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(3)PCB的制作及仿真过程的实现
参考资料
【1】彭介华.电子技术课程设计指导【M】.北京:
高等教育出版社
【2】孙梅生,李美莺,徐振英.电子技术基础课程设计【M】.北京:
【3】谢自美.电子线路设计•实验•测试(第二版)
【M】.武汉:
华中科技大学出版社
【4】康华光.电子技术基础:
模拟部分.北京:
高等教育出版社,1988。
第一章方案选择和设计原理……………………………………3
第二章单元电路的设计…………………………………………4
2.1楼道触摸延时开关工作原理…………………………………4
2.2直流稳压电源设计……………………………………………4
2.2.1桥式整流电路…………………………………………5
2.2.2滤波电路………………………………………………5
2.2.3稳压电路………………………………………………7
2.3触摸延时电路…………………………………………………9
2.3.1延时电路的设计………………………………………9
2.4控制电路………………………………………………………12
2.4.1继电器原理……………………………………………12
2.4.2控制电路的设计………………………………………14
第三章电路的仿真………………………………………………16
3.1Multisim应用介绍………………………………………16
3.2直流稳压电源的仿真……………………………………16
3.3由555定时器构成的单稳态延时电路的仿真…………17
第四章总结………………………………………………………19
参考资料…………………………………………………19
附录一555定时器………………………………………………20
附录二触摸延时开关各元器件清单……………………………22
附录三触摸延时开关电路图……………………………………23
第一章方案选择和设计原理
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。
设计原理图如下:
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。
第二章单元电路的设计
2.1楼道触摸延时开关工作原理
从应用的安全因素考虑,用隔离变压器对交流电进行降压,得到一个12V的交流电,进整流,滤波得到一个12V的直流电源,在经过L7805稳压得到一个稳定的5V电压,为NE555提供工作电压。
当需要开灯时,用手触碰一下开关,触发信号电压加到555的触发端,使555的输出由低电平变为高电平,继电器吸合,220V交流电形成回路,点灯点亮。
同时,电源通过电阻给电容充电,开始定时。
大约一分钟左右,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,点灯熄灭。
2.2直流稳压电源设计
2.2.1桥式整流电路
桥式整流电路是利用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。
RL
1.桥式整流电路工作原理
电路中采用四个二极管,互接成桥式结构,利用二极管单向导电性,在交流输入电压U2的正半周内,二极管D1,D3导通,D2,D4截止,在负载RL上得到上正下负的输出电压;
在负半周,与此相反。
2.整流二极管参数计算
正向平均电流:
IF≥ID=1/2I′O=1/2(308mA)=154Ma
最大反向电压:
URM≥UR(max)=√2U2=√2*8.3V=11.7V
3.电源变压器容量
副边电流有效值:
I2≈(1.5--2)I′O
取I2=500mA
副边容量:
P2=U2I2=8.3*0.5VA=4.15W
原边容量:
因为变压器效率η=0.6
所以P1=P2/η=6.9W
故平均容量为:
P=(P1+P2)=1/2(4.15+6.9)W=5.5W
2.2.2滤波电路
滤波电路利用电阻抗原件对交直流阻抗的不同,实现滤波。
电容C对直流开路,对交流阻抗很小,所以C并联在负载两端,经过滤波电路后,既可以保留直流分量,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,改善了直流电压质量。
1.电路工作原理
电容滤波电路利用电容的充放电,使输出电压趋于平缓。
当U2为正半周且数值大于电容两端电压UC时,二极管D1,D3导通,D2,D4截止,电流一路流经负载,另一路对C充电。
当UC≥U2,导致D1和D3反偏截止,电容通过负载放电,UC按指数规律下降。
当U2为负半周幅值变化到恰好大于UC时,D2和D4因加正向电压变为导通状态,U2再次对C充电,UC上升到U2的峰值后又开始下降,下降到一定数值时D2和D4截止,C对负载放电,UC按指数规律下降;
放电到一定数值时D1,D3导通,重复以上过程。
