声光双控照明延时电路.doc

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1、摘 要 摘摘 要要 本文阐述了简单的声、光同时控制的路灯电路的制作。该电路能自动控制 白天开关、夜晚亮灯、人走灯灭。具有灵敏、低耗、性能稳定、使用寿命长、 节能等特点。选择声敏传感器、光敏传感器作为基本元件。综合了声、光和延 时控制、工作稳定、节电并可延长灯泡寿命。光敏传感器,声控传感器两种传感 器形成了声控、光控两种控制的电路。利用布局和布线规则完成了电路板的制 作。实现了电子开关的两种控制，实验结果实现了灯的控制。 关键词关键词：自动控制；节能；声控电路；光控电路；延时电路 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 I 目 录 II 目目 录录 摘要摘要1 第第 1 1 章章 绪论绪论1 1 1.

2、1 课题研究背景及意义 1 1.2 本文的主要工作 1 第第 2 2 章章 总体电路设计及其原理说明总体电路设计及其原理说明3 3 2.1 设计要求 3 2.2 总体电路设计 6 第第 3 3 章章 单元电路设计与分析单元电路设计与分析9 9 3.1 电源设计 9 3.1.1 电源结构设计.9 3.1.2 结构原理说明 9 3.2 声控部分电路设计 .10 3.2.1 驻极体话筒11 3.2.2 声控部分电路工作原理及电路图12 3.3 光控部分电路的设计 .13 3.3.1 光敏三极管简介13 3.3.2 光敏三极管功能14 3.3.3 光控原理16 3.4 延时处理部分电路的设计 .17

3、3.4.1 555 定时器18 3.4.2 延时电路图及控制原理21 3.5 参数计算 .22 第第 4 4 章章 电路图绘制与电路图绘制与 PCBPCB 图制作图制作2 25 5 4.1 PROTEL 99 SE 简介 25 4.1.1 原理图设计25 4.2 PCB 的生成25 4.2.7 原理图与 PCB 最终生成27 总结与展望总结与展望2929 致谢致谢3030 参考文献参考文献3131 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 0 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题课题研究背景及意研究背景及意义义 在学校、机关、厂矿企业等单位的公共场所以及居民区的公共楼道，长明 灯现象十分普遍，这造成了

4、能源的极大浪费。另外，由于频繁开关或者人为因 素，墙壁开关的损坏率很高，增大了维修量、浪费了资金。随着电子技术的发 展，尤其是数字技术的发展，用数字电路技术实现灯的自动发亮、节能节电、 延长灯的寿命变得越来越重要，而且贴近我们的实际生活。同时，为了加强我 们对模拟电子技术合数字电子技术的理解合巩固，所以设计的课题是声光控制 路灯的设计，设计了一种电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便、使用寿 命长的声光双控白炽灯节能路灯。 在本设计中介绍了声光控路灯控制器的组成、性能，适用范围及工作原理， 给出各电路原理图及元件参数选择，节电效果十分明显，同时也大大减少了维 修量、节约了资金，使用效果良好。白

5、天光照好，不管过路者发出多大声音， 都不会是灯泡发亮。夜晚光暗，电路的拾音器只要检测到有碎发声响，就会自 动亮为行人照明，过几分钟后又自动熄灭，节能节电。 1.2 本文的主要工作本文的主要工作 1.2.1 研究目研究目标标 在了解 555、光敏三极管、可控硅等基础上，研究声光双控路灯电路，并对 电路进行理论和可行性分析，使研究具有一定的理论水平与使用价值。 1.2.2 研究内容研究内容 公共场所和居民居住区的公共楼道普遍使用机械手动开关,由于各种原因往 往出现许多灯泡点亮长明的现象,故使灯泡寿命短,浪费电量,为国家、单位、个人 造成经济损失。另外，由于频繁开关或其他人为因素，墙壁开关的损坏率很

6、高， 既增大了维修量、浪费了资金，又容易造成事故隐患。因此，设计研制一种电 路新颖、安全节电、结构简单、安装方便的声光双控白炽灯节能自动开关显得 相当有必要。使公共场所和居民居住区的公共楼道灯在白天时不亮，晚上闻声 自亮，待人走后，几十秒后自动关闭，既方便，又省电。以往的声控开关大多 都是应用模拟电子技术进行设计，分立元件多，不可靠。 本电路为一声光自动控制白炽灯开关。白天或夜晚光线较亮时，光控部分 将开关自动关断，声控部分不起作用。当光线较暗时，光控部分将开关自动打 开，负载电路的通断受控于声控部分。电路是否接通，取决于声音信号强度。 当声强达到一定程度时，电路自动接通，点亮白炽灯。这样，通

