數(shù)字電路制作與調(diào)試項目化教程（活頁式）教案 159 紅外感應開關控制電路的制作與調(diào)試

《數(shù)字電路制作與調(diào)試》教案課程名稱數(shù)字電子技術課程代碼M01F28D10總學時64任課教師

單元教案授課日期授課地點根據(jù)實際情況填寫，有幾個填寫幾個。授課班級班級人數(shù)教學單元教學單元、教學目標、教學方式、評價方式與課程大綱的相應內(nèi)容保持一致。項目5紅外感應開關控制電路的制作與調(diào)試教學時數(shù)按單元的教學時數(shù)填寫。6教學目標教學目標應是此單元的教學目標結(jié)合實際授課內(nèi)容的具體化，其描述參見文中舉例。AOB12：掌握555定時器的原理以及典型應用電路結(jié)構；AOB13：理論與實驗結(jié)合的教學方式，培養(yǎng)學生科學思維與創(chuàng)新意識，做到知行合一，“知者行之始，行者知之成”。BOB1：清楚了解常用集成電路的555定時器芯片功能和使用；BOB2：能設計簡單的組合邏輯電路和時序邏輯電路，能設計LED流水燈電路；BOB3：能熟練使用Multisim仿真軟件對所設計的電路進行調(diào)試和仿真；BOB4：通過微課視頻：中國制造崛起之路培養(yǎng)學生的民族自信和文化自信。教學方式一體化教學評價方式課堂表現(xiàn)（30%）作業(yè)完成（30%）項目完成（40%）教學資源教學資源包含理論上使用的紙質(zhì)或網(wǎng)絡教學資源，實踐課使用的設備、工具和耗材等資源。任課教師需保證所有資源可用。1.《數(shù)字電子技術》，楊志忠編著；2.數(shù)字電路實驗箱25套，Multisima9.0仿真軟件；3.網(wǎng)絡學習資源：職教云，釘釘在線測試：第五單元單元測試

微視頻：微課視頻9：復興·領航、微課視頻：555定時器的應用等/design/process/edit.html?courseOpenId=9boyamcro69oaawrvqbbkw行業(yè)網(wǎng)站推薦：/products/design-tools/ise-design-suite.html單元教學設計第一次課（2學時根據(jù)根據(jù)實際教學時數(shù)填寫。教學內(nèi)容教學內(nèi)容部分的詳略可以根據(jù)實際情況調(diào)整。對于新教師、新課程，要求詳細填寫；其余填寫內(nèi)容要點即可。5.1555定時器課程思政：由復雜的數(shù)字系統(tǒng)設計引出“知行合一、知者行之始，行者知之成?！比蝿?.1555定時器典型應用電路的分析與設計測試【知識索引】5.1.1555集成電路的工作原理分析555集成電路概述在數(shù)字系統(tǒng)中，經(jīng)常需要用到各種脈沖信號，如CP脈沖信號、生產(chǎn)控制過程中的定時信號等。這些脈沖信號的獲取，通常采用兩種方法：一種是利用脈沖信號發(fā)生器直接產(chǎn)生；另一種是對已有的信號進行變換整形，使之滿足系統(tǒng)的要求。施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是兩種不同用途的脈沖波形的整形、變換電路。施密特觸發(fā)器主要用以將變化緩慢的或快速變化的非矩形脈沖變換成上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脈沖；單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器則主要用以將寬度不符合要求的脈沖變換成符合要求的矩形脈沖。目前生產(chǎn)的定時器有雙極型和CMOS兩種類型，其型號分別有N555（或5G555）和C7555等多種。通常，雙極型產(chǎn)品型號最后三位數(shù)碼是555，CMOS產(chǎn)品型號的最后四位數(shù)碼都是7555。除某些電氣特性不同外，它們的結(jié)構、工作原理及外部引腳排列基本相同。一般雙極型定時器具有較大的驅(qū)動能力，而CMOS定時電路具有低功耗、輸入阻抗高等優(yōu)點。555定時器工作的電源電壓很寬，并可承受較大的負載電流。雙極型定時器電源電壓范圍為5V～16V，最大負載電流可達200mA；CMOS定時器電源電壓范圍為3V～18V，最大負載電流可達4mA以下。555定時器是一種多用途的中規(guī)模集成電路，其電路功能靈活，只要在外部配上少量電阻和電容元件，555集成芯片圖5.1（a）所示為555定時器的電路結(jié)構原理圖。圖5.1圖（b）為555定時器芯片管腳排列圖，其引腳功能說明如下：1引腳：接地端。2引腳：低電平觸發(fā)端。3引腳：輸出端，輸出電流可達200mA，直接驅(qū)動繼電器、發(fā)光二極管、揚聲器、指示燈等器件，輸出電壓約低于電源電壓1V～3V。4引腳：復位端，若此端輸入一負脈沖，而使觸發(fā)器直接復位。不用時加以高電平。