樓道觸摸延時開關(guān)課程設(shè)計

1、樓道觸摸延時開關(guān)一設(shè)計目的1.進(jìn)一步熟悉和掌握數(shù)字電子電路的設(shè)計方法和步驟2.進(jìn)一步將理論和實踐相結(jié)合3.熟悉和掌握仿真軟件的應(yīng)用二設(shè)計任務(wù)（內(nèi)容）（1）設(shè)計一樓道觸摸延時開關(guān)，其功能時當(dāng)人用手觸摸開關(guān)時，照明燈點亮，并持續(xù)一段時間后自動熄滅。（2）開關(guān)的延時時間約1分鐘左右。二設(shè)計要求1.完成全電路的理論設(shè)計2.參數(shù)的計算和有關(guān)器件的選擇3.對電路進(jìn)行仿真4.撰寫設(shè)計報告書一份；A3圖紙至少一張。報告書要求寫明以下主要內(nèi)容（1）總體方案的選擇和設(shè)計（2）各個單元電路的選擇和設(shè)計（3）PCB的制作及仿真過程的實現(xiàn)參考資料 1閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）北京：高等教育出版社，20062王兆安

2、.電力電子技術(shù)（第四版）北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20003楊志忠.集成電路及元器件使用手冊 北京：機(jī)械工業(yè)出版社20104朱定華. 電子電路實驗與課程設(shè)計 北京：清華大學(xué)出版社，2009樓道觸摸延時開關(guān)課程設(shè)計目 錄第一章 設(shè)計原理 3第二章 電路的設(shè)計 42.1觸摸延時電路的設(shè)計 42.1.1 555計時器 42.1.2 延時電路設(shè)計原理 5 2.2橋式整流電路原理6 2.2.1單項橋式整流電路組成6 2.2.2單項橋式整流電路工作原理62.3濾波電路和穩(wěn)壓電路72.3.1濾波電路72.3.2穩(wěn)壓電路8 2.4控制電路的設(shè)計10 2.4.1繼電器的基本原理 10 2.4.2電磁式繼電器 11

3、2.4.3控制電路的設(shè)計 12 2.5整體系統(tǒng)的概述 13第三章 電路的仿真14 3.1 Multisim14 3.2仿真 15第四章 心的與體會19附錄20附錄一20附錄二23第一章 設(shè)計原理 樓道觸摸延時開關(guān)是一種新型電子節(jié)能開關(guān)，可廣范應(yīng)用于多層住宅和辦公樓室外的走廊，門廳，樓梯間，電梯間，過道等公共場所，也可以在家庭安裝。需要開燈時，手指輕輕觸摸開關(guān)的感應(yīng)區(qū)，電燈自動開啟點亮，延時一分鐘，電燈自動關(guān)閉熄滅。該操作簡單，實用節(jié)能，又沒有聲控開關(guān)有聲音就亮的弊端。觸摸式延時控制開光具備以下功能特點：節(jié)約電能，無觸點，無污染，安全可靠。為完成設(shè)計要求，設(shè)計電路應(yīng)由如下幾個部分組成： 1.完成

4、由NE555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)電路實現(xiàn)對觸摸開關(guān)的延時。2.由繼電器組成的控制電路通過繼電器的通、斷來實現(xiàn)對白熾燈的控制。3.由單項橋式整流電路，聞言管等構(gòu)成5V的直流電源。設(shè)計原理圖如下：直流電源觸發(fā)端執(zhí)行電路控制電路燈 由設(shè)計原理圖可知該電路應(yīng)由幾部分組成，而且各個部分相對獨立，因此，在進(jìn)行設(shè)計電路的時可將各個部分分別設(shè)計，獨立選擇器件，獨立測試，最后將這幾部分進(jìn)行組裝、調(diào)試，達(dá)到設(shè)計完整樓道觸摸延時開關(guān)的目的。第二章 電路的設(shè)計2.1觸摸延時電路的設(shè)計 2.1.1 555計時器555計時器是美國Signetics公司1972年研制的用于取代機(jī)械式定時器的中規(guī)模集成電路，因輸入端設(shè)計有三個