7、过对环境声光 信号的检测与处理，完成对白炽灯的控制。论文共有 4 章，其具体内容如下： 第 1 章：绪论：主要介绍本课题的研究背景及意义、研究目标及研究内容 第一章 绪论 1 第 2 章：总体电路设计及其原理说明：主要介绍本课题的设计要求以及总 体电路的设计 第 3 章：单元电路设计与分析：介绍各个单元电路的结构以及功能，其中 包括：电源设计、声控部分电路设计、光控部分电路的设计、延时处理部分电 路的设计以及参数计算 第 4 章：电路仿真与 PCB 图制作：利用 PROTEL 绘制出电路图，最后生成 PCB 图。 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 2 第二章第二章 总体电路设计及其原理说明总体

8、电路设计及其原理说明 2.1 设计设计要求要求 2.1.1 总总体要求体要求 整个电路由电源电路、放大电路、声控电路、光控电路及延时电路等部分 组成。 （1）当白天或夜晚光线较亮时，整个电路由光控部分控制，声控部分不起 作用。光控电路对外界光亮程度进行检测，输出与光亮程度相对应的电压信号， 从而实现白天灯泡不亮。此时即便有声音，灯泡也不亮。 （2）当光线较暗时，负载电路的通断受控于声控部分。声控电路主要将声 音信号转变为电信号，且电路是否接通，取决于声音信号的强度。当声强达到 一定程度时，电路自动接通，点亮灯泡。 （3）灯泡点亮后，延时电路控制延时 36 秒，当延时时间到，再等待下一次 声音信

9、号触发。 （4）此外，电路带强切功能，在特殊情况下强制切断。 总体方案如图 2.1.1 所示： 第二章 总体电路设计及其原理说明 3 图 2.1.1 流程图 是否达到既定 光亮程度？ 是 否 灯不亮 光控部分导通 是否有声控信号输 入 灯不亮 灯不亮 是否强制切断？ 晶闸管导通 触发 555 输入高电 平 延时 灯亮 是 无 有 灯灭 开始 否 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 4 2.1.2 声控声控电电路路 声控电路的主要原理：根据声学和电子学的原理，用声音传感器将声音信 号转换成电信号，从而推动触发器触发使电路导通工作。 作为一个智能化声控电路应具有以下功能： （1）能在声音的控制下实现

10、电路的导通与截止。 （2）声音的发出应是多方面的如脚步声，物体打击声等。 （3）响应时间应越短越好。 为此在选择电路元器件时应选择灵敏度较高的声音传感器组成声控电路控 制电路的前端，同时还要为该传感器设置传感条件如声音响度必须在 20DB 以上 才能响应等。中间端采用触发器构成，利用触发器不触不发，一触即发的特点 去推动照明电路工作，触发器的选择也应选择灵敏度高，响应时间短的触发器 如 D 触发器，JK 触发器等。 2.1.3 光控光控电电路路 光控电路的主要原理：利用光敏元件随光照强度的变化而阻抗发生变化的 特点，去控制电信号的强弱，再由传感器将变化的电信号传递给触发器，只要 电信号强度达到

11、一定程度将触发触发器使其导通工作。 在这样的电路设计中，对电路元器件的要求也极为高，尤其是光敏元件。 光敏元件是光控电路功能实现的核心，必须保证其各项参数的精确、稳定。 半导体光敏元件是基于半导体光电效应的光电转换传感器，又称光电敏感器。 采用光、电技术能实现无接触、远距离、快速和精确测量，因此半导体光敏元 件还常用来间接测量能转换成光量的其他物理或化学量。半导体光敏元件按光 电效应的不同而分为光导型和光生伏打型（见光电式传感器）。光导型即光敏 电阻，是一种半导体均质结构。光生伏打型包括光电二极管、光电三极管、光 电池、光电场效应管和光控可控硅等，它们属于半导体结构型器件。半导体光 敏元件的主

12、要参数和特性有灵敏度、探测率、光照率、光照特性、伏安特性、 光谱特性、时间和频率响应特性以及温度特性等，它们主要由材料、结构和工 艺决定。半导体光敏元件广泛应用于精密测量、光通信、计算技术、摄像、夜 视、遥感、制导、机器人、质量检查、安全报警以及其他测量和控制装置中。 常见光敏元件有：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。 因此，在设计时不仅须考虑方案的可行性、稳定性，还必须充分考虑元器 件的灵敏度，尤其是光敏元件必须选择灵敏度高的，这样电路的功能才能较容 易实现。 2.1.4 延延时电时电路路 延时电路的主要原理：利用电子计数器的原理实现定时功能。 第二章 总体电路设计及其原理说明 5 延时电