电容C越大,负载电阻越大,滤波后输出电压越平缓,并且其平均值越大。
2.各种滤波电路的比较
类型性能
电容滤波
电感滤波
LC滤波
RC或LC
Π型滤波
Uo(AV)/U2
1.2
0.9
1.2
θ
小
大
小
适用场合
小电流负载
大电流负载
适应性较强
构成滤波电路的电容应足够大,θ为二极管的导通角,凡θ角小的,整流管的冲击电流大;
凡θ角大的,整流管的冲击电流小。
综合考虑选取电容滤波较为合适。
滤波电容容量大,因此一般采用电解电容。
电解电容的特点:
单位体积的电容量非常大,比其它种类的电容大几十到数百倍。
额定的容量可以做到非常大,可以做到几万f
价格比其他种类具有压倒性优势,因为电解电容的组成材料都是普通的工业材料,比如铝等等。
制造电解电容的设备也都是普通的工业设备,可以大规模生产,成本相对比较低。
2.电容参数计算
C≥[(3--5)T/2]/R′L=[(3--5)*0.01]/27F
=(0.001—0.00185)F
C取1800uf
电容耐压:
UCM≥√2U2=12.9V
取UCM≥25V所以电容参数为C:
1800uf/25V
2.2.3稳压电路
由于集成电路的迅速发展,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,集成稳压器类型很多,按结构形式分为串联型,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遍。
三端式是指稳压电路仅有输入,输出,接地三个接线端子。
有固定式和可调式两种类型,此外又分为正或负输出类型。
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稳定值,有5V,6V,9V,12V,15V,18V,24V。
本设计选用的是L7805稳压,为555提供工作电流。
使用时,根据经验,输入电压U1一般选取
U1=(2--3)Uo
另外接地端流过的静态电流Iq=8mA
1.确定稳压器型号,输入电压和输出电流
根据要求Uo=+5V,所以选用L7805型号;
又因为
U1=(2--3)Uo,所以U1=10—15V,现取U1=10v;
直流稳压电源工作的最大电流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=0.308A
为确定整流二极管和滤波电容的参数,先确定电源变压器副边电压有效值U2和整流滤波电路的等效负载R′L
U2=U1/1.2=10/1.2=8.3V
所以R′L=U1/I′o=8.3/0.308=27Ω
图中的C2用于抵消输入线较长时的电感效应,以防止电路产生自激振荡,其容量较小,一般小于1uf。
电容C3用于消除输出电压中的高频噪声,可取小于1uf的电容,以便输出较大的脉冲电流。
2.3触摸延时电路
2.3.1延时电路设计
555定时器是一种数字模拟混合型集成器件,应用十分广泛可做各种仪表,仪器,自动化装置,各种定时器,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。
4013是集成触发器芯片,内部有两个独立的D触发器。
每个触发器有一个置位端(SET),复位端(RESET),时钟端(CLOCK),数据输入端(DATA),两个输出端Q和Q/端。
功能描述:
当R为1,S为0时,无论D和CL为什么状态,输出Q一定为0,因此R可称为复位端。
当S为1,R为0时,输出Q一定为1,S称为置数端。
当R,S均为0时,Q在CP端有脉冲上升沿到来时动作,Q=D。
1.芯片的选择
由于555和4013都可构成单稳态触发电路,从应用实际的广泛程度和自己最初的想法,本设计选用555来构建延时电路。
2.电路原理
触摸延时开关由NE555构成单稳态电路。
平时由于触摸开关没有闭合,电容C5通过555的7管脚放电,使3管脚输出为低电平,继电器释放,电灯不亮。
当需要开灯时,用手触碰开关,触发信号电压由C4加到555的触发端,使555输出端由低电平变为高电平,继电器吸合,点灯点亮。
同时,555第7管脚内部截止,电源通过R1给C4充电,开始定时。
当电容C4上电压上升至电源电压的2/3时,555的7管脚导通时C4放电,使3管脚输出由高电平变为低电平,继电器释放,点灯熄灭。
延时时间由R1,C4决定:
T=1.1R1*C4
3.参数计算:
根据需要延时一分钟T=60S,设C4=200uF
所以R1=T/1.1C4=273K
R2的计算:
I′o=0.308mA,I1=VCC/R1=0.018mA,所以I2=0.29mA
所以R2=VCC/I2=17.2KΩ
2.4控制电路
2.4.1继电器原理
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。
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