5、5k的電阻而得名。此電路后來竟風(fēng)靡世界。目前，流行的產(chǎn)品主要有4個：BJT兩個：555，556（含有兩個555）；CMOS兩個：7555，7556（含有兩個7555）。555定時器的電路如圖所示。它由三個阻值為5k的電阻組成的分壓器、兩個電壓比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器、放電晶體管T、與非門和反相器組成。2.1.2延時電路設(shè)計原理 觸摸延時電路是基于時基芯片NE555構(gòu)成的電路，主要用于開關(guān)閉合后控制電路在一段時間后自動斷開達(dá)到延時的目的。 電路原理：觸摸延時開關(guān)電路主要由時基芯片NE555組成的定時電路，在這里接成單穩(wěn)態(tài)電路。平時由于觸摸端無感應(yīng)電壓，電容通過555第7腳放電完畢，第3腳

6、輸出為低電平，繼電器KS釋放，電燈不亮。 當(dāng)需要開燈時，用手觸碰一下觸摸端，觸發(fā)信號電壓由加至555的觸發(fā)端，使555的輸出由低變成高電平，繼電器KS吸合，電燈點亮。同時，555第7腳內(nèi)部截止，電源便通過給充電，這就是定時的開始。當(dāng)電容上電壓上升至電源電壓的2/3時，555第7腳導(dǎo)通使放電，使第3腳輸出由高電平變回到低電平，繼電器釋放，電燈熄滅，定時結(jié)束。定時長短由、決定：=1.1 根據(jù)設(shè)計需要延時一分鐘=60s，設(shè)=100F ，則=550K圖2-1觸摸延時電路原理圖VCCOUTU2555_TIMER_RATEDGNDDISRSTTHRCONTRIR1550kR2200kC4100uFC510

7、4uF開關(guān) VCC5V2.2橋式整流電路原理整流電路是利用了二極管的單向?qū)щ娦?，將四個二極管分為兩組，根據(jù)變壓器副邊電壓的極性分別導(dǎo)通，將變壓器副邊電壓的正極性端與負(fù)載電阻的上端相連， 負(fù)極性端與負(fù)載電阻的下端相連，使負(fù)載上始終可以得到一個單向的脈動電壓。2.2.1單項橋式整流電路組成2-2單項橋式整流電路V1220 Vrms 50 Hz 0° T1D11243RL2.2.2單項橋式整流電路工作原理設(shè)變壓器副邊電壓，U2為其有效值由圖2.2可看出，電路中采用四個二極管，互相接成橋式結(jié)構(gòu)。利用二極管的 電流導(dǎo)向作用，在交流輸入電壓 U 2 的正半周內(nèi)，二極管 D1 、 D 3 導(dǎo)通，

8、D 2 、 D 4 截 止，在負(fù)載 RL 上得到上正下負(fù)的輸出電壓；在負(fù)半周內(nèi)，正好相反， D1 、 D 3 截止，D 2 、 D 4 導(dǎo)通，流過負(fù)載 RL 的電流方向與正半周一致。因此，利用變壓器的一個副邊繞組和四個二極管，使得在交流電源的正、負(fù)半周內(nèi)，整流電路的負(fù)載上都有方向 不變的脈動直流電壓和電流。如圖2-3所示為單相橋式整流電路各部分的電壓和電流的波形。 圖2-3橋式整流電路電流、電壓波形2.3濾波電路和穩(wěn)壓電路 2.3.1濾波電路濾波電路利用電阻抗元件對交、直流阻抗的不同，實現(xiàn)濾波。電容器 C 對直流開 路，對交流阻抗小，所以 C 應(yīng)該并聯(lián)在負(fù)載兩端。經(jīng)過濾波電路后，既可保留直流分