13、路的构成方案一般有三种： （1）硬件构成； （2）软件构成； （3）软硬相结合构成； 对于由硬件构成的定时器，一般是用改变 R、C 元件值控制定时的，其效率 较高，但灵活性，通用性较差；而由软件构成的定时器是用执行一段程序来实 现定时的，其灵活性通用性较高，但效率较差；故现在设计定时器一般都是采 用软硬相结合的方法，通过编程设定不同的延时常数，而由硬件控制定时过程， 如大规模集成电路可编程计数器 8253，51 单片机通过编程构成计数器等。 延时电路主要是为了完善电路功能，因此在延时结束后应发出一个结束信 号，控制电路是否继续工作。 2.2 总总体体电电路路设计设计 2.2.1 原理框原理框图

14、图 图 2.2.1 原理框图 2.2.2 电电路路设计设计 根据设计要求及原理，电路主要由 555 集成电路和声、光控专用集成电路组成。 （1）白天或夜晚光线较亮时，光敏三极管接收到光信号，输出低电平，使 得 555 输出低电平，可控硅截止，光控部分将开关自动关断，声控部分不起作 用。 （2）当光线较暗时，光控部分将开关自动打开，光敏三极管的基极处于高 电平状态，高电平再次放大使得三极管的集电极极为低电平，555 的复位端接收 到高电平，同时声音信号从 MIC 输入，经三极管放大输入到 555 的输入端，触 发 555 的输出高电平触发可控硅导通，使电源部分导通，灯亮。负载电路的通 声源 声电

15、转 换 光源 放大处理 延时 执行机 构 电源 （连接各个 功能电路） 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 6 断同时受控于声控部分和光控部分。电路是否接通，取决于光照的强度以及声 音信号强度。当光照和声强达到一定程度时，电路自动接通，点亮白炽灯，并 开始延时，延时时间到，开关自动关断，等待下一次信号。 （3）灯亮一定时间以后，自动熄灭且可自动延时。延时电路使用 555 定时 器实现其延时功能。555 定时器是一种将数字功能和模拟功能集为一体的中规模 集成电路。它的结构比较简单，使用却非常灵活，也很方便，可以用它构成多 谐波振荡器、施密特触发器和施密特触发器等。用 555 定时器构成的各种电路，

16、 都是通过定时控制，实现信号的产生与变换，从而完成其他控制功能。 （4）可靠性、安全性、寿命性能要良好、价格低、使用方便。 第二章 总体电路设计及其原理说明 7 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 8 第三章第三章 单元电路设计与分析单元电路设计与分析 3.1 电电源源设计设计 电路工作是否稳定，电路功能是否能实现，不仅仅取决于电路元器件， 还和外加电源有关。 3.1.1 电电源源结结构构设计设计 电源电路的种类繁多，如变压器降压；桥式整流全波整流；Lc、Rc 滤波； 三端稳压器稳压等。具体采用什么电路合适，则根据主体电路及执行机构不同 和可靠、价廉、有效益等要求进行选用。 根据本文安全、实用、

17、廉价的特点，其电源的设计结构如下： 图 3.1.1电源设计流程 3.1.2 结结构原理构原理说说明明 因为 IC555 的供电电压为直流 4.516V，而我们用家用的交流 220V 供电。 所以需要降压、整流。因为整流后的波形纹波很大，所以需要滤波。滤波后得 到较平滑的直流，给 IC555 供电不稳定，需进一步稳压。此电源比一般简单的 稳压电路更使用，成本更低，使用寿命更长。 （1）整流桥简介 整流桥就是将整流管封在一个壳内了.分全桥和半桥.全桥是将连接好的桥式 整流电路的四个二极管封在一起.半桥是将两个二极管桥式整流的一半封在一起, 用两个半桥可组成一个桥式整流电路,一个半桥也可以组成变压器

18、带中心抽头的 全波整流电路, 选择整流桥要考虑整流电路和工作电压. 整流桥堆一般用在全波整流电路中，它又分为全桥与半桥。全桥是由 4 只 整流二极管按桥式全波整流电路的形式连接并封装为一体构成的，图是其外形。 全桥的正向电流有 0.5A、1A、1.5A、2A、2.5A、3A、5A、10A、20A、35A、50A 等多种规格， 耐压值（最高反向电压）有 25V、50V、100V、200V、300V、400V、500V、600V、800V、1000V 等多种 规格。 （2）电路图及原理 根据电源结构图设计出具体的电源电路，如图所示： 交流 降压整流 滤波稳压直流 第三章 单元电路的设计与分析 9

