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2010-2011第二学期
摘要
楼道触摸延时开关是一种简单、安全、新型的电子节能开关。
可广泛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,安全可靠。
关键字:
单稳态电路,继电器,NE555定时器,触摸延时开关
前言………………………………………………………………..4
一、设计的任务与要求……………………………………………….5
1.1设计的任务……………………………………………………..5
1.2设计的要求……………………………………………………..5
二、总体设计和系统框图……………………………………………...5
2.1触摸延时设计方案……………………………………………..5
2.2直流稳压电源设计方案………………………………………….6
2.3控制电路设计方案……………………………………………...6
2.4电路系统总体设计……………………………………………...7
三、设计方案…………………………………………………………..8
3.1电源电路的设计………………………………………………..8
3.2稳压电路设计………………………………………………….9
3.3单相桥式整流电路……………………………………………10
3.4滤波电路………………………………………………………12
3.5555定时器……………………………………………………..15
3.6延时电路………………………………………………………17
3.7继电器…………………………………………………………18
3.8控制电路………………………………………………………19
四、系统仿真………………………………………………………….20
4.1仿真控制原理与仿真图……………………………………….20
五、设计结果分析……………………………………………………...21
5.1系统能实现的功能…………………………………………….21
5.2系统所选用器件一览表……………………………………….22
六、设计总结和体会…………………………………………………..22
致…………………………………………………………………….24
参考文献……………………………………………………………….25
前言
市场经济的发展,人们对开关的需求越来越高,开关的种类也因此越来越齐全。
声控开关、机械开关、光控开关等产品逐步进入生活中。
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。
楼道延时触摸开关是一种新型的电子节能开关,可广泛应用于多层住宅和办公室外的走廊、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和数字电路,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延时触摸开关。
需要开关灯时,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。
该操作简单,使用节能,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。
一、设计的任务与要求
1.1设计任务
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。
通过本次设计了解并掌握对直流稳压电源的整流、滤波、稳压为NE555提供工作电源,由NE555定时器组成的单稳态电路实现对触摸开关的延时以与由继电器组成的控制电路来实现对白炽灯的控制等。
1.2设计要求
使触摸延时开关具有以下功能:
(1)当人用手触摸开关时,照明灯亮,并延续一段时间后自动熄灭。
(2)开关的延时时间为一分钟左右。
二、总体设计和系统框图
2.1触摸延时方案
图2.1.1触摸延时开关
555定时器构成单稳态触发器。
只要用手触摸一下金属片P,由于人体感应电压相当于在触发输入端(管脚2)加入一个负脉冲,555输出端输出高电平,灯泡(RL)发光,当暂稳态时间(tW)结束时,555输出端恢复低电平,灯泡熄灭。
该触摸开关可用于夜间定时照明,定时时间可由RC参数调节。
2.2直流稳压电源设计方案
在电子电路中,都需要电压稳定的直流稳压电源供电。
直流稳压电源它是由电源变压器、整流、滤波、和稳压电路等四部分组成。
图2.2.1直流稳压电源框图
电源变压器交流电压变为所需要的电压值,然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。
由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波,必须通过滤波电路加以滤除,从而得到平滑的直流电压。
但这样的电压会随温度、负载等其他因素的变化而变化。
因而在整流滤波电路之后,稳压电路的作用是维持输出直流电压稳定。
2.3控制电路设计方案
方案一:
本方案控制电路主要由继电器和二极管组成。
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的电流的一种“自动开关”。
为防止继电器由吸合状态转为释放时,由于电感的作用线圈将产生较高的反电动势,极容易导致集成块击穿,所以在其两端并联二极管,在继电器由吸合状态转为释放变为释放的瞬间,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,保护了集成块的安全。
方案二:
本方案主要利用了三极管的开关作用。
三极管工作在饱和状态(发射结和集电结都是正偏置)时,其c-c极间电压很小,比PN结的导通电压还要低(硅管在0.5V以下),c-e极间相当“短路”,即呈“开”的状态。
图2.3.1三极管结构示意图
三极管在截止状态(发射结、集电结都是反偏置)时,其c-c极间电流很小(硅管基本上量不到),c-e极间相当于“断开”,即呈“关”的状态。
三极管电路特点是开关速度快,远远比机械开关快,没有机械接点,不产生电火花。
开关的控制灵敏,对控制信号的要求低,导通时开关的电压降比机械开关大,关断时开关的漏电流比机械开关大。
不宜直接用于高电压、强电流的控制。
基于此本设计采用方案一。
2.4电路系统总体设计
综上各方案所述,系统的工作原理:
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12V的交流电压,经整流、滤波得到一个12V的直流电压,再经过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的输出端由低变为高电平,继电器KS吸合,220V交流电形成回路,电灯点亮。
图2.4.1设计系统流程框图
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为低电平,继电器释放,220V交流电形成的回路断开,电灯熄灭。
具体系统框图如图2.4.1所示:
三、设计方案
3.1电源电路
电子系统的稳定运行离不开稳定的电源,除了在某些特定的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3.1.1所示:
图3.1.1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,这个变压器起到降压的功能。
整流电路:
利用具有单向导电性能的整流元件二极管,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脉动的直流电。
滤波电路:
利用储能元件电容器C两端电压不能突变的性质,把电容C与整流电路的负载Rt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压。
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随之变化,因此,稳压电路的作用是使整流滤波后直流电压基本上不随交流电网电压和负载的变化而变化。
3.2稳压电路
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遍。
图3.2.1固定的三端集成稳压器方框图
三端式是指稳压电路仅有输入、输出、接地三个接线端。
有固定式和可调式两种,此外又分正或负输出电压类型。
W7800系列三端固定正电压输出集成稳压器;
W7900系列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。
本设计中采用的是W7805稳压,为NE555提供工作电源。
基本应用电路如图3.2.2所示,为抵消输入线较长时的电感效应,需在输入端并接电容C1;
为消除输出电压中的高频噪声,需在输出端并接电容C2;
当输出电压较高且C2容量较大时,输入端和输出端之间应跨接保护二极管VD,否则输入端一旦断开,C2将通过三端稳压器放电而使之损坏。
此外,还必须注意防止稳压器的公共接地端开路,因为接地端开路时,输出电压接近于输入电压,所以可能使负载过压受损。
图3.2.2W7800的基本应用电路
1.使用时要求稳压器输入电压值至少大于2V以上,但不宜过大,要低于人体的安全电压36V,即|Ui|-|Uo|
2V。
Uo为某一固定值,在数值等于2端和3端的电位差,即Uo=U2-U3,本设计中Uo=5V。
另外还有接地端流过的静态电流Io=8mA。
2.确定稳压器型号、输入电压和输出电流
根据要求Uo=5V,故选用W7805型号,稳压器压差为|Ui|-|Uo|=|U1|-|U2|
2V,现取4V,所以输入电压U1=5+4=9V;
直流稳压电源工作时最大电流Iomax=300mA,稳压器是输入电流即为整流滤波电路的负载电流IL=Iomax+Io=300+8=308mA。
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变电压有效值U2和整流滤波电路的等效负载RL
U2=
=
=7.5V
现取U2=8V
RL=
=31.2
3.3单相桥式整流电路
桥式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端与负载电阻的上端相连,负极端与负载电阻的下端相连,使负载上始终得到一个单向的脉动电压,如图3.31:
图3.3.1单相桥式整流
1、桥式整流电路的工作原理
由图3.3.1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U2的正半周,a端电位高于b端电位,二极管D1、D3导通,D2、D4截止,在负载R1上
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