，输出一个开关信号去控制白炽灯的工作，在自动控制工业电器和家用电器方面有着广泛的用途。公共场所和居民居住区的公共楼道普遍使用机械手动开关,由于各种原因往往出现许多灯泡点亮长明的现象,故使灯泡寿命短,浪费电量,为国家、单位、个人造成经济损失。另外，由于频繁开关或其他人为因素，墙壁开关的损坏率很高

14、，既增大了维修量、浪费了资金，又容易造成事故隐患。因此，设计研制一种电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便的声光双控白炽灯节能自动开关显得相当有必要。使公共场所和居民居住区的公共楼道灯在白天时不亮，晚上闻声自亮，待人走后，几十秒后自动关闭，既方便，又省电。以往的声控开关大多都是应用模拟电子技术进行设计，分立元件多，不可靠，如今单片机技术已经相当成熟，运用单片机可以设计出智能型的声控开关，电路设计好后，运用软件编程来实现其功能，灵活方便，修改简单。本电路为一声光自动控制白炽灯开关。白天或夜晚光线较亮时，光控部分将开关自动关断，声控部分不起作用。当光线较暗时，光控部分将开关自动打开，负载电路的通断

15、受控于声控部分。电路是否接通，取决于声音信号强度。当声强达到一定程度时，电路自动接通，点亮白炽灯。这样，通过对环境声光信号的检测与处理，完成对白炽灯的控制。论文共有4章，其具体内容如下：第1章：绪论：主要介绍本课题的研究背景及意义、研究目标及研究内容第2章：总体电路设计及其原理说明：主要介绍本课题的设计要求以及总体电路的设计第3章：单元电路设计与分析：介绍各个单元电路的结构以及功能，其中包括：电源设计、声控部分电路设计、光控部分电路的设计、延时处理部分电路的设计以及参数计算第4章：电路仿真与PCB图制作：利用PROTEL绘制出电路图，最后生成PCB图。第2章 总体电路设计及其原理说明设计要求

16、总体要求 整个电路由电源电路、放大电路、声控电路、光控电路及延时电路等部分组成。（1）当白天或夜晚光线较亮时，整个电路由光控部分控制，声控部分不起作用。光控电路对外界光亮程度进行检测，输出与光亮程度相对应的电压信号，从而实现白天灯泡不亮。此时即便有声音，灯泡也不亮。（2）当光线较暗时，负载电路的通断受控于声控部分。声控电路主要将声音信号转变为电信号，且电路是否接通，取决于声音信号的强度。当声强达到一定程度时，电路自动接通，点亮灯泡。 （3）灯泡点亮后，延时电路控制延时36秒，当延时时间到，再等待下一次声音信号触发。（4）此外，电路带强切功能，在特殊情况下强制切断。 总体方案如图所示：开始灯不亮

17、是否达到既定光亮程度？否是光控部分导通是否有声控信号输入灯不亮有无触发555输入高电平晶闸管导通是灯不亮是否强制切断？否灯亮延时灯灭图 声控电路 声控电路的主要原理：根据声学和电子学的原理，用声音传感器将声音信号转换成电信号，从而推动触发器触发使电路导通工作。 作为一个智能化声控电路应具有以下功能：（1）能在声音的控制下实现电路的导通与截止。（2）声音的发出应是多方面的如脚步声，物体打击声等。（3）响应时间应越短越好。为此在选择电路元器件时应选择灵敏度较高的声音传感器组成声控电路控制电路的前端，同时我们还要为该传感器设置传感条件如声音响度必须在20DB以上才能响应等。中间端采用触发器构成，利用

18、触发器不触不发，一触即发的特点去推动照明电路工作，触发器的选择也应选择灵敏度高，响应时间短的触发器如D触发器，JK触发器等。 光控电路 光控电路的主要原理：利用光敏元件随光照强度的变化而阻抗发生变化的特点，去控制电信号的强弱，再由传感器将变化的电信号传递给触发器，只要电信号强度达到一定程度将触发触发器使其导通工作。在这样的电路设计中，对电路元器件的要求也极为高，尤其是光敏元件。光敏元件是光控电路功能实现的核心，必须保证其各项参数的精确、稳定。半导体光敏元件是基于半导体光电效应的光电转换传感器，又称光电敏感器。采用光、电技术能实现无接触、远距离、快速和精确测量，因此半导体光敏元件还常用来间接测量

