楼道触摸延时开关设计.docx

电子技术设计报告楼道触摸延时开关学生姓名 所在学院 班级 专业 指导老师 说明楼道触摸延时开关是一种简单、安全、新型的电子节能开关。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。 本次设计利用模拟电路与数字电路， 以直流稳压电源电路、 NE555 单稳态电路、 和继电器控制电路为核心设计触摸延时开关。需要开灯时，手指触摸开关感应区，电 灯自动点亮， 延时约一分钟， 电灯自动熄灭。 设计表明这种开关制作简单， 安全节能。 关键词：单稳态电路,继电器,NE555 定时器,触摸延时开关目录第一章 绪 论 .第二章 单元电路设计. 2.1 楼道触摸延时开关工作原理 . 2 .2电源电路设计 . 2 2.2.1 稳压电路设计 .2.2.2 桥式整流电路 . 2.2.3 滤波电路 .2.3 触摸延时电路 .2.3.1 延时电路设计 . 2.4 控制电路 . 2.4.1 继电器介绍 .2.4.2 控制电路设计 . 2.5 电路仿真 .第 3 章 实物制作与调试 . 13.1 原件安装 . 3.2 硬件调试 . 第 4 章 总结 . 16 致谢 . 17 参考文献 . 18 附录一：触摸延时开关元件清单列表 . 19 附录二 ：楼道触摸延时开关电路图第1章 绪 论市场经济的发展，人们对开关的要求越来越高，开关的种类也因此越来越齐全。 声控开关、机械开关、光控开关等品种逐步进入生活中。但由于机械开关属于有触点 开关元件,它有接触不良、故障率高、使用不便等缺点，且摩擦较大容易损坏；声控 开关严重浪费了电力资源，干扰了环境安宁；光控开关是采用光线的强弱来实现对用 电器电源自动控制的电子开关， 它对光线强弱的要求苛刻。 针对以上开关的各种缺点， 促使我们寻求更为理想的开关电器设备替代元件，方便人们生活。 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。主要由 NE555 定时 器，直流稳压电路和继电器控制电路组成。具备以下功能特点：节约电能，无触点， 无污染，安全可靠。 本设计为人体触摸感应开关，用手触开关的感应区电灯即亮，约经 1 分钟时间 自动关灯。本设计主要内容： 1.直流稳压电源经过整流、滤波、稳压为 NE555 提供工作电源。 2.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。 3.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。第 2 章 单元电路设计2.1 楼道触摸延时开关工作原理2-1 触摸延时电路框图结构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，得到一个13V的交 流电压，经整流、滤波得到一个13V的直流电压，在经过L7805稳压得到稳定的5V直流 电压，为NE555提供工作电压。当需要开灯时，用手触碰一下感应区，触发信号电压 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，220V交流电形成回 路，电灯点亮。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的输出端由高电平变回到低电平，继电器释放，220V交流电形成的回 路断开，电灯熄灭。2.2 电源电路设计电子系统的正常运行离不开稳定的电源， 除了在某些特定场合下采用太阳能电池或 化学电池作电源外，多数电路的直流电源是由电网的交流电转换来的。常用小功率直 流稳压电源系统由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四部分组成如图2-2 所示。2-2 小功率直流稳压电源系统结构电源变压器：将电网交流电压（220V或380V）变换成符合需要的交流电压，此交 流电压经过整流后可获得电子设备所需的直流电压。 因为大多数电子电路使用的电压 都不高，这个变压器是降压变压器。 整流电路：利用具有单向导电性能的整流元件，把方向和大小都变化的50Hz交流 电变换为方向不变但大小仍有的脉动直流电压。 滤波电路：利用储能元件电容器 C 两端的电压不能突变的性质，把电容 C 与整 流电路的负载 RL 并联（或串联） ，就可以将整流电路输出中的交流成分大部分加以滤 除，从而得到比较平滑的直流电。 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 也将随之变化。因此，稳压电路的作用是使整流滤波后的直流电压基本上不随交流电 网电压和负载的变化而变化2-3 直流稳压电路2.2.1 稳压电路设计稳压电路设计由于集成电路工艺迅速发展，集成稳压电路的制成，也具有集成电路的共同特点： 体积小、外围元件少、性能可靠、使用调整方便和优廉等优点，因此广泛使用。 