楼道延时开关设计报告

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】 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：高等教育出版社

【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。

目 录

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

3.1 Multisim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。

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。

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：

① 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。

② 额定的容量可以做到非常大，可以做到几万f

③ 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

U1

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。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“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。

具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。 继电器按其工作原理不同又可分为电磁继电器，固态继电器，热敏干簧继电器，磁簧继电器，光继电器，时间继电器，高频继电器，极化继电器等。

按其负载大小又可分为微功率继电器，弱功率继电器，中功率继电器，大功率继电器等。

按其反应类型又可分为电流继电器，电压继电器，功率方向继电器，阻抗继电器，频率继电器，气体（瓦斯）继电器等 按其在保护回路中的作用又可分为启动继电器，度量继电器，时间继电器，中间计时器，信号继电器，出口继电器等。

继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。

继电器一般都有能反映一定输入变量（如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等）的感应机构（输入部分）；有能对被控电路实现“通”、“断”控制的执行机构（输出部分）；在继电器的输入部分和输出部分之间，还有对输入量进行耦合隔离，功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构（驱动部分）。 作为控制元件，概括起来，继电器有如下几种作用： 1.扩大控制范围：例如，多触点继电器控制信号达到某一定值时，可以按触点组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路。

2.放大：例如，灵敏型继电器、中间继电器等，用一个很微小的控制量，可以控制很大功率的电路。

3.综合信号：例如，当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时，经过比较综合，达到预定的控制效果。 4.自动、遥控、监测：例如，自动装置上的继电器与其他器件一起，可以组成程序控制线路，从而实现自动化运行。

电磁式继电器结构：

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。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。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

电磁式继电器工作原理

继电器的工作原理是，当继电器线圈通电后，线圈中的铁芯产生强大的电磁力，吸动衔铁带动弹簧，使触点1、2断开，1、3接通，当线圈断电后，弹簧使簧片复位，使触点1、2接通，1、3断开，我们只要把需要控制的电路接在触点1、2间（1、2称为常闭触点）或触点1、3间（称为常开触点），就可以利用继电器达到某种控制的目的。

2.4.2 控制电路的设计

当继电器的输入信号x从零连续增加达到衔铁开始吸合时的动作值xx,继电器的输出信号立刻从y=0跳跃到y=m,即常开触点从断到通。一旦触点闭合，输入量x继续增大，输出信号y将不再起变化。当输入量x从某一大于xx值下降到xf,继电器开始释放，常开触点断开。我们把继电器的这种特性叫做继电特性，也叫继电器的输入-输出特性。 本设计中应用继电器的输入输出特性来控制负载，达到定时关灯的目的。

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。

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。

第三章 电路的仿真

3.1Multisim应用的介绍

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。

工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

本设计主要利用Multisim来绘制电路图并进行仿真。 3.2 直流稳压电源的仿真

3.3由555定时器构成的单稳态延时电路的仿真

无触发信号时输出为低电平

有触发信号时输出为高电平

延时一分钟示波器图示

第四章 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提高，对做事情的耐心程度也得到了提高。在一点就是：我们提高了独立思考能力，并且丰富了视野，使我们受益匪浅。

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：高等教育出版社 【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。

附录一 555定时器

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Vo 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。

附录二 触摸延时开关各元器件清单

实际选用参数

NE555 555定时器 270K R1

20K R2 1000uf /25V（电解电容） C1 330nf C2 1uf C3 200uf C4 10nf C5 LM7805稳压器COLL-DC5V继电器 NLT＿VIRTUAL变压器220V 25W 白炽灯

1N4007 二极管（4只） 1N4001 二极管 （1只）

附录三 触摸延时开关电路图

U1