19、图 3.1.2 电源原理图 降压稳流部分由 R3C1、整流桥 D2,D3,D4,D5 和滤波电容 C2 组成，交流 220V 输入，经 R3(220K)降压，经 D2,D3,D4,D5 整流桥全波整流， C6（220F）大电解电容滤波，滤波后得到纹波较大的直流信号，然后 D7 与 C8 对此信号进行稳压，稳压后得到+9V 的电压，为电灯控制电路提供了工作电 压。 3.2 声控部分声控部分电电路路设计设计 作为声控部分的设计，必然少不了一个在无光照和拾取到声音时把电路 导通的，从而达到点亮灯起到照明作用的电子元件。这个电子元件就是驻极 体话筒 MIC。 3.2.1 驻驻极体极体话话筒筒 （1）驻

20、极体话筒的工作原理 驻极体话筒一般由驻极体与结型场效应管组合而成。驻极体是由进行特 殊处理的高分子材料组成，这些高分子材料表面具有永久电荷(Q)。驻极体结 构有振膜、背极、空隙三部分，这样在振膜与背极间形成一个具有定量电荷 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 10 的电容结构。当说话时，会引起振膜与背极间的距离(D)变化，据 C=S/D 可 知，将使电容(C)变化;据 U=Q/C 可知，a、b 间电压会变化;从而引起结型场效 应管的 G、S 间电压变化，在 D、 S 间产生放大的电信号。 （2）驻极体话筒的结构 话筒的基本结构由一片单面涂有金属的驻极体薄膜与一个上面有若干小 孔的金属电极（背称为

21、背电极）构成。驻极体面与背电极相对，中间有一个 极小的空气隙，形成一个以空气隙和驻极体作绝缘介质，以背电极和驻极体 上的金属层作为两个电极构成一个平板电容器。电容的两极之间有输出电极。 由于驻极体薄膜上分布有自由电荷。当声波引起驻极体薄膜振动而产生位移 时；改变了电容两极版之间的距离，从而引起电容的容量发生变化，由于驻 极体上的电荷数始终保持恒定，根据公式：Q=CU 所以当 C 变化时必然引起 电容器两端电压 U 的变化，从而输出电信号，实现声电的变换。驻极体话 筒体积小，结构简单，电声性能好，价格低廉，应用非常广泛。驻极体话筒 的内部结构如图 3.2.1 所示。由声电转换系统和场效应管两部分

22、组成。它的电 路的接法有两种：源极输出和漏极输出。源极输出有三根引出线，漏极 D 接 电源正极，源极 S 经电阻接地，再经一电容作信号输出；漏极输出有两根引 出线，漏极 D 经一电阻接至电源正极，再经一电容作信号输出，源极 S 直接 接地。所以，在使用驻极体话筒之前首先要对其进行极性的判别。 第三章 单元电路的设计与分析 11 图 3.2.1 驻极体话筒结构图 （3）驻极体话筒的检测方法 方法一、将驻极体话筒加上正常的偏置电压，将万用表拨到 Rx100 档， 用两表笔分别接两芯线，相当于给内部源极、漏极间加电压，此时，万用表 指针应在一定的刻度上。然后对话筒吹气，如果指针有一定幅度的摆动，说

23、明驻极体话筒完好，如果无反映，则该话筒漏电。如果直接测试话筒引线无 电阻，说明话筒内部可能开路;如果阻值为零，则话筒内部短路。 方法二、因为在场效应管的栅极与源极之间接有一只二极管，因而可利 用二极管的正反向电阻特性来判别驻极体话筒的漏极 D 和源极 S。将万用表 拨至 R1k 档，黑表笔接任一极，红表笔接另一极。再对调两表笔，比较 两次测量结果，阻值较小时黑表笔接的是源极，红表笔接的是漏极 3.2.2 声控部分声控部分电电路工作原理及路工作原理及电电路路图图 白天，因为光控电路阻断，所以，无论多大声，灯都不会亮。到夜晚，光 控电路导通，当人走动的脚步声传到传声器 MIC 时，声波转换为电信号

