电子技术课程设计延时开关电路.docx

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电子技术课程设计延时开关电路

湖南文理学院课程设计报告

课程名称：

电子技术课程设计

院部：

电气与信息工程学院

专业班级：

自动化12101班

学生姓名：

占文兵

*******************

完成时间：

2014年6月10号

报告成绩：

摘要

延时开关电路是电力控制系统中的重要组成部分。

它由延时电路、时钟信号产生电路、声控电路、延时显示电路、直流稳压电路单元电路构成。

延时电路的功能是先输出高电平在不用人干预下过几分钟后自动变为低电平；时钟信号产生电路是由NE555定时器组成的多谐振荡器产生计数器所需的时钟信号；声控电路是用压电陶瓷片拾取声音信号并把声音信号变为电信号；延时显示电路是通过74LS47进行译码并驱动数码管显示；整流稳压电路采用LM7805把交流电变成稳定的5V直流电。

借助Multisim10.0仿真软件对各电路进行了性能与功能仿真，通过仿真分析验证了设计的正确性，达到了设计的预期目的。

关键词延时开关；声控；74LS47；多谐振荡器；LED

Abstract

Thetimedelayswitchcircuitisanimportantpartoftheelectriccontrolsystems.Itiscomposedofdelaycircuit,clocksignalgenerationcircuit,voicecircuit,delaydisplaycircuitandDCvoltagestabilizingcircuit.Thedelaycircuit'sfunctionistooutputhighlevelandthencovertittolowlevelcurrentautomaticallyafterfewminutes;theclocksignalgeneratingcircuitisneededwhenmultivibratorwhichiscomposedofNE555timergeneratesclocksignalforcounter.Voicecontrolcircuitworksaspiezoelectricceramicpiececollectvoicesignalandturnitintoelectricsignal;Delaycircuitdecodesmessagevia74LS47anddrivesnixietubework.RectifyingandvoltagestabilizingcircuitadoptsLM7805ACinto5VDCstable.WiththeaidoftheMultisim10.0simulationsoftwareperformanceandfunctionalsimulationofthecircuit,thesimulationresultsvalidatethecorrectnessofthedesign,toachievethedesiredpurposedesign.