9、 量，又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動系數(shù)， 改善了直流電壓的質(zhì)量。 +Vi - V1220 Vrms 50 Hz T1D11243RLCU1U2電路工作原理 濾波電容容量大， 因此一般采用電解電容， 在接線時要注意電解電容的正、 負(fù)極。 電容濾波電路利用電容的充、放電作用，使輸出電壓趨于平滑。 當(dāng) U 2 為正半周并且數(shù)值大于電容兩端電壓 UC 時，二極管 D1 和 D 3 管導(dǎo)通，D 2 和D 4 管截止，電流一路流經(jīng)負(fù)載電阻 RL ，另一路對電容 C 充電。當(dāng) UC U 2 ，導(dǎo)致 D1 和 D 3 管反向偏置而截止，電容通過負(fù)載電阻 RL 放電， UC

10、按指數(shù)規(guī)律緩慢下降。 當(dāng) U 2 為負(fù)半周幅值變化到恰好大于 UC 時， D 2 和 D 4 因加正向電壓變?yōu)閷?dǎo)通狀2.3.2穩(wěn)壓電路1.穩(wěn)壓二極管是一個特殊的面接觸型的半導(dǎo)體硅二極管，其V-A特性曲線與普通二極管相似，但反向擊穿曲線比較陡。穩(wěn)壓二極管工作于反向擊穿區(qū)，由于它在電路中與適當(dāng)電陰配合后能起到穩(wěn)定電壓的作用，故稱為穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管反向電壓在一定范圍內(nèi)變化時，反向電流很小。當(dāng)反向電壓增高到擊穿電壓時，反向電流突然增大，穩(wěn)壓管從而反向擊穿，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓的變化卻相當(dāng)小，利用這一特性，因此穩(wěn)壓管在電路中起到了穩(wěn)壓的作用。圖2-4 穩(wěn)壓管特性曲線穩(wěn)壓管與其普通二

11、極管不同之處在于反向擊穿是可逆性的。當(dāng)去掉反向電壓穩(wěn)壓管又恢復(fù)正常，但如果反向電流超過允許范圍，二極管將會發(fā)熱擊穿，所以，與其配合的電阻往往起到限流的作用。2穩(wěn)壓電路圖25穩(wěn)壓電路當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化時，濾波電路輸出的直流電壓的幅值也將變化。因此，穩(wěn)壓電路的作用是將使整流濾波后的直流電壓基本上不隨交流電網(wǎng)電壓或負(fù)載的變化而變化。 2.4控制電路的設(shè)計 2.4.1繼電器的基本原理1 繼電器的定義繼電器是一種電控制器件。它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路）之間的互動關(guān)系。通常應(yīng)用于自動化的控制電路中，它實際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著

12、自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。具有動作快、工作穩(wěn)定、使用壽命長、體積小等優(yōu)點。廣泛應(yīng)用于電力保護(hù)、自動化、運(yùn)動、遙控、測量和通信等裝置中。2 繼電器的分類繼電器按其工作原理不同又可分為電磁繼電器，固態(tài)繼電器，熱敏干簧繼電器，磁簧繼電器，光繼電器，時間繼電器，高頻繼電器，極化繼電器等。按其負(fù)載大小又可分為微功率繼電器，弱功率繼電器，中功率繼電器，大功率繼電器等。按其反應(yīng)類型又可分為電流繼電器，電壓繼電器，功率方向繼電器，阻抗繼電器，頻率繼電器，氣體（瓦斯）繼電器等按其在保護(hù)回路中的作用又可分為啟動繼電器，度量繼電器，時間繼電器，中間計時器，信號繼電器，出口繼電器等。3 繼電器的作用繼電器是

13、具有隔離功能的自動開關(guān)元件，廣泛應(yīng)用于遙控、遙測、通訊、自動控制、機(jī)電一體化及電力電子設(shè)備中，是最重要的控制元件之一。 繼電器一般都有能反映一定輸入變量（如電流、電壓、功率、阻抗、頻率、溫度、壓力、速度、光等）的感應(yīng)機(jī)構(gòu)（輸入部分）；有能對被控電路實現(xiàn)“通”、“斷”控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（輸出部分）；在繼電器的輸入部分和輸出部分之間，還有對輸入量進(jìn)行耦合隔離，功能處理和對輸出部分進(jìn)行驅(qū)動的中間機(jī)構(gòu)（驅(qū)動部分）。 作為控制元件，概括起來，繼電器有如下幾種作用： 1）.擴(kuò)大控制范圍：例如，多觸點繼電器控制信號達(dá)到某一定值時，可以按觸點組的不同形式，同時換接、開斷、接通多路電路。 2）.放大：例如，靈敏型繼