24、，经三 极管 Q3 放大，使灯亮。若声控灵敏度偏低，可增大 R10 阻值，或换高放大倍数 的三极管。本系统放大整形电路设计结构如图 3.2.2 所示。 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 12 图 3.2.2 声控电路原理图 3.3 光控部分光控部分电电路的路的设计设计 3.3.1 光敏三极管光敏三极管简简介介 以接受光的信号而将其变换为电气信号为目的而制成之晶体管称为光敏三 极管,也叫光电三极管,英文名是 Photo Transister。 光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流 不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。 通常基极不引出，但 一些光敏三极管的

25、基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。 当具有光敏特性的 PN 结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电 流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于 倍的信号 电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比， 具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。 通过对半导体二极管和三极管的学习，我了解了晶体管的基本结构和工作 原理，晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电 路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的 PN 结，两个 PN 结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区， 第三章 单元电

26、路的设计与分析 13 排列方式有 PNP 和 NPN 两种，从三个区引出相应的电极，相对应分别为基极 b 发射极 e 和集电极 c。 发射区和基区之间的 PN 结叫发射结，集电区和基区之间的 PN 结叫集电极。 基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大，PNP 型三极管发射区“发射“的是空穴， 其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里；NPN 型三极管发射区“发射“ 的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。发射极箭头 向外。发射极箭头指向也是 PN 结在正向电压下的导通方向。硅晶体三极管和锗 晶体三极管都有 PNP 型和 NPN 型两种类型。虽然重点学习了晶体管的放大作用， 但是

27、我对晶体管的开关作用更感兴趣。半导体就像一个开关，可以通过导通与 截止来控制电路。 半导体通过添加一部分微量元素会使其特性发生翻天覆地的变化。光敏晶 体管就是一种重要的衍生物。视觉是人体最重要的感觉，因此，我觉得通过光 来控制电路真是太精妙了，而光敏的二极管三极管恰好就完成这个任务。因为 光敏三极管由于还具有放大作用，因此应用比二极管更加广泛。 光敏三极管用 于测量光亮度，经常与发光二极管配合使用作为信号接收装置。 3.3.2 光敏三极管功能光敏三极管功能 光敏三极管一般在基极开放状态使用(外部导线有两条线的情形比较多)，而 将电压施加至射极、集极之两个端子，以便将逆偏压施至集极接合部。在此状

28、 态下，光线入射于基极之表面时，受到反偏压之基极、集电极间即有光电流(I)流 过，发射极接地之晶体管的情形也一样，电流以晶体管之电流放大率(hfe)被放 大而成为流至外部端子之光电流(Ic)，为便于了解起见，请参照图 3.3.2.1 所示。 达林顿晶体管工作情况；电流再经过次段之晶体管的电流放大率被放大，其结 果流至外部导线之光电流即为初段之基极、集极间所流过之光电流与初段及后 段之晶体管的电流放大率三者之积。 图 3.3.2.1 达林顿三极管 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 14 （1）光敏三极管的结构及外形 最普遍的外形如图 3.3.2.2 所示。罐形封闭(Can seal)之光敏三极管

29、多半将半 导体晶方装定在 TO-18 或 TO-5 封装引脚座后，利用附有玻璃之凸透镜及单纯之 玻璃窗口之金属罩封闭成密不透气状态。 罐封闭型(玻璃窗口) 罐封闭型(玻璃透镜) 树脂封入型(平导线透型) 树脂封入型(单端窗) 图 3.3.2.2 光敏三极管各种结构及外形 （2）光敏三极管的种类 由外观上如图 3.3.2.2 所示，可以区分为罐封闭型与树脂封入型，而各型又 可分别分为附有透镜之型式及单纯附有窗口之型式。就半导体晶方言之，材料 有硅(Si)与锗(Ge)，大部份为硅。在晶方构造方面，可分为普通晶体管型与达林 顿晶体管型。再从用途加以分类时，可以分为以交换动作为目的之光敏三极管 与需要

30、直线性之光敏三极管，但光敏三极管的主流为交换组件，需要直线性时， 通常使用光二极管。 （3）光敏三极管的选用 在实际选用光敏三极管时，应注意按参数要求选择管型。如要求灵敏度高， 可选用达林顿型光敏三极管；如要求响应时间快，对温度敏感性小，就不选用 光敏三极管而选用光敏二极管。探测暗光一定要选择暗电流小的管子，同时可 考虑有基极引出线的光敏三极管，通过偏置取得合适的工作点，提高光电流的 放大系数。例如，探测 10-3 勒克斯的弱光，光敏三极管的暗电流必须小于 0.1nA。部分国产光敏三极管参数如下： 第三章 单元电路的设计与分析 15 表 3.1 国产三极管参数表格 本文的光敏三极管选用暗电流