19、能转换成光量的其他物理或化学量。半导体光敏元件按光电效应的不同而分为光导型和光生伏打型（见光电式传感器）。光导型即光敏电阻，是一种半导体均质结构。光生伏打型包括光电二极管、光电三极管、光电池、光电场效应管和光控可控硅等，它们属于半导体结构型器件。半导体光敏元件的主要参数和特性有灵敏度、探测率、光照率、光照特性、伏安特性、光谱特性、时间和频率响应特性以及温度特性等，它们主要由材料、结构和工艺决定。半导体光敏元件广泛应用于精密测量、光通信、计算技术、摄像、夜视、遥感、制导、机器人、质量检查、安全报警以及其他测量和控制装置中。常见光敏元件有：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。 因此，在设计时不仅须

20、考虑方案的可行性、稳定性，还必须充分考虑元器件的灵敏度，尤其是光敏元件必须选择灵敏度高的，这样电路的功能才能较容易实现。 2.1.4 延时电路 延时电路的主要原理：利用电子计数器的原理实现定时功能。 延时电路的构成方案一般有三种：（1）硬件构成；（2）软件构成；（3）软硬相结合构成；对于由硬件构成的定时器，一般是用改变R、C元件值控制定时的，其效率较高，但灵活性，通用性较差；而由软件构成的定时器是用执行一段程序来实现定时的，其灵活性通用性较高，但效率较差；故现在设计定时器一般都是采用软硬相结合的方法，通过编程设定不同的延时常数，而由硬件控制定时过程，如大规模集成电路可编程计数器8253，51单

21、片机通过编程构成计数器等。延时电路主要是为了完善电路功能，因此在延时结束后应发出一个结束信号，控制电路是否继续工作。总体电路设计原理框图声源处理执行机构延时放大声电转换电源光源 电路设计根据设计要求及原理，设计出电路原理图，如图所示： 图 电路主要由555集成电路和声、光控专用集成电路组成。（1）白天或夜晚光线较亮时，Q4接收到光信号，输出低电平，使得555的3脚输出低电平，SCR截止，光控部分将开关自动关断，声控部分不起作用。（2）当光线较暗时，光控部分将开关自动打开，Q4的b极处于高电平状态，高电平再次放大使得Q5的c极为低电平555的4脚接收到高电平，同时声音信号从MIC输入，经三极管放

22、大输入到555的2脚，触发555的3脚输出高电平触发SCR导通，使电源部分导通，灯亮。负载电路的通断同时受控于声控部分和光控部分。电路是否接通，取决于光照的强度以及声音信号强度。当光照和声强达到一定程度时，电路自动接通，点亮白炽灯，并开始延时，延时时间到，开关自动关断，等待下一次信号。第3章 单元电路设计与分析电源设计电路工作是否稳定，电路功能是否能实现，不仅仅取决于电路元器件，还和外加电源有关。电源结构设计电源电路的种类繁多，如变压器降压；桥式整流全波整流；Lc、Rc滤波；三端稳压器稳压等。具体采用什么电路合适，则根据主体电路及执行机构不同和可靠、价廉、有效益等要求进行选用。 根据本文安全、

23、实用、廉价的特点，其电源的设计结构如下： 降压稳压滤波整流图 结构原理说明因为IC555的供电电压为直流4.516V，而我们用家用的交流220V供电。所以需要降压、整流。因为整流后的波形纹波很大，所以需要滤波。滤波后得到较平滑的直流，给IC555供电不稳定，需进一步稳压。此电源比一般简单的稳压电路更使用，成本更低，使用寿命更长。（1）整流桥简介整流桥就是将整流管封在一个壳内了.分全桥和半桥.全桥是将连接好的桥式整流电路的四个二极管封在一起.半桥是将两个二极管桥式整流的一半封在一起,用两个半桥可组成一个桥式整流电路,一个半桥也可以组成变压器带中心抽头的全波整流电路, 选择整流桥要考虑整流电路和工

24、作电压.整流桥堆一般用在全波整流电路中，它又分为全桥与半桥。全桥是由4只 HYPERLINK :/baike.baidu /view/551959.htm t _blank 整流二极管按桥式全波整流电路的形式连接并封装为一体构成的，图是其外形。 全桥的正向电流有、1A、2A、3A、5A、10A、20A、35A、50A等多种规格，耐压值（最高反向电压）有25V、50V、100V、200V、300V、400V、500V、600V、800V、1000V等多种规格。 （2）电路图及原理 根据电源结构图设计出具体的电源电路，如图所示：图降压稳流部分由R3C1、整流桥D2,D3,D4,D5和滤波电容C2组