14、電器、中間繼電器等，用一個很微小的控制量，可以控制很大功率的電路。 3）.綜合信號：例如，當(dāng)多個控制信號按規(guī)定的形式輸入多繞組繼電器時，經(jīng)過比較綜合，達(dá)到預(yù)定的控制效果。 4）.自動、遙控、監(jiān)測：例如，自動裝置上的繼電器與其他電器一起，可以組成程序控制線路，從而實現(xiàn)自動化運(yùn)行。2.4.2電磁式繼電器1電磁式繼電器結(jié)構(gòu)電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的

15、反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。 圖26 繼電器接線圖2電磁式繼電器工作原理 繼電器的工作原理是，當(dāng)繼電器線圈通電后，線圈中的鐵芯產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁力，吸動銜鐵帶動彈簧，使觸點1、2斷開，1、3接通，當(dāng)線圈斷電后，彈簧使簧片復(fù)位，使觸點1、2接通，1、3斷開，我們只要把需要控制的電路接在觸點1、2間（1、2稱為常閉觸點）或觸點1、3間（稱為常開觸點），就可以利用繼電器達(dá)到

16、某種控制的目的。2.4.3控制電路的設(shè)計當(dāng)繼電器的輸入信號x從零連續(xù)增加達(dá)到銜鐵開始吸合時的動作值xx,繼電器的輸出信號立刻從y=0跳躍到y(tǒng)=m,即常開觸點從斷到通。一旦觸點閉合，輸入量x繼續(xù)增大，輸出信號y將不再起變化。當(dāng)輸入量x從某一大于xx值下降到xf,繼電器開始釋放，常開觸點斷開。我們把繼電器的這種特性叫做繼電特性，也叫繼電器的輸入-輸出特性。 本設(shè)計中應(yīng)用繼電器的輸入輸出特性來控制負(fù)載，達(dá)到定時關(guān)燈的目的。在樓道觸摸延時開關(guān)設(shè)計中，控制電路主要由繼電器與二極管組成，通過繼電器的通斷來控制燈泡的亮與熄滅。電路中，繼電器線圈兩端反相并聯(lián)了一只二極管，它是用于保護(hù)集成塊的，切不可省去，否則

17、在繼電器由吸合狀態(tài)轉(zhuǎn)為釋放時，由于電感的作用線圈上將產(chǎn)生較高的反電動勢，極容易導(dǎo)致集成塊擊穿。并聯(lián)了二極管后，在繼電器由吸合變?yōu)獒尫诺乃查g，線圈將通過二極管形成短時間的續(xù)流回路，使線圈中的電流不致突變，從而避免了線圈中反電動勢的產(chǎn)生，確保了集成塊的安全。 圖2-7控制電路工作原理：當(dāng)NE555三腳輸出高電平時，繼電器的線圈中會流過一定的電流，從 而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從 而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合，電燈亮。 當(dāng)NE555三腳輸出低電平時，繼電器中線圈斷電，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵 就會在彈簧的反作用力返回原來的位置， 使動觸點

18、與原來的靜觸點 （常閉觸點） 釋放， 此時電燈熄滅。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。 控制電路參數(shù)要求：繼電器由NE555三腳輸出電壓決定，由于NE55的供電電源是 5V，所以3腳輸出電壓略等與5V ?？梢赃x用額定電壓5V的繼電器，二極管選用普通二 極管。2.5整體系統(tǒng)的概述從應(yīng)用的安全因素考慮，用隔離變壓器對220V交流電進(jìn)行降壓，得一個較小的交流電壓，經(jīng)整流，濾波得到一個直流電壓，在經(jīng)過穩(wěn)壓電路得到一個穩(wěn)定的直流電壓為555定時器提供工作電壓。當(dāng)需要開燈時，用手觸摸一下開關(guān)，觸發(fā)信號電壓加到555的觸發(fā)端，使555的輸出由低電平變成高電平，繼電器KS吸合，220V交流