目前，集成稳压器的类型很多，按结构形式可分为串联型、并联型和开关型；按输出电压类型可分为固定式和可调式。 作为小功率的稳压电源以三端式串联型稳压器的 应用最为普通。三端式是指稳压电路仅有输入、输出、接地三个接线端子。有固定式 和可调式二种类型，此外又分为正或负电压输出类型。W7800 系列为三端固定正电压 输出集成稳压器；W7900 系列为三端固定负电压输出集成稳压器。型号中最后两位数 表示输出电压的稳定值，有 5V、6V、9V、12V、15V、18V 和 24V。在本设计中采用的 是 L7805 稳压，为 NE555 提供工作电源。图 2-4三端式固定输出集成稳压器外型使用时要求输入电压值至少大 2V 以上。即| U 1 |-| U 0 | 2V，但不宜过大。另外 还有接地端流过的静态电流 IQ =8A。 1 确定稳压器型号、输入电压和输出电流 根据要求 U 0 =+5V，故选用 W7805 型号；稳压器压差为| U 1 |-| U 0 | 2V，现取 3V。故输入电压 U 1 =5+3=8V；直流稳压电源工作时最大电流 IO (max) =300mA,稳压器的输 入电流即为整流滤波电路的负载电流 I O = IO (max) + IQ =300+8=308A。 为确定整流二极管和滤波电容参数需要，先确定电源变压器的副变电压有效值U 2 和整流滤波电路的等效负载 R L 。 U1 8 U2= = V=6.7V 1.2 1.2 现取 U 2 =7V 1.2U 2 1.2 7 R L = = =27.3 I O 308（2-1）（2-2）2.2.2桥式整流电路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。图2-5 单相桥式整流电路1、 桥式整流电路的工作原理2、 由图2-5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。2、 整流二极管参数计算 正向平均电流：IF ID = 1 I O = 2最大反向电压：1 308 mA = 154 mA 2（2-3）URM UR (max) = 2U 2 =3、电源变压器容量 副边电流有效值：2 7V 10V（2-4）I 2 (1.5 ? 2 ) I O = (1.5 ? 2 )12 mA = 18 ? 24 mA取 I 2 为500mA。 副边容量：（2-5）P 2 = U 2 I 2 = 7 0.5VA = 3.5VA（2-6）5第 2 章 单元电路设计原边容量： 因变压器效率 T=0.6 ，故P P1 = T2 = 3.5 VA = 5.8VA 0.6（2-7）故平均容量为1 1 P = ( P1 + P 2) = (3.5 + 5.8)VA = 5.8VA 2 2取 P=5VA。2.2.3 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。图2-6 电容滤波电路1、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6第 2 章 单元电路设计态，U 2 再次对 C 充电，UC 上升到 U 2 的峰值后又开始下降；下降到一定数值时 D 2 和D 4 变为截止， C 对 RL 放电， UC 按指数规律下降；放电到一定数值时 D1 和 D 3 变为导通，重复上述过程。 电容 C 愈大，负载电阻 RL 愈大，滤波后输出电压愈平滑，并且其平均值愈大。 2、电容参数计算C(3 5)1 T (3 5) 20 10?3 2 2 = F R L 27.3=0.0010.00183F =10001830F （2-9）取 C=1000F 电容耐压：UCM取 UCM 252U 2 = 10V（2-10）V,故电容参数为C:1000F/25V2.3触摸延时电路555集成定时器是一种数字、模拟混合型的中规模集成器件，应用十分广泛，可做 各种仪器、 仪表、 自动化装置、 各种民用电器的定时器、 时间延时器等时间功能电路， 也可构成自激多谐振荡器、脉冲调制电路、脉冲相位调谐电路及单稳态、双稳态等各 种电路。图 2-7 NE555 外型结构1 脚GND,接地脚 2 脚TL,低电平触发端 3 脚Q,电路的输出端 4 脚/RD,复位端，低电平有效 5 脚V_C,电压控制端 6 脚TH,阈值输入端 7 脚DIS，放电端 8 脚VCC,电源电压端，其电压范围为：318V2.3.1 延时电路设计1、设计原理 触摸延时开关，使用时只要用手摸一下开关上的触摸电极片，电灯就会点亮，延 时一段时间后，电灯自动熄灭。 