25、成，交流220V输入，经R3(220K)降压，经D2,D3,D4,D5整流桥全波整流，C6（220F）大电解电容滤波，滤波后得到纹波较大的直流信号，然后D7与C8对此信号进行稳压，稳压后得到+9V的电压，为电灯控制电路提供了工作电压。声控部分电路设计作为声控部分的设计，必然少不了一个在无光照和拾取到声音时把电路导通的，从而达到点亮灯起到照明作用的电子元件。这个电子元件就是驻极体话筒MIC。驻极体话筒 （1）驻极体话筒的工作原理驻极体话筒一般由驻极体与结型场效应管组合而成。驻极体是由进行特殊处理的高分子材料组成，这些高分子材料表面具有永久电荷(Q)。驻极体结构有振膜、背极、空隙三部分，这样在振膜

26、与背极间形成一个具有定量电荷的电容结构。当说话时，会引起振膜与背极间的距离(D)变化，据C=S/D可知，将使电容(C)变化;据U=Q/C可知，a、b间电压会变化;从而引起结型场效应管的G、S间电压变化，在D、 S间产生放大的电信号。 （2）驻极体话筒的结构话筒的基本结构由一片单面涂有金属的驻极体薄膜与一个上面有若干小孔的金属电极（背称为背电极）构成。驻极体面与背电极相对，中间有一个极小的空气隙，形成一个以空气隙和驻极体作绝缘介质，以背电极和驻极体上的金属层作为两个电极构成一个平板电容器。电容的两极之间有输出电极。由于驻极体薄膜上分布有自由电荷。当声波引起驻极体薄膜振动而产生位移时；改变了电容两

27、极版之间的距离，从而引起电容的容量发生变化，由于驻极体上的电荷数始终保持恒定，根据公式：Q=CU 所以当C变化时必然引起电容器两端电压U的变化，从而输出电信号，实现声电的变换。驻极体话筒体积小，结构简单，电声性能好，价格低廉，应用非常广泛。驻极体话筒的内部结构如图所示。由声电转换系统和场效应管两部分组成。它的电路的接法有两种：源极输出和漏极输出。源极输出有三根引出线，漏极D接电源正极，源极S经电阻接地，再经一电容作信号输出；漏极输出有两根引出线，漏极D经一电阻接至电源正极，再经一电容作信号输出，源极S直接接地。所以，在使用驻极体话筒之前首先要对其进行极性的判别。图 （3）驻极体话筒的检测方法方

28、法一、将驻极体话筒加上正常的偏置电压，将万用表拨到Rx100档，用两表笔分别接两芯线，相当于给内部源极、漏极间加电压，此时，万用表指针应在一定的刻度上。然后对话筒吹气，如果指针有一定幅度的摆动，说明驻极体话筒完好，如果无反映，则该话筒漏电。如果直接测试话筒引线无电阻，说明话筒内部可能开路;如果阻值为零，则话筒内部短路。方法二、因为在场效应管的栅极与源极之间接有一只二极管，因而可利用二极管的正反向电阻特性来判别驻极体话筒的漏极D和源极S。将万用表拨至R1k档，黑表笔接任一极，红表笔接另一极。再对调两表笔，比较两次测量结果，阻值较小时黑表笔接的是源极，红表笔接的是漏极声控部分电路工作原理及电路图白

29、天，因为光控电路阻断，所以，无论多大声，灯都不会亮。到夜晚，光控电路导通，当人走动的脚步声传到传声器MIC时，声波转换为电信号，经三极管Q3放大，使灯亮。若声控灵敏度偏低，可增大R10阻值，或换高放大倍数的三极管。本系统放大整形电路设计结构如图所示。图 3.3光控部分电路的设计光敏三极管简介以接受光的信号而将其变换为电气信号为目的而制成之晶体管称为光敏三极管,也叫光电三极管,英文名是Photo Transister。光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。 通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加

30、控制等作用。当具有光敏特性的PN 结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。通过对半导体二极管和三极管的学习，我了解了晶体管的基本结构和工作原理，晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种，如图从三个区引出相应的电极，分别为基极b发