KeywordsDelayswitch,Voicecontrol,74LS47,Multivibrator,LED

第一章设计指标

延时开关电路是当楼道有声响或人为按下开关时，楼道的照明电路工作，之后在不需人的干预下会延时几分钟自动的停止工作。

整个开关电路的功耗很低。

在当今倡导节能环保和人们对自动化要求较高的今天，设计一个延时开关电路是有必要的。

1.1设计题目

延时开关电路

1.2设计指标

1.声响能点亮灯，灯亮一段时间后自动熄灭。

2.楼道两端有手动开关，开关闭合后灯点亮，一段时间后灯自动熄灭。

3.设置延时时间，灯点亮后数码管显示灯距离熄灭的时间。

1.3设计原理

1.由NE555定时器构成单稳态触发器，达到延时的目的。

2.由双向晶闸管构成触发控制。

3.NE555定时器组成多谐振荡器，发出1Hz的脉冲波，构成时钟信号源。

4.74LS192N同步十进制加／减计数器对时钟信号进行计数并输出BCD码。

5.74LS47N对BCD码进行译码并驱动数码管。

6.数码管显示时间。

第二章延时开关电路设计

电路设计过程中，一方面要考虑电路的性能是否能达到要求，另一方面也要考虑电路结构以及元器件的选择。

在保证电路性能的前提下，尽可能选择廉价、易购买、体积小的元器件。

2.1系统模块及框图

2.2单元电路的设计

2.2.1延时电路

NE555定时器组成单稳态触发器，实现延时。

如图2.2为555定时器组成的单稳态触发器。

555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，其应用级为广泛。

它不仅用于信号的产生和交换，还常用于控制与检测电路中。

下面介绍NE555的结构和功能。

如图2.3为555定时器的引脚图。

1.主要特性

（1）电源电压范围为5~18V。

（2）最大负载电流为200mA。

（3）功耗低、输入阻抗高。

2.内部结构

555定时器的内部电路由分压器、电压比较器C1和C2、简单SR锁存器、放电三极管T以及缓冲器G组成，内部结构图如图2.4所示。

三个5kΩ的电阻串联组成分压器，为比较器C1、C2提供参考电压。

当控制电压端悬空或对地接上滤波电容，比较器C1和C2的基准电压分别为

和

。

当D（引脚7）为低电平是，不管其他输入端的状态如何，输出端都为低电平。

3.引脚功能

GND

（1）：

接地。

（2）：

触发输入端。

OUT（3）：

输出端。

RESET（4）：

复位端，当4脚小于0.4V时，不管2和6脚的状态如何，输出端3脚输出的都为低电平。

CONV（5）：

控制端。

TH（6）：

阀值端，只对高电平起作用，即输入电压大于

称为高触发端，3脚输出低电平，但前提是2脚的点位大于

是才有效。

DIS（7）：

放电端，与3脚输出同步，输出电平一致，但7脚并不输出电流。

VCC（8）：

工作电压输入端，输入电压范围为5~18V。

4.工作原理和过程

当V6>

、V2>

时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，简单SR锁存器Q端值0，放电三极管T导通，输出端输出低电平。

当V6<2Vcc/3、V2<

时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，简单SR锁存器Q端值1，放电三极管T截止，输出端输出高电平。

当V6<

、V2>

时，简单SR锁存器R=1，S=1，锁存器状态不变，电路保持原状态不变。

555定时器组成的单稳态触发器的工作过程是：

没有触发信号时2脚处于高电平（V2>

），如果接通电源后Q=0，T导通，电容通过放电三极管T放电，使VC1=0、Vo保持低电平不变。

如果接通电源后Q=1，放电三极管T就会截止，电源通过电阻R向电容C充电，当VC1上升到

时，由于R=0、S=1，锁存器置0、Vo为低电平。

此时放电三极管T就导通，电容C1放电，Vo保持低电平不变。

因此，电路通电后在没有触发信号时，电路只有一种稳定状态Vo=0。

若触发输入端施加触发信号（<

），电路的输出状态由低电平跳为高电平，电路进入暂稳态，放电三极管T截止。

此后电容C1充电，当C1充电至VC=

时，电路的输出电压Vo有高电平翻转为低电平，同时T导通，于是电容C1放电，电路返回到稳定状态。

主要计算：

如果忽略T的饱和压降，则VC1从零电平上升到

的时间，即为输出电压Vo的脉宽tw

tw=R1C1ln3≈1.1R1C1（2-1）

即延时的时间T=tw。

2.2.2时钟信号的产生电路

555定时器内部的比较器灵敏度很高，而且采用差分电路形式，用555定时器组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。