5引腳：電壓控制端，此端可外加電壓以改變比較器的參考電壓，不用時一般通過0.01μF的電容接地。6引腳：高電平觸發(fā)端。7引腳：放電端，當觸發(fā)器的Q＝0時，TD導通，外接電容C通過此管放電。8引腳：電源端，可在5V～18V范圍內(nèi)使用。555定時器的基本功能表如5.1所示，設TH和TR端的輸入電壓分別為VI1和V5.1.2555定時器構成施密特觸發(fā)器電路施密特觸發(fā)器有一個最重要的特點，就是能夠把變化緩慢的或快速變化的非矩陣脈沖，整形成為合適于數(shù)字電路需要的矩形脈沖，而且由于具有滯回特性，所以抗干擾能力很強。施密特觸發(fā)器在脈沖的產(chǎn)生和整形電路中應用很廣泛。電路結(jié)構將555定時器的TH⑥、TR②端連接起來作為信號輸入端uI，便構成了施密特觸發(fā)器，如圖5.2所示。uO工作原理根據(jù)圖5.1所示555定時器電路原理圖和圖5.3所示波形討論施密特觸發(fā)器的工作原理。當輸入電壓uI<VCC3時，顯然，比較器C1輸出為1，C2輸出為0，基本RS觸發(fā)器將工作在1狀態(tài)，即Q=0，當輸入電壓上升到VCC3<uI<2VCC3時，顯然當輸入電壓uI≥2VCC3時，顯然，比較器C1輸出會跳變?yōu)?，C2輸出為1，基本RS觸發(fā)器被翻轉(zhuǎn)，由1狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為0狀態(tài)，即Q=1，Q=0當輸入電壓由大于2VCC3下降到VCC3<uI<2V當輸入電壓uI下降時uI<VCC3，比較器C1輸出為1、C2輸出將跳變?yōu)?，基本RS觸發(fā)器被觸發(fā)，由0狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到1狀態(tài)，即跳變到Q=0，Q=1，輸出u由上述分析可知，施密特觸發(fā)器的回差電壓為?圖5.4所示為施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性?！緦嵅偌寄?】555定時器構成施密特觸發(fā)器的邏輯功能測試教學重點555定時器的電路結(jié)構555定時器構成施密特觸發(fā)器555定時器構成施密特觸發(fā)器邏輯功能測試教學難點555定時器構成施密特觸發(fā)器555定時器構成施密特觸發(fā)器邏輯功能測試教學流程教學環(huán)節(jié)“教學環(huán)節(jié)”根據(jù)教學課前、課中、課后的具體設計填寫，如預習、引入新課、具體學習任務、課堂小結(jié)、作業(yè)等等，表格自行增刪。教師活動教師對學生學習活動的把控及觀察、評價等信息應在此處有體現(xiàn)，也可以在具體活動的前面描寫設計意圖或者在具體活動后面增加設計總結(jié)。學生活動學生在這個環(huán)節(jié)中要需要做的事情，包含是否采用分組學習以及如何分組、組內(nèi)分工等信息。內(nèi)容回顧1.回顧上一節(jié)課的內(nèi)容；2.課程思政：由復雜的數(shù)字系統(tǒng)設計引出“知行合一、知者行之始，行者知之成?！?.使用學習通APP，搶答積極參與問答環(huán)節(jié)；2.講解自己對預習知識點的理解。講授1.講授555定時器的電路結(jié)構和555定時器構成施密特觸發(fā)器。2.555定時器構成施密特觸發(fā)器邏輯功能測試思路；3.實驗要完成的任務。1.學生積極參與學習通APP課堂互動；2.積極回答教師提問；3.認真思考、筆記記錄關鍵內(nèi)容。分組實操練習安排學生分組完成：1.簡易任務：《555定時器構成施密特觸發(fā)器邏輯功能測試》；2.學生操作時注意巡視；對于提前完成的同學，安排一人對一組幫扶任務，確保每組都能及時完成，不打擊任何學生的學習積極性。分組完成：1.軟件仿真；3.操作演示。4.填寫實驗結(jié)果任務書總結(jié)與課后任務1.總結(jié)本次課程內(nèi)容；2.布置書面作業(yè)，觀看微課視頻9，寫一篇觀后感。1.思考教師總結(jié)；2.填寫實驗結(jié)果任務書第二次課（2學時根據(jù)根據(jù)實際教學時數(shù)填寫。教學內(nèi)容教學內(nèi)容部分的詳略可以根據(jù)實際情況調(diào)整。對于新教師、新課程，要求詳細填寫；其余填寫內(nèi)容要點即可。5.2.3555定時器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有以下幾個特點：（1）電路僅有一個穩(wěn)態(tài)，另一個是暫態(tài)；（2）在外加觸發(fā)脈沖作用下，電路才能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，而暫穩(wěn)態(tài)不能長久保持，經(jīng)過一段時間后，電路會自動返回到穩(wěn)態(tài)；（3）暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)的時間取決于電路本身的參數(shù)，而與外加觸發(fā)信號無關。