31、射极e和集电极c。发射区和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的PN结叫集电极。基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大，PNP型三极管发射区发射的是空穴，其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里；NPN型三极管发射区发射的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。发射极箭头向外。发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。硅晶体三极管和锗晶体三极管都有PNP型和NPN型两种类型。虽然重点学习了晶体管的放大作用，但是我对晶体管的开关作用更感兴趣。半导体就像一个开关，可以通过导通与截止来控制电路。半导体通过添加一部分微量元素会使其特性发生翻天覆地的变化。光敏晶体管就是一种重要

32、的衍生物。视觉是人体最重要的感觉，因此，我觉得通过光来控制电路真是太精妙了，而光敏的二极管三极管恰好就完成这个任务。因为光敏三极管由于还具有放大作用，因此应用比二极管更加广泛。 光敏三极管用于测量光亮度，经常与发光二极管配合使用作为信号接收装置。 光敏三极管功能光敏三极管一般在基极开放状态使用(外部导线有两条线的情形比较多)，而将电压施加至射极、集极之两个端子，以便将逆偏压施至集极接合部。在此状态下，光线入射于基极之表面时，受到反偏压之基极、集电极间即有光电流(I)流过，发射极接地之晶体管的情形也一样，电流以晶体管之电流放大率(hfe)被放大而成为流至外部端子之光电流(Ic)，为便于了解起见，

33、请参照图.1 所示。达林顿晶体管工作情况；电流再经过次段之晶体管的电流放大率被放大，其结果流至外部导线之光电流即为初段之基极、集极间所流过之光电流与初段及后段之晶体管的电流放大率三者之积。 图.1 （1）光敏三极管的结构及外形最普遍的外形如图.2 所示。罐形封闭(Can seal)之光敏三极管多半将半导体晶方装定在TO-18或TO-5封装引脚座后，利用附有玻璃之凸透镜及单纯之玻璃窗口之金属罩封闭成密不透气状态。 罐封闭型(玻璃窗口) 罐封闭型(玻璃透镜)树脂封入型(平导线透型) 树脂封入型(单端窗) 图.2 （2）光敏三极管的种类由外观上如图.2所示，可以区分为罐封闭型与树脂封入型，而各型又可

34、分别分为附有透镜之型式及单纯附有窗口之型式。就半导体晶方言之，材料有硅(Si)与锗(Ge)，大部份为硅。在晶方构造方面，可分为普通晶体管型与达林顿晶体管型。再从用途加以分类时，可以分为以交换动作为目的之光敏三极管与需要直线性之光敏三极管，但光敏三极管的主流为交换组件，需要直线性时，通常使用光二极管。（3）光敏三极管的选用在实际选用光敏三极管时，应注意按参数要求选择管型。如要求灵敏度高，可选用达林顿型光敏三极管；如要求响应时间快，对温度敏感性小，就不选用光敏三极管而选用光敏二极管。探测暗光一定要选择暗电流小的管子，同时可考虑有基极引出线的光敏三极管，通过偏置取得合适的工作点，提高光电流的放大系数

35、。例如，探测10-3勒克斯的弱光，光敏三极管的暗电流必须小于0.1nA。部分国产光敏三极管参数如下： 型号 参数允许功耗mW最高工作电压 U/V暗电流 I/A光电流 mA峰值响应波长 m测试条件I=IU=U1000IXU=10V3DU1170100.513DU1250303DU13100503DU131001000.513DU213010123DU2250303DU23100503DU31701023DU3250303DU33100503DU513010本文的光敏三极管Q4选用暗电流Id较小,光电流Ic较大的3DU51光控原理所谓光控就是利用光敏三极管对不同光照呈现的阻抗不同，对时基电路555

36、的四脚进行高低电平的控制，或处于等待触发状态，或处于强制复位状态。白天光照Q4呈低阻，Q2正偏置而饱和倒通。其集电极电位，即555的4脚被钳制在左右，从而是555处于强制复位状态，此时不管2脚有多大的触发电平，555均不会翻转置位。可控硅不会触发倒通，电灯无电不亮。夜晚光暗，此时Q4呈高阻而截止，Q5无偏置电流，呈截止状态。555的4脚呈高位，使555触发器处于单稳态触发状态，此时如果有声响，经拾音，放大，倍压整流后，正极性信号使Q1饱和倒通，下跳变信号加之555的二脚使555翻转置位。3脚由原来的低电平变为高电平（约+8.5V），经R7限流后触发双向可控硅SCR1并倒通，电灯点亮。，电路原理