31、Id 较小,光电流 Ic 较大的 3DU51 3.3.3 光控原理光控原理 所谓光控就是利用光敏三极管对不同光照呈现的阻抗不同，对时基电路 555 的四脚进行高低电平的控制，或处于等待触发状态，或处于强制复位状态。 白天光照 Q4 呈低阻，Q2 正偏置而饱和倒通。其集电极电位，即 555 的 4 脚被 钳制在 0.3V 左右，从而是 555 处于强制复位状态，此时不管 2 脚有多大的触发 电平，555 均不会翻转置位。可控硅不会触发倒通，电灯无电不亮。夜晚光暗， 此时 Q4 呈高阻而截止，Q5 无偏置电流，呈截止状态。555 的 4 脚呈高位，使 555 触发器处于单稳态触发状态，此时如果有声

32、响，经拾音，放大，倍压整流后， 正极性信号使 Q1 饱和倒通，下跳变信号加之 555 的二脚使 555 翻转置位。3 脚 由原来的低电平变为高电平（约+8.5V） ，经 R7 限流后触发双向可控硅 SCR1 并 倒通，电灯点亮。 ，电路原理图如图 3.3.3 所示： 最高工作电压最高工作电压 U U/V/VCEM 暗电流暗电流 I I/A/AD 光电流光电流 mAmA 测试条件测试条件 型号型号 参参 数数 允许功允许功 耗耗 mWmW I=ICEDU=UCECEM 1000IX U=10VCE 峰峰 值值 响响 应应 波波 长长 m m 3DU1170 10 3DU1250 30 3DU13

33、100 50 0.3 0.51 3DU13100 1000.2 0.51 3DU2130 10 3DU2250 30 3DU23100 50 0.3 12 3DU3170 10 3DU3250 30 3DU33100 50 0.32 3DU5130 100.20.5 0.8 8 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 16 图 3.3.3 光控电路原理图 3.4 延延时处时处理部分理部分电电路的路的设计设计 以 555 为中心的延时电路多而常见，它电路结构简单，外围元件少，工作 稳定。电容延时就是 RC 延时，利用电容的充放电调节 RC 时间常数来完成，一 般要配合另外的一个触发电路来达到延时控制，

34、实际上 555 延时电路就是用的 RC 充放电。 继电器延时在强电领域有时间继电器等，利用的是电磁原理。在弱电领域 一般以固态继电器为主，但是它也只是一种控制器件。另外在数字电路中，利 用震荡器和计数器也可以做成相当精确的延时电路。如果考虑成本，可以直接 用 RC 延时，另外加上一个三极管就构成了一个延时控制电路。如果考虑性能但 又不是很高，可以用 555。如果是在高精度的场合，如数字取样等，那就要用数 字式的延时电路。 根据本设计的思想，应使用更为简单，便宜而且性能也比较可靠 555 延时 电路。 3.4.1 555 定定时时器器 555 定时器是一种将数字功能和模拟功能集为一体的中规模集成

35、电路。它的 结构比较简单，使用却非常灵活，也很方便，可以用它构成多谐波振荡器、施 第三章 单元电路的设计与分析 17 密特触发器和施密特触发器等。用 555 定时器构成的各种电路，都是通过定时 控制，实现信号的产生与变换，从而完成其他控制功能。 一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555， 除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范 围宽，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。 555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接

36、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 A1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，A2 的同相输入端的电压为 VCC /3。 若触发输入端 TR 的电压小于 VCC /3，

37、则比较器 A2 的输出为 1，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 A1 的输出为 1，A2 的输出为 0，可将 RS 触发 器置 0，使输出为 0 电平。555 定时器主要是与电阻电容构成充放电电路，并 由两个比较器来检测电容上的电压以确定输出电压的高低和放电开关管的通断， 可构成单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器等脉冲产生电路。 （1）555 定时器的结构 图 3.4.1 555 定时器的内部结构 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 18 各种 555 定时器的电路结构大同小异，它由比

38、较器 C 和 C 、基本触发器和 12 输出级三个部分组成，外部共有 8 根引脚，各脚的名称和功能如下： 1 脚为接地端，也是芯片的公共端；8 脚为电源端 V；3 脚为信号输出端 V CC ；7 脚为放电端。如果经过一个足够大的电阻街道电源上那么放电端可获得 OO V 一个与输出端相一致的电平。 4 脚为直接复位端。只要在此输入低电平，输出端立即被置为低电平， D R 不受其他输入状态的影响。正常工作是接高电平可直接接到电源上 6 脚为 C 比较器的信号输入端 V 又称阈值段 TH；2 脚为 C 比较器的信号输 1 1l 2 入端 V又称为触发端。它们输入的信号可以是数字信号也可以是模拟信号，