时钟信号实际是频率为1Hz的脉冲信号，所以采用555定时器组成多谐振荡器，产生产生频率为1Hz的脉冲信号。

555定时器组成的多谐振荡器电路图如图2.5所示。

下面主要介绍555定时器组成的多谐振荡器的原理和工作过程。

接通电源后，电容C1被充电，当VC1上升到

时，使Vo为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C1通过R2和T放电，VC1下降。

当VC1下降到

时，Vo翻转为高电平。

电容器C1放电所需要的时间为

tpL=R2C1ln2≈0.7R2C1（2-2）

当放电结束时，T截止，VCC通过将通过R1、R2电容器C1充电，VC1由

上升到

所需要的时间为

tpH=（R1+R2）C1ln2≈0.7（R1+R2）C1（2-3）

当Vc1上升到2Vcc/3时，电路又翻转为低电平。

如此周而复始，于是，在电路的输出端就是得到一个周期性的矩形波。

其振荡频率为

f=

≈

（2-4）

经过计算当R1=10kΩ，R2=100kΩ，C1=6.8µF时，在电路的输出端就得到一个频率为1Hz的脉冲信号，即产生了时钟信号。

2.2.3声控电路

当楼道有声响时，通过对声音信号拾取和之后把它转化成电信号流入555定时器组成的单稳态触发器的2引脚，使其输出端输出高电平，以触发触发装置，灯点亮。

声控电路结构图如图2.6所示

下面介绍压电陶瓷片。

压电陶瓷片是一种电子发音元件，在两片铜制圆形电极中间放入压电陶瓷介质材料，当在两片电极上面接通交流音频信号时，压电片会根据信号的大小频率发生震动而产生相应的声音来；反之，压电陶瓷片受到机械振动（或压力）时，片上就产生一定数量的电荷Q，从电极上可输出电压信号。

应用原理：

发出声响，使压电陶瓷片振动，当压电陶瓷片受到机械振动（或压力）时，片上就产生一定数量的电荷Q，从电极上可输出电压信号。

采用压电陶瓷片对楼道所发出的声音信号进行拾取并转化成电信号，转化出的电信号很小，但不需要对它进行放大，因为在本设计中正好利用它的低电平。

当555定时器的2引脚接一个小于

的电平时，555定时器输出高电平。

声控电路原理图如图2.7所示。

2.2.4延时显示电路

延时显示电路，对灯点亮后距离延时熄灭的时间进行显示。

根据在延时电路中设定延时的时间，在楼道照明电路工作时数码管点亮并显示距离停止工作的时间，在楼道照明电路停止工作时显示电路也停止工作，数码管熄灭。

如图2.8延时显示电路结构图

⏹1.74LS192集成芯片

74LS192是一种可预置8421BCD码并具有清除等功能的十进制同步加/减可逆计数器，它采用双时钟逻辑结构，加计数和减计数具有各自的时钟通道，计数方向有时钟脉冲进入通道决定。