37、图如图所示：图延时处理部分电路的设计以555为中心的延时电路多而常见，它电路结构简单，外围元件少，工作稳定。电容延时就是RC延时，利用电容的充放电调节RC时间常数来完成，一般要配合另外的一个触发电路来达到延时控制，实际上555延时电路就是用的RC充放电。继电器延时在强电领域有时间继电器等，利用的是电磁原理。在弱电领域一般以固态继电器为主，但是它也只是一种控制器件。另外在数字电路中，利用震荡器和计数器也可以做成相当精确的延时电路。如果考虑成本，可以直接用RC延时，另外加上一个三极管就构成了一个延时控制电路。如果考虑性能但又不是很高，可以用555。如果是在高精度的场合，如数字取样等，那就要用数字式

38、的延时电路。根据本设计的思想，应使用更为简单，便宜而且性能也比较可靠555延时电路。3.4.1 555定时器555定时器是一种将数字功能和模拟功能集为一体的中规模集成电路。它的结构比较简单，使用却非常灵活，也很方便，可以用它构成多谐波振荡器、施密特触发器和施密特触发器等。用555定时器构成的各种电路，都是通过定时控制，实现信号的产生与变换，从而完成其他控制功能。 一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，输出驱动电流约

39、为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。 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 A1 的反相输入端的电压为

40、2VCC /3，A2 的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 A2 的输出为 1，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 A1 的输出为 1，A2 的输出为 0，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0电平。555定时器主要是与电阻电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容上的电压以确定输出电压的高低和放电开关管的通断，可构成单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器等脉冲产生电路。 （1）555定时器的结构555定时器的内部结构各种555定时器的电路结

41、构大同小异，它由比较器C和C、基本触发器和输出级三个部分组成，外部共有8根引脚，各脚的名称和功能如下：1脚为接地端，也是芯片的公共端；8脚为电源端V；3脚为信号输出端V；7脚为放电端。如果经过一个足够大的电阻街道电源上那么放电端可获得一个与输出端相一致的电平。4脚为直接复位端。只要在此输入低电平，输出端立即被置为低电平，不受其他输入状态的影响。正常工作是接高电平可直接接到电源上6脚为C比较器的信号输入端V又称阈值段TH；2脚为C比较器的信号输入端V又称为触发端。它们输入的信号可以是数字信号也可以是模拟信号，分别与比较器所设置的参考电压进行比较便于控制输出状态。5脚为控制电压输入端V。如果V端没

42、有外加电压时两个比较器的参考电压，由电源电压经过三个等值电阻分压提供，则V=V，V=V。在这种情况下，该端可通过电容（F）接地，防干扰信号窜入。如果该端接入外电压V时，则，V= V， V=V，因此V可改变参考电压值V。（2）芯片功能 若=0，不管其它输入如何输出端都为低电平。 若=1，当V()V且V(V)时，比较器C输出为0，C输出为1，即V=0，V=1，基本RS触发器状态Q置成0，输出V为低电平；同时放电管T导通。若=1，当V()V且V(V)时，比较器C、C输出都为0，即V=V=0，基本RS触发器状态Q=1，输出低Q端为高电平，V也输出为高电平，同时放电管T截止，放电端没有放电回路。 若=1

43、，当V()V且V(V)时, 比较器C输出为1，C输出为0，即V=1，V=0，基本RS触发器状态Q置成高电平，V也输出为高电平，同时放电管T截止，放电端没有放电回路。若=1，当V(V)时，比较器C、C输出都为1, 即V=V=1, 基本RS触发器状态Q保持不变，V和放电管状态保持不变。 输入各级输出T状态VVVV触发器输出Q输出VT状态00低电平导通1()V(V)010低电平导通1()V(V)001高电平截止1()V(V)100高电平截止1()V(V)11Q不变不变（3）555定时器连接的施密特触发器左右的电容。6端和2端处的输入信号为V当VV时，V=1，V=0，Q=1，故v=V；当V VV以后，