由于具備這些特點，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被廣泛應用于數(shù)字系統(tǒng)的脈沖整形、延時和定時等。電路結(jié)構555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖5.5所示，R、C是定時元件；將555定時器的TR②作為觸發(fā)信號輸入端uI；uO工作原理根據(jù)圖5.1所示555定時器電路原理圖和圖5.6所示波形討論單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理。討論單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理。（1）沒有觸發(fā)信號時電路工作在穩(wěn)態(tài)無觸發(fā)信號且uI為高電平時，電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)Q=0和Q=1，uO若接通電源后，uI=UIH，555定時器中基本RS觸發(fā)器是處于0狀態(tài)，即Q=0和若接通電源后，uI=UIL，555定時器中基本RS觸發(fā)器是處于1狀態(tài)，即Q=1和Q=0，uO=UOH，TD截止，則這種狀態(tài)是不穩(wěn)定的。經(jīng)過一段時間后，電路會自動地返回穩(wěn)定狀態(tài)。因為TD截止，電源VCC會通過R對C進行充電，uC將逐漸升高，當uC=uTH上升到23V（2）uI當uI下降沿到來時，電路被觸發(fā)，立即由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，Q=1、uO=UOH、TD（3）暫穩(wěn)態(tài)的維持時間在暫穩(wěn)態(tài)期間，電路中有一個定時電容C充電的漸變過程，充電回路是VCC→R→C→地，時間常數(shù)為τ1=RC。在電容上電壓uC狀態(tài)不變。（4）暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束時間比較器C1輸出0，立即將基本RS觸發(fā)器復位到0態(tài)，即Q=0和Q=1，（5）恢復過程當暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，定時電容C將通過飽和導通的晶體三極管TD放電，時間常數(shù)τ2=RCESC（RCES是T的飽和導通電阻，其電阻非常小，故τ2亦非常?。?，經(jīng)過（3～5）τ2恢復過程結(jié)束后，電路返回到穩(wěn)定狀態(tài)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又可接收新的輸入信號。由工作原理分析可得，輸出脈沖寬度是等于暫穩(wěn)態(tài)時間，即定時電容C的充電時間。如圖5.6所示，uC（0+）≈0，uC∞由上式可看出，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度tW僅決定于定時元件R、C的取值，與輸入觸發(fā)信號和電源電壓無關，調(diào)節(jié)R、C即可改變t5.1.4555定時器構成多諧振蕩器電路多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，只要接通電源，在其輸出端便可獲得矩形脈沖，由于矩形脈沖中除基波外還含有極其豐富的高次諧波，所以常把這種電路稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器一旦起振之后，電路沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，它們做交替變化，輸出連續(xù)的矩形脈沖信號，因此它又稱作無穩(wěn)態(tài)電路。電路結(jié)構用555定時器構成的多諧振蕩器如圖5.8所示，R1、R2、C是外接定時元件，555定時器的TH⑥、TR②端連接起來接uC，晶體三極管集電極⑦接R1與R2工作原理根據(jù)圖5.1所示555定時器電路原理圖和圖5.9所示波形討論多諧振蕩器的工作原理。接通電源前電容C上無電荷，所以接通電源瞬間，C來不及充電，故電容兩端電壓uC=0，比較器C1輸出為1、C2輸出為0，基本RS觸發(fā)器Q=1、Q=0，uO=uOL、TD截止。之后，通過充電回路VCC→R1→R2→C→地，時間常數(shù)是τ1=（R1+R2）C，對電容C進行充電，當電容C充電至uC上升到23VCC時，比較器C1跳變?yōu)?，基本RS觸發(fā)器立即翻轉(zhuǎn)到0狀態(tài)，Q=0、Q=1、TD飽和導通。