39、分 2l 别与比较器所设置的参考电压进行比较便于控制输出状态。 5 脚为控制电压输入端 V。如果 V端没有外加电压时两个比较器的参考 coco 电压，由电源电压经过三个等值电阻分压提供， 则 V= V，V= V。在这种情况下，该端可通过电容（0.01F）接 1R 3 2 CC 2R 3 1 CC 地，防干扰信号窜入。如果该端接入外电压 V时， co 则，V= V， V= V，因此 V可改变参考电压值 V 。 1Rco2R2 1 coco R （2）芯片功能 若=0，不管其它输入如何输出端都为低电平。 D R 若=1，当 V ()V且 V(V)时，比较器 C 输出为 0，C 输 D R 1l3

40、2 CC 2L3 1 CC 12 出为 1，即 V=0，V=1，基本 RS 触发器状态 Q 置成 0，输出 V 为低电平；同 1C2Co 时放电管 T 导通。 1 若=1，当 V ()V且 V(V)时，比较器 C 、C 输出都为 1, D R 1l3 2 CC 2L3 1 CC 12 即 V=V=1, 基本 RS 触发器状态 Q 保持不变，V 和放电管状态保持不变。 1C2CO 第三章 单元电路的设计与分析 19 表 3.2 555 定时器输入输出状态表 输入输入各级输出各级输出 T T 状态状态 1 D RV 1l V 2L V 1C V 2C 触发器输 出 Q 1n 输出VOT 状态 1

41、00低电平导通 1 ()V 3 2 CC (V) 3 1 CC 010低电平导通 1 ()V 3 2 CC (V) 3 1 CC 001高电平截止 1 ()V 3 2 CC (V) 3 1 CC 100高电平截止 1 ()V 3 2 CC (V) 3 1 CC 11Q不变不变 （3）555 定时器连接的施密特触发器 用 555 定时器连接成施密特触发器，端 2 和端 6 接在一起作为输入信号， 5 端和 8 端接接直流电源，4 端接电容，即可得到施密特触发器。为了提高其稳 定性长在 4 端接 0.01左右的电容。 F 6 端和 2 端处的输入信号为 VI 当 V V以后，V=0，Q=0，故 v

42、 =V；因此 V=V。 I3 2 CC1COOL T3 2 CC 其次，再看 V 从高于V开始下降的过程： I3 2 CC 当V V V时，V=V=1，v =V保持不变； 3 1 CC I3 2 CC1C2COOL 当 V V以后，V=1，V=0，Q=1，故 v =V；因此 V=V I3 1 CC1C2COOH T3 1 CC 由此得到电路回差电压为 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 20 V = V- V=V TTT3 1 CC 如果参考电压由由外接电压 V供给，则不难看出这时 V= V，V= CO T CO T V，V =V。通过改变 V值可以调节回差电压的大小。 2 1 CO T2 1

43、COCO 3.4.2 延延时电时电路路图图及控制原理及控制原理 （1）单稳态延时电路有如下特点 单稳态延时电路只有一个稳定状态，一个暂稳态。 在外加脉冲的作用下，单稳态触发器可以从一个稳定状态翻转到一个暂 稳态。 由于电路中 RC 延时环节的作用，该暂态维持一段时间又回到原来的稳 态，暂稳态维持的时间取决于 RC 的参数值。 （2）双稳态电路的特点是： 它有两个稳定状态，在没有外来触发信号的作用下。电路始终处于原 来的稳定状态。由于它具有两个稳定状态，故称为双稳态电路。 在外加输入触发信号作用下，双稳态电路从一个稳定状态翻转到另一 个稳定状态。 通过比较，单稳态延时电路比起双稳态延时电路要简单

44、、实用，更符合本 次设计的要求，所以应选择单稳态延时电路作为延时电路。 555 和 R8、C7、等组成单稳态延时电路。电灯点亮的时间即单稳态延时电 路触发后高电平持续的时间（稳态时间） ，他取决于单稳态电路的时间常数，其 大小为， Td=1.1（R8） （C7） 图示 3.4.2 所示电路的单稳态时间为 36s，即电灯点亮后 36 秒后熄灭。降压 电容选用耐压 400V 以上的金属化纸介电容器。 第三章 单元电路的设计与分析 21 图 3.4.2 延时电路原理图 3.5 参数参数计计算算 在进行电路设计时，应根据电路的性能指标要求决定电路元器件的参数。 例如根据电压放大倍数的大小，可决定反馈电