44、V=0，Q=0，故v=V；因此V=V。其次，再看V从高于V开始下降的过程：当V VV时，V=V=1，v=V保持不变；当VV以后，V=1，V=0，Q=1，故v=V；因此V=V 由此得到电路回差电压为V= V- V=V如果参考电压由由外接电压V供给，则不难看出这时V= V，V=V，V=V。通过改变V值可以调节回差电压的大小。延时电路图及控制原理 （1）单稳态延时电路有如下特点 单稳态延时电路只有一个稳定状态，一个暂稳态。 在外加脉冲的作用下，单稳态触发器可以从一个稳定状态翻转到一个暂稳态。 由于电路中RC延时环节的作用，该暂态维持一段时间又回到原来的稳态，暂稳态维持的时间取决于RC的参数值。 （2

45、）双稳态电路的特点是： 它有两个稳定状态，在没有外来触发信号的作用下。电路始终处于原来的稳定状态。由于它具有两个稳定状态，故称为双稳态电路。 在外加输入触发信号作用下，双稳态电路从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态。通过比较，单稳态延时电路比起双稳态延时电路要简单、实用，更符合本次设计的要求，所以应选择单稳态延时电路作为延时电路。 555和R8、C7、等组成单稳态延时电路。电灯点亮的时间即单稳态延时电路触发后高电平持续的时间（稳态时间），他取决于单稳态电路的时间常数，其大小为， Td=1.1（R8）（C7）图示所示电路的单稳态时间为36s，即电灯点亮后36秒后熄灭。降压电容选用耐压400V以上的

46、金属化纸介电容器。图 在进行电路设计时，应根据电路的性能指标要求决定电路元器件的参数。例如根据电压放大倍数的大小，可决定反馈电阻的取值；根据延时时间要求，利用公式，可计算出决定时间大小的电阻和电容之值等等。但一般满足电路性能指标要求的理论参数值不是惟一的，设计者应根据元器件性能、价格、体积、通用性和货源等方面灵活选择。计算电路参数时应注意以下几点： （1）计算元器件工作电流、电压和功率等参数时，应考虑工作条件最不利的情况，并留有适当的余量。 （2）对于元器件的极限参数必须留有足够的裕量，一般取1.52倍的额定值。 （3）对于电阻、电容参数的取值，应选计算值附近的标称值；非电解电容器一般在100

47、pF0.47F选择；电解电容一般在1F2000F范围内选用。 （4）在保证电路达到功能指标要求的前提下，尽量减少元器件的品种、价格、体积等。 （5）设计已确定的参数指标为： 额定电压： 220V ；额定电流： 1A ； 光线强度 10LX ，触发电压 0 20dB( 可调 ) 亮灯持续时间： 36S5S ； 静态功耗： 0.3W; 动态功耗 :0.9W( 不包括 Q3 的功耗 ) 。第4章 电路图绘制与PCB图制作4.1 Protel 99 SE简介本文采用的电路图绘制及PCB图制作软件是Protel 99 SE。Protel 99 SE设计系统是一套建立在PC环境下的EDA（Electron

48、ic Ddsign Automation）电路集成设计系统。Protel 99 SE就是由早期Protel版本发展而来的，是基于Windows95/98/2000/XP环境的新一代电路原理图辅助设计与绘制软件，其功能模块包括电路原理图设计、印制电路电路板设计、无网格布线器、可编程逻辑器件设计、电路图模拟/仿真等。它是集电路设计与开发环境于一体的软件。Protel 99 SE的主要功能模块包括电路原理图设计、PCB板设计和电路仿真器件设计，各模块具有丰富的功能，可以实现电路设计与分析的目的。 原理图设计（1）选取元器件:根据原理图中所需选取合适的元器件。一般经常用到的元器件在常用元件中都可以找到

49、，但是有些元器件在里面是找不到的或者是找不到合适的，我们可以将不合适的元器件进入Edit编辑，将其改动为我们所需要的，没有得就只有自己手动制作元器件了，在原理图设计当中我就自己做了个继电器。（2）布局: 将各元器件根据设计需要摆放在合理的位置，使原理图在不影响工作的情况下看起来美观。（3）布线：将元器件各管脚，根据电路所需连接起来。一般情况下可以用wire直接布线，它具有电器规则，有些电路图还用到总线bus和Netlablle，bus不具有电器规则，Netlablle具有电器规则。（4）封装：属性设置，既根据电路原理图所需，选取合适的封装。在这一部分我用了大量的时间，因为封装如果有错误，就直接

