楼道声控开关

电子技术综合设计

楼道触摸延时开关

2017年月日

楼道触摸延时开关

一． 设计目的

1. 进一步熟悉和掌握数字电子电路的设计方法和步骤 2. 进一步将理论和实践相结合 3. 熟悉和掌握仿真软件的应用

二．设计任务（内容）

（1） 设计一楼道触摸延时开关，其功能时当人用手触摸开关时，照明灯点亮，并持续一段时间后自动熄灭。 （2） 开关的延时时间约1分钟左右。

二． 设计要求

1. 完成全电路的理论设计

2. 参数的计算和有关器件的选择 3. 对电路进行仿真

4. 撰写设计报告书一份；A3图纸至少一张。报告书要求写明以下主要内容

（1） 总体方案的选择和设计

（2） 各个单元电路的选择和设计 （3） PCB 的制作及仿真过程的实现

参考资料

[1]阎石. 数字电子技术基础（第五版）北京：高等教育出版社，2006 [2]王兆安. 电力电子技术（第四版）北京：机械工业出版社，2000 [3]杨志忠. 集成电路及元器件使用手册北京：机械工业出版社2010

[4]朱定华. 电子电路实验与课程设计北京：清华大学出版社，2009

楼道触摸延时开关课程设计

目录

第一章设计原理 ........................................................... 1 第二章电路的设计 ....................................................... 2

2.1触摸延时电路的设计........................................................... 2

2.1.1 555计时器................................................................. 2 2.1.2延时电路设计原理.................................................. 3 2.2桥式整流电路原理............................................................... 4

2.2.1单项桥式整流电路组成............................................ 4 2.2.2单项桥式整流电路工作原理.................................... 5 2.3滤波电路和稳压电路........................................................... 6 2.3.1滤波电路............................................................................ 6

2.3.2稳压电路.................................................................... 6 2.5整体系统的概述................................................................... 8

第三章电路的仿真 ....................................................... 9

3.1 Multisim . ............................................................................... 9 3.2仿真..................................................................................... 10

第四章心的与体会 ..................................................... 15 附录一 555定时器 . ................................................... 16 附录二元件参数 ......................................................... 19

第一章设计原理

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. 由单项桥式整流电路，闻言管等构成5V 的直流电源。 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。

第二章电路的设计

2.1触摸延时电路的设计 2.1.1 555计时器

555计时器是美国Signetics 公司1972年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路，因输入端设计有三个5k Ω的电阻而得名。此电路后来竟风靡世界。目前，流行的产品主要有4个：BJT 两个：555，556（含有两个555）；CMOS 两个：7555，7556（含有两个7555）。

555定时器的电路如图所示。它由三个阻值为5k Ω的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS 触发器、放电晶体管T 、与非门和反相器组成。

2.1.2延时电路设计原理

触摸延时电路是基于时基芯片NE555构成的电路，主要用于开关闭合后控制电路在一段时间后自动断开达到延时的目的。 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R 1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R 1、C 1决定：

T 1=1.1R 1⨯C 1

根据设计需要延时一分钟T 1=60s，设C 1=100μF ，则

60S T 1

=≈550K Ω R 1=

1. 1C 11. 1⨯0. 00001

U2

图2-1触摸延时电路原理图

2.2桥式整流电路原理

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。

2.2.1单项桥式整流电路组成

2-2单项桥式整流电路

2.2.2单项桥式整流电路工作原理

设变压器副边电压u 2=2U 2sin ωt ，U 2为其有效值

由图2.2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。

如图2-3所示为单相桥式整流电路各部分的电压和电流的波形。

图2-3桥式整流电路电流、电压波形

2.3滤波电路和稳压电路 2.3.1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。

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

2.3.2稳压电路

1. 稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管，其

V-A 特性曲线与普通二极管相似，但反向击穿曲线比较陡。稳压二极管工作于反向击穿区，由于它在电路中与适当电阴配合后能起到稳定电压的作用，故称为稳压管。稳压管反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小。当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然增大，稳压管从而反向击穿，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压的变化却相当小，利用这一特性，因此稳压管在电路中起到了稳压的作用。

图2-4 稳压管特性曲线

稳压管与其普通二极管不同之处在于反向击穿是可逆性的。当去掉反向电压稳压管又恢复正常，但如果反向电流超过允许范围，二极管将会发热击穿，所以，与其配合的电阻往往起到限流的作用。 2稳压电路

U1

图2—5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变化。因此，稳压电路的作用是将使整流滤波后的直流电压基本上不随交流电网电压或负载的变化而变化。

2.5整体系统的概述

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，得一个较小的交流电压，经整流，滤波得到一个直流电压，在经过稳压电路得到一个稳定的直流电压为555定时器提供工作电压。当需要开灯时，用手触摸一下开关，触发信号电压加到555的触发端，使555的输出由低电平变成高电平，继电器KS 吸合，220V 交流电形成回路，点灯点亮。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的触发端由高电平回到低电平，继电器释放，220V 交流电形成的回路断开，电灯熄灭。这就是触摸延时开关的原理。

图2-8楼道延时开关原理图

第三章电路的仿真

3.1 Multisim Multisim 是美国国家仪器（NI ）有限公司推出的以Windows 为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

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选软件工具。

3.2仿真

1直流稳压电源仿真

图3-1直流稳压电路

图3-2直流稳压仿真值

2延时电路的仿真

图3-2 延时电路

图3-2延时电路保持高电平输出波形

3楼道延时开关电路仿真

图3-3楼道触摸延时开关电路原理图

1）开关断开状态

图3-4计时器输出端为低电平时的波形1

按设计方案连接仿真电路，当开关未闭合时，555

继电器输出端

为低电平，继电器保持断开状态，灯泡保持熄灭。

2）开关闭合状态

图3-5开关按下后555计时器输出端由低电平变为高电平

当开关闭合时，5V 电压加在555计时器的触发端，使输出端信号有低电平变为高电平，继电器衔铁闭合，照明电路接通，灯泡点亮。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。

3）保持高电平输出状态

图 3-6 开关断开后555计时器输出端保持高电平输出

4）继电器从高电平跳变到低电

图3-7继电器从高电平跳变到低电平时的波形变化1

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。达到预定设计目的，设

计成功

电路板图片

第四章心的与体会

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。

附录一 555定时器

图附1.1 555定时器的内部逻辑电路构造

图附1.2 555定时器逻辑符号

图附1.3 555定时器管脚图

555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3 。

555

定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输

出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。

它的各个引脚功能如下：

1脚：外接电源负端VSS 或接地，一般情况下接地。 8脚：外接电源VCC ，双极型时基电路VCC 的范围是4.5 ~ 16V ，CMOS 型时基电路VCC 的范围为3 ~ 18V。一般用5V 。 .

3脚：输出端V o 2脚：低触发端 6脚：TH 高触发端 4脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR 、TH 处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。

5脚：VC 为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF 电容接地，以防引入干扰。

7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。

在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为的情况下，555时基电路的功能表如表1示。

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附录二元件参数

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