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 C 1 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 C 2 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 R1 给 C 1 充电，这就是定时的开始。 当电容 C 1 上电压上升至电源电压的2/3时，555第7脚导通使 C 1 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 R1 、C1 决 定：T 1 =1.1 R1 C1 (2-11)2、参数计算 根据设计需要延时一分钟 T 1 =60S，设 C1 =100F 由公式（2-11）可得R1 =T1 60 S = 550K 1.1C1 1.1 0.00001图 2-8 延时电路图2.4 控制电路2.4.1 继电器介绍继电器是一种电子控制器件，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小 的电流去控制较大电流的一种“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。 继电器的种类较多， 如电磁式继电器、 舌簧式继电器、 启动继电器、 限时继电器、直流继电器、交流继电器等。但应用于电子电路的，用得最广泛的就是 电磁式继电器。通常，电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点弹簧片等组成的。 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。2.4.2 控制电路设计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。10第 2 章 单元电路设计图2-10 控制电路图工作原理：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。、第 3 章 实物制作与调试3.1 原件安装元件安装时采用电烙铁手工焊接方法将元件按电路图焊接，安装时应注意：本设 计中的电源电路、触摸延时电路、继电器控制电路中的元器件都应合理布局。避免焊 接时交叉短路及确保电路板美观程度。焊接时不要直接焊芯片，注意锡的用量、确保 焊点光华整洁，节约资源以及焊接的时间不要太长，以免烧坏元器件。3.2 硬件调试万能线路板元件连线成功后，发现本电路出现以下故障： 故障一：人体触摸后电路没有反映，电灯不亮。 分析：用万用表测量各点电压，发现各点电压均正常，怀疑触发信号过小电路无 法触发工作。 解决方案：在555的2脚加入 C1815的三极管（作用：放大人体触发电流）后电 路触摸后能工作，电灯发亮。 故障二：排除故障一后，发现人体触摸触发端，电路延时一分钟左右后继电器有 动作，但是电路仍然工作，电灯依然发亮。 分析：继电器动作，但是电路仍然工作，说明继电器有工作，但断开后又继续闭 合，怀疑继电器断开瞬间产生的很大电磁干扰，促使触摸端，接收到高频信号触发， 555输出端继续输出高电平。 解决方案：在触发端至地，接一个几十皮发的电容，触摸后，延时一分钟左右电 路断开，电灯熄灭，电路正常工作。 修改后的电路图如图4 章 总结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。 在本设计当中，我们的动手能力得到了提高，对做事情的耐心程度也得到了提 高。再一点就是:我们在对电路进行调试时，检修能力也得到了提升。可以说本设计 使我受益匪浅，为以后的工作打下了坚实的基础。参考文献1 陈有卿编.555时基集成电路原理与应用 机械工业出版社 2006年 2 王卫平,陈栗宋.电子产品制造工艺 高等教育出版社 2004 年3 周良权、傅恩锡、期世馨.模拟电子技术基础第二版 高等教育出版社 出版年 2000年 4 朱定华、陈林、吴建新.电子电路测试与实验 清华大学出版社 2002年 5日藤井信生.电子实用手册 科学出版社 2003年 6 黄仁欣编.电子技术实践与训练 清华大学出版社 7 臧春华编.电子线路设计与应用 高等教育出版社 2004.9 2004.78 肖景和编.数字集成电路应用精粹 北京人民邮电出版 社2002.4 9 廖先芸编.电子技术实践与训练 北京高等教育出版社 2005.7 10沈任元、吴勇编. 常用电子元器件简明手册 机械工业出版社20003.718附录附录一：触摸延时开关元件清单列表NE555 470K 200k 100F 104pF 22pF 104pF 1000F 330nF 100F LM7805稳压器 COIL-DC5V 继电器 12V 变压器 C1815三极管 25W 白炽灯 R1 R2 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C719附录附录二 ：楼道触摸延时开关电路图20