50、会影响到后面PCB的生成。封装库中的封装只是一部分，有些在里边是根本找不到的，需要自制一个封装，在这次制作当中继电器是这次设计的难点。在库中找不到，就必须先测量其大小数值，再根据所得数值制作。（5）检查：这是生成PCB之前必须做的一步。先自己检查一遍，再通过ERC检测，有错误改正，没有就可以生成网络表了。 PCB的生成 PCB板框设计 (1) 物理板框的设计一定要注意尺寸精确，避免安装出现麻烦，确保能够将电路板顺利安装进机箱，外壳，插槽等。 (2)拐角的地方（例如矩形板的四个角）最好使用圆角。一方面避免直角，尖角刮伤人，另一方面圆角可以减轻应力作用，减少PCB板因各种原因出现断裂的情况。 (3

51、)在布局前应确定好各种安装孔（例如螺丝孔）及各种开口，开槽。一般来说，孔与PCB 板边缘的距离至少大于孔的直径。 (4)当电路板的面积大于200 x 150 mm时，应重视该板所受的机械强度。从美学角度来看，电路板的最佳形状为矩形。宽和长之比最好是黄金比值0.618（黄金比值的应用也是很广的）。实际应用时可取宽和长为2：3或3：4等。 (5)结合产品设计要求（尤其是批量生产），综合考虑PCB板的尺寸大小。尺寸过大，印刷铜线过长，阻抗增加，抗噪声能力下降；尺寸过小，散热不好，线距不好控制，相邻导线容易干扰。 (6)一般来说，板框的规划是在KeepOutLayer层进行。4.2.2 PCB板布局设

52、计 元件布置是否合理对整板的寿命，稳定性，易用性及布线都有很大的影响，是设计出优秀PCB板的前提。不同的板的布局各有其要求和特点，但当中不乏一些通用的规则、技巧。 (1)元件的放置顺序 一般来说，首先放置与整板的结构紧密相关的且固定位置的元件。比如常见的电源插座，开关，指示灯，各种有特殊位置要求的接口（连接件之类），继电器等，并且不要与PCB板中的开孔，开槽相冲突，位置要正确。放置好后，最好用软件的锁定功能将其固定。 接着放置体积大的元件和核心元件以及一些特殊的元件。例如变压器等大元件，集成电路，处理器等核心IC 元件，发热元件等。这些元件会随着布线的考虑有所移动，因此是大致的放置，更不用锁定

53、。 最后放置小元件。例如阻容元件，辅助小IC等。 (2)注意点 原则上所有元件都应该放置在距离板边缘3mm以上的地方。尤其在大批量生产时的流水线插件和波峰焊，此举是要提供给导轨槽使用的，同时可以防止外形切割加工时引起边缘部分缺损。 要重视散热问题。对于一些大功率的电路，应该将其发热严重的元件（如功率管，高功率变压器等）尽量分布在板的边缘，便于热量散发，不要过于集中在一个地方。总之要适当，尤其在一些精密的模拟系统中，发热器件产生的温度场对一些放大电路的影响是严重的。除了保证有足够的散热措施外，一些功率超大的部分建议做成一个单独的模块，并作好隔热措施，避免影响后续信号处理电路。还有一点，电解电容不

54、要离热源太近，以免电解液过早老化，寿命剧减。热敏元件切忌靠近热源！ 注意元件的重量问题。对于一些较重的元件，建议设计成用支架固定，然后焊接。一些又大又重且发热多的元件，不应直接安装在PCB板上，而应考虑安装在机箱底版上。 重视PCB板上高压元件或导线的间距。若要设计的电路板上同时存在高压电路和低压电路，则器件之间或导线之间就可能存在较高的电位差。此时应将它们分开放置，加大导线的间距，以免放电引起意外短路。还应注意带高压的器件应布置在人手不易触及的地方。 摆放元件时，注意焊盘不要重叠，或相碰，避免短路。还有，焊盘重叠放置，在钻孔时会在一处地方多次钻孔，易导致钻头断裂，焊盘和导线都有损伤。 注意元

55、件摆放不要与定位孔，固定支架等有空间冲突。元件应与定位孔，固定支架等保持适当的距离，空间，避免安装冲突。 注意电路中用于调节的器件（例如电位器，可调电容器，微动，拨动开关等）。在布局时应充分结合整机结构要求来布置：若只在机内调节，则应放置在方便调节的地方；若是机外面板调节，则应配合面板旋钮的位置来布局。 (3) 布局技巧 对照、结合原理图，以每个功能电路的核心元件（通常是IC芯片）为中心，其他阻容元件等围绕它展开布局。元件应均匀、整齐、紧凑地布置，不仅要考虑整齐有序，更要注重稍候布线的优美流畅性。 按照电路的流程合理布置各子功能电路，使信号流畅，并使信号尽可能保持一致的方向。 尽量缩短相关元件