之后，通過放電回路由圖5.9可得，多諧振蕩器的振蕩周期為TtPH為電容C上的電壓uC由13VCC充到23VCC所需要的時間。充電電源電壓為VCC，充電時間常數(shù)為τ1=（ttPL為電容C上的電壓uC由23VCC充到13VCC所需要的時間。時間常數(shù)為τ2=tT振蕩頻率為f占空比q是脈沖的寬度與脈沖周期之比，其計算公式為q【實操技能2】555定時器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的邏輯功能測試【實操技能3】555定時器構成多諧振蕩器邏輯功能測試教學重點555定時器構成多諧振蕩器電路結(jié)構；555定時器構成多諧振蕩器邏輯功能測試；555定時器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路結(jié)構；555定時器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器邏輯功能測試；教學難點555定時器構成多諧振蕩器電路結(jié)構；555定時器構成多諧振蕩器邏輯功能測試；555定時器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路結(jié)構；555定時器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器邏輯功能測試；教學流程教學環(huán)節(jié)“教學環(huán)節(jié)”根據(jù)教學課前、課中、課后的具體設計填寫，如預習、引入新課、具體學習任務、課堂小結(jié)、作業(yè)等等，表格自行增刪。教師活動教師對學生學習活動的把控及觀察、評價等信息應在此處有體現(xiàn)，也可以在具體活動的前面描寫設計意圖或者在具體活動后面增加設計總結(jié)。學生活動學生在這個環(huán)節(jié)中要需要做的事情，包含是否采用分組學習以及如何分組、組內(nèi)分工等信息。內(nèi)容回顧1.回顧上一節(jié)課的內(nèi)容；2.搶答選取同學講解對預習知識點的理解。1.使用學習通APP，搶答積極參與問答環(huán)節(jié)；2.講解自己對預習知識點的理解。講授1.講授555定時器構成多諧振蕩器電路結(jié)構和555定時器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路結(jié)構。2.講解555定時器構成多諧振蕩器邏輯功能測試和555定時器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器邏輯功能測試思路；3.實驗要完成的任務。1.學生積極參與學習通APP課堂互動；2.積極回答教師提問；3.認真思考、筆記記錄關鍵內(nèi)容。分組實操練習安排學生分組完成：1.簡易任務：《555定時器構成多諧振蕩器邏輯功能測試》、《555定時器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器邏輯功能測試》；2.學生操作時注意巡視；對于提前完成的同學，安排一人對一組幫扶任務，確保每組都能及時完成，不打擊任何學生的學習積極性。分組完成：1.軟件仿真；3.操作演示。4.填寫實驗結(jié)果任務書總結(jié)與課后任務1.總結(jié)本次課程內(nèi)容；2.布置書面作業(yè)。1.思考教師總結(jié)；2.填寫實驗結(jié)果任務書第三次課（2學時根據(jù)根據(jù)實際教學時數(shù)填寫。教學內(nèi)容教學內(nèi)容部分的詳略可以根據(jù)實際情況調(diào)整。對于新教師、新課程，要求詳細填寫；其余填寫內(nèi)容要點即可。項目描述：555定時器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成電路。只要外接少量的阻容元件，就可以用來產(chǎn)生脈沖，可進行脈沖的整形、展寬、調(diào)制等，因而在信號的生產(chǎn)與變換、自動檢測與控制、定時、報警、家用電器及電子玩具等方便得到極為廣泛的應用。本項目就此設計一款基于555定時器的紅外感應開關控制電路，是以紅外感應技術為基礎的一種自動控制開關，通過感應外界散發(fā)的紅外熱量實現(xiàn)其自動控制功能，能夠快速開啟燈具、自動門、防盜報警器等各種電器設備。1.實訓目的（1）了解并掌握紅外探測、紅外輻射測溫和紅外遙感技術的基本原理。（2）掌握采用555定時器設計應用電路的方法。2.實訓要求（1）設計紅外感應開關控制電路，畫出仿真電路圖。（2）仿真并調(diào)試紅外感應開關控制電路。（3）硬件制作要求：正確選擇元器件，自行搭建和調(diào)試電路。（4）撰寫設計報告：寫出設計與制作的全過程，附上有關資料和圖紙，有心得體會。3.電路功能要求電路功能實現(xiàn)：當有人進入紅外感應元件感應區(qū)后，元件會準確感應到人體周身紅外信號的