45、阻的取值；根据延时时间要求， 利用公式，可计算出决定时间大小的电阻和电容之值等等。但一般满足电路性 能指标要求的理论参数值不是惟一的，设计者应根据元器件性能、价格、体积、 通用性和货源等方面灵活选择。计算电路参数时应注意以下几点： （1）计算元器件工作电流、电压和功率等参数时，应考虑工作条件最不利的 情况，并留有适当的余量。 （2）对于元器件的极限参数必须留有足够的裕量，一般取 1.52 倍的额定值。 （3）对于电阻、电容参数的取值，应选计算值附近的标称值；非电解电容器 一般在 100pF0.47F 选择；电解电容一般在 1F2000F 范围内选用。 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 22 （

46、4）在保证电路达到功能指标要求的前提下，尽量减少元器件的品种、价格、 体积等。 （5）设计已确定的参数指标为： 额定电压： 220V ；额定电流： 1A ，光线强度 10LX； 亮灯持续时间： 36S5S ，静态功耗 0.3W， 动态功耗 :0.9W。 第三章 单元电路的设计与分析 23 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 24 第四章第四章 电路图绘制与电路图绘制与 PCBPCB 图制作图制作 4.1Protel 99 SE 简简介介 本文采用的电路图绘制及 PCB 图制作软件是 Protel 99 SE。 Protel 99 SE 设计系统是一套建立在 PC 环境下的 EDA（Electro

47、nic Ddsign Automation）电路集成设计系统。 4.1.1 原理原理图设计图设计 （1）选取元器件:根据原理图中所需选取合适的元器件。 （2）布局: 将各元器件根据设计需要摆放在合理的位置，使原理图在不影响 工作的情况下看起来美观。 （3）布线：将元器件各管脚，根据电路所需连接起来。 （4）封装：属性设置，既根据电路原理图所需，选取合适的封装。 （5）检查：这是生成 PCB 之前必须做的一步。先自己检查一遍，再通过 ERC 检测，有错误改正，没有就可以生成网络表了。 4.2 PCB的生成的生成 4.2.1 PCB 板框板框设计设计 (1) 物理板框的设计一定要注意尺寸精确，避免

48、安装出现麻烦，确保能够将 电路板顺利安装进机箱，外壳，插槽等。 (2)拐角的地方（例如矩形板的四个角）最好使用圆角。一方面避免直角， 尖角刮伤人，另一方面圆角可以减轻应力作用，减少 PCB 板因各种原因出现断 裂的情况。 (3)在布局前应确定好各种安装孔（例如螺丝孔）及各种开口，开槽。一般 来说，孔与 PCB 板边缘的距离至少大于孔的直径。 (4)当电路板的面积大于 200 x 150 mm 时，应重视该板所受的机械强度。从 美学角度来看，电路板的最佳形状为矩形。宽和长之比最好是黄金比值 0.618（黄金比值的应用也是很广的） 。实际应用时可取宽和长为 2：3 或 3：4 等。 4.2.2 P

49、CB 板布局板布局设计设计 元件布置是否合理对整板的寿命，稳定性，易用性及布线都有很大的影响， 是设计出优秀 PCB 板的前提。 4.2.3PCB 板布板布线设计线设计 (1)注意点 输入和输出的导线应避免相邻、平行，以免发生回授，产生反馈耦合。 可以的话应加地线隔离。 布线时尽量走短、直的线，特别是数字电路高频信号线，应尽可能的短 且粗，以减少导线的阻抗。 第四章 电路图绘制与 PCB 图制作 25 遇到需要拐角时，高压及高频线应使用 135 度的拐角或圆角，杜绝少 于 90 度的尖锐拐角。90 度的拐角也尽量不使用，这在高频高密度情况下更要关 注，这些都为了减少高频信号对外的辐射和耦合。 相邻两层的布线要避免平行，以免容易形成实际意义上的电容而产生寄 生耦合。例如双面板的两面布线宜相互垂直，斜交或弯曲走线。 数据线尽可能宽一点（特别是单片机系统） ，以减少导线的阻抗。数据 线的宽度至少不小于 12mil（0.3mm） ，可以的话，采用 18 至 20mil（0。46 至 0.5mm）的宽度就更为理想。 注意元件布线过程中，过孔使用越少越好。