19、電形成回路，點燈點亮。同時，電源通過定時電阻給定時電容充電，這就是定時的開始，延時一段時間后555的觸發(fā)端由高電平回到低電平，繼電器釋放，220V交流電形成的回路斷開，電燈熄滅。這就是觸摸延時開關(guān)的原理。圖2-8樓道延時開關(guān)原理圖第三章 電路的仿真3.1 MultisimMultisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進(jìn)行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，

20、這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計和測試這樣一個完整的綜合設(shè)計流程。NI Multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進(jìn)行設(shè)計和驗證。憑借NI Multisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級SPICE分析和虛擬儀器，您能在設(shè)計流程中提早對電路設(shè)計進(jìn)行的迅速驗證，從而縮短建模循環(huán)。與NI LabEW和Sign

21、alExpress軟件的集成，完善了具有強(qiáng)大技術(shù)的設(shè)計流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實現(xiàn)建模測量。NI Multisim軟件是一個專門用于電子電路仿真與設(shè)計的EDA工具軟件。作為 Windows 下運(yùn)行的個人桌面電子設(shè)計工具，NI Multisim 是一個完整的集成化設(shè)計環(huán)境。NI Multisim計算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實際動手實驗相脫節(jié)的這一問題。學(xué)員可以很方便地把剛剛學(xué)到的理論知識用計算機(jī)仿真真實地再現(xiàn)出來，并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。NI Multisim軟件絕對是電子學(xué)教學(xué)的首選軟件工具。3.2仿真1直流穩(wěn)壓電源仿真圖3-1直流穩(wěn)壓電路圖

22、3-2直流穩(wěn)壓仿真值2延時電路的仿真圖3-2 延時電路 圖3-2延時電路保持高電平輸出波形 3樓道延時開關(guān)電路仿真圖3-3樓道觸摸延時開關(guān)電路原理圖1）開關(guān)斷開狀態(tài)圖3-4計時器輸出端為低電平時的波形 1按設(shè)計方案連接仿真電路，當(dāng)開關(guān)未閉合時，555繼電器輸出端為低電平，繼電器保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，燈泡保持熄滅。2）開關(guān)閉合狀態(tài)圖3-5開關(guān)按下后555計時器輸出端由低電平變?yōu)楦唠娖疆?dāng)開關(guān)閉合時，5V電壓加在555計時器的觸發(fā)端，使輸出端信號有低電平變?yōu)楦唠娖?，繼電器銜鐵閉合，照明電路接通，燈泡點亮。同時，電源通過定時電阻給定時電容充電，這就是定時的開始。3） 保持高電平輸出狀態(tài)圖 3-6 開關(guān)斷開后5

23、55計時器輸出端保持高電平輸出4）繼電器從高電平跳變到低電圖3-7繼電器從高電平跳變到低電平時的波形變化 1延時一段時間后555的輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖剑^電器釋放，220V交流電形成的回路斷開，電燈熄滅。達(dá)到預(yù)定設(shè)計目的，設(shè)計成功第四章 心的與體會 通過本次對樓道觸摸延時開關(guān)的設(shè)計，使我從中學(xué)習(xí)到了許多的新知識，對觸摸延時開關(guān)的認(rèn)識又提升到了一個新的階段，對于樓道觸摸延時開關(guān)的設(shè)計，我們應(yīng)該抓住其本質(zhì)，主要包括直流穩(wěn)壓電源經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓為NE555提供工作電壓；完成由NE555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)電路實現(xiàn)對觸摸開關(guān)的延時；由繼電器組成的控制電路通過繼電器的通、斷來實現(xiàn)對白熾燈的控制。

24、附錄一 555定時器圖 附1.1 555定時器的內(nèi)部邏輯電路構(gòu)造圖 附1.2 555定時器邏輯符號圖 附1.3 555定時器管腳圖555 定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。它內(nèi)部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個 RS 觸發(fā)器，一個放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個基準(zhǔn)電壓VCC /3 和 2VCC /3 。555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng) 5 腳懸空時，則電壓比較器 C1 的同相輸入端的電壓為 2VCC /3，C2 的反相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時