56、之间的连线距离，特别是高频元件间的连线距离，减少它们的分布参数。例如振荡电路元件应尽可能靠近。 一般尽可能使元件平行对齐排列，避免横七竖八。这样不但美观，而且便于安装焊接，批量生产。 输入和输出元件应当尽量远离。容易相互干扰的元件不能挨得太近。 合理区分模拟电路部分，数字电路部分，噪声产生严重的部分（如继电器火花，大电流、高压的开关）。设法优化调整它们的位置，使相互间的信号耦合最小，减少电磁干扰。例如尽可能让电机、继电器与敏感的单片机远离。 强信号与弱信号，交流信号与直流信号要分开设置隔离。 在布线前应检查确定好各类元件的焊盘大小。若在布完线后，再修改焊盘的大小，则极易引起焊盘与导线或焊盘与焊

57、盘的间距问题，严重时造成短路！PCB板布线设计 (1)注意点 输入和输出的导线应避免相邻、平行，以免发生回授，产生反馈耦合。可以的话应加地线隔离。 布线时尽量走短、直的线，特别是数字电路高频信号线，应尽可能的短且粗，以减少导线的阻抗。 遇到需要拐角时，高压及高频线应使用135度的拐角或圆角，杜绝少于90度的尖锐拐角。90度的拐角也尽量不使用，这在高频高密度情况下更要关注，这些都为了减少高频信号对外的辐射和耦合。 相邻两层的布线要避免平行，以免容易形成实际意义上的电容而产生寄生耦合。例如双面板的两面布线宜相互垂直，斜交或弯曲走线。 数据线尽可能宽一点（特别是单片机系统），以减少导线的阻抗。数据线

58、的宽度至少不小于12mil（），可以的话，采用18至20mil（0。46至）的宽度就更为理想。 注意元件布线过程中，过孔使用越少越好。数据表明，一个过孔带来约0.5pF 的分布电容，减少过孔数量能显著提高速度。 同类的地址线或数据线，走线的长度差异不要太大，否则短的线要人为弯曲加长走线，补偿长度的差异。 2. 布线技巧 良好的布局对自动布线的布通率大有益处。根据实际设计要求预设好布线的规则（例如走线拓扑，过孔大小，线距等等），然后先进行探索式布线，把短线快速连接好，可以利用交互式布线，把要求严格的线进行布线。接着进行迷宫式布线，把剩余的线全局不好，再进行全局路径优化，可以断开已布的线重新再布。

59、 电源线和地线应尽量加宽，不要嫌大，最好地线比电源线宽，其关系是：地线电源线信号线。加宽除了减少阻抗降低压降外，更重要的是降低耦合噪声。 各种信号线的走线不要形成环路（回路），若是不可避免要形成环路，应设法将环路面积减至最少，以降低感应噪声。自动布线的走线拓扑中的菊花状走线能有效避免布线时形成环路。 尽量使电源线、地线的走线方向与数据线走向平行一致，这样对增强抗噪声能力大有益处。 高频信号线要注意近距离平行走线所引起的交叉干扰。对于双面板，可在平行信号线的反面设置大面积的地来降低干扰；对于多层板，可利用电源层或地线层来降低干扰 在数字电路系统中，同类的数据线、地址线之间不必担心互相干扰，但读、

60、写、时钟线等控制信号线应避免走在一起，最好用地线保护起来。 地线或铺地应尽量与信号线保持合理的相等距离，在安全范围内尽可能靠近信号线。 电源线和地线应尽可能相邻靠近，以减少回路面积，降低辐射耦合。 数字信号频率高，模拟信号敏感度高。布线时，高频信号线应尽可能远离敏感的模拟电路器件。 对于一些关键的信号线是否采取了最佳的保护措施。例如加地线保护。信号、元件的连线越短越好，其长度不宜超过25cm 。某条连线使用的过孔数量也应尽量少，最好不要超过2个，以免引入太多的分布参数，况且过孔太多，对PCB板的机械强度也有影响。 敏感的信号线（例如复位线，中断线，片选线等）不要靠近大电流的导线，要远离 I/O