其引脚排列及逻辑符号如图2.9所示。

Ⅰ.74LS192N计数器的引脚及功能

：

置数端。

UP：

加计数端。

DOWN：

减计数端。

：

非同步进位输出端。

：

为非同步借位输出端。

A、B、C、D：

为计数器输入端。

CLR：

清除端。

QA、QB、QC、QD：

为数据输出端。

其功能表如表2.1所示。

表2.174LS192的功能表

输入

输出

CLR

UP

DOWN

D

C

B

A

QD

QC

QB

QA

1

×

×

×

×

×

×

×

0

0

0

0

0

0

×

×

d

c

b

a

d

c

b

a

0

1

↑

1

×

×

×

×

加计数

0

1

1

↑

×

×

×

×

减计数

Ⅱ.使用方法

在本设计中用到的是74LS192N减计数器的功能。

i.当清除为高电平时不管计数时钟的状态如何，所有计数输出都为低电平。

ii.当置入控制（

）为低电平时，输出将随输入一起变化而与UP和DOWN无关。

iii.计数上溢（为9）并且UP为低电平时，进位输出（

）产生一个低电平脉冲。

当计数下溢（为0）并且DOWN为低电平时，借位输出（

）产生一个低电平。

iv.清零端（CLR）高电平有效，置数控制端（

）低电平有效。

Ⅲ.反馈预置数法构成六十进制计数器

在延时电路中设置延时大时间为六分钟，在灯一点亮，数码管显示六分钟。

秒十位输入端B和C接高电平，A和D接低电平。

秒个位的四个输入端都接到低电平上。

再把它的异步置数端

端和它的借位输出相连，当它要向高为借位时输出端

发出低电平使

有效，此时系统自动将其置为0110即就是6。

由于74S192输出的是8421BCD码，要想驱动七段式数码管还要对BCD码进行转化。

在译码驱动部分采用7段字译码器74LS74。

⏹2.7段字译码器74LS74

Ⅰ.74LS47的原理

7段字型译码器74LS47是由与非门，输入缓冲器和7个与或非门组成，输出低电平有效。

74LS74将4位二进制编码—十进制数（BCD码）转化成7段字型码，然后去驱动一个7段显示器。

在正常操作时，当输入DCBA=0010是，则输出abcdefg=0010010，故使显示器显示“2”。

当输入DCBA=0110是，则输出abcdefg=1100000，显示器显示“6”。

74LS47N功能表如表2.2所示。

Ⅱ.引脚功能

74LS47N七段显示译码器逻辑符号如图2.10所示。

A~D：

输入端

OA~OG（

~

）：

输出端，低电平有效。

：

灯测试输入端，当

=0时，无论其他输入端时什么状态，所有各端输出OA~OG均为1，显示字形8。

该输入端常用于检查译码器本身及显示器个段的好坏。

表2.274LS47功能表

十进制数

输入

输出

字形

D

C

B

A

/

0

H

H

L

L

L

L

H

L

L

L

L

L

L

H

0

1

H

×

L

L

L

H

H

H

L

L

H

H

H

H

1

2

H

×

L

L

H

L

H

L

L

H

L

L

H

L

2

3

H

×

L

L

L

L

H

L

L

L

L

H

H

L

3

4

H

×

L

H

L

L

H

H

L

L

H

H

L

L

4

5

H

×

L

H

L

H

H

L

H

L

L

H

L

L

5

6

H

×

L

H

H

L

H

H

H

L

L

L

L

L

6

7

H

×

L

H

H

H

H

L

L

L

H

H

H

H

7

8

H

×

H

L

L

L

H

L

L

L

L

L

L

L

8

9

H

×

H

L

L

H

H

L

L

L

H

H

L

L

9

BL：

灭灯输入端，当BL=0，并且LT=1时，无论其他输入端是什么电平，所有各段输出OA~OG均为0，所以字形熄灭。

该输入端用于将不必要显示的零熄灭。

：

动态灭零输入端，当

=1，

=0时，如果DCBA=0000时a~g段均熄灭。

：

动态灭零输出端，它与灭灯输入BI共用一个引出端，当在动态灭零时输出才为0，可用于熄灭多位数字前后所不需要显示的零。

显示器采用七段数码管显示。

⏹3.数码管

Ⅰ.7段数码管的结构和原理

7段数码管一般由8个发光二极管组成，其中由7个细长的发光二极管组成数字显示，另外一个圆形的发光二极管显示小数点。

当发光二极管导通时，相应的一个点或一笔画发光，控制相应的二极管导通，就能显示出各种字符，尽管显示的字符形状有些失真，能显示的字符有限，但其控制简单，使用也方便。

发光二极管的阳极连在一起称为共阳极数码管，发光二极管的阳极连在一起称为共阴极数码管。

结构如图2.11所示。

Ⅱ.7段数码管的显示

发光二极管时一种有磷化镓等半导体材料制成的，能直接将电能转变成光能的发光器件。

当其内部有电流通过时，它就会发光。

7段数码管每段的驱动电流和其他单个发光二极管一样，一般为5~10mA，正向电压随发光材料不同表现为1.8~2.5V不等。

静态显示：

当显示某一字符时，相应段发光二极管恒定地寻能可截止。

动态显示：

就是一位一位地轮流点亮各位显示器，对于显示器的每一为而言，每隔一段时间点亮一次，显然在同时刻只有一位显示器在工作，单利用人眼的视觉残留效应和发光二极管熄灭时的余晖效应，看到的是多个字符“同时”显示。

显示的亮度与点亮时导通电流和点亮时间和间隔时间的比例有关。

由于74LS47N输出低电平有效，所以在本次设计中采用共阳极数码管。

延时显示电路的原理图如图2.12所示。

2.2.5直流稳压电路

⏹

1.整流电桥

所谓桥式整流电路，就是用二极管组成一个整流电桥,如图2.13所示。

当输入电压处于交流电压正半周时，二极管D1、负载电阻RL、D3构成一个回路，输出电压Vo=vi-VD1-VD3。

输入电压处于交流电压负半周时，二极管D2、负载电阻RL、D4构成一个回路，输出电压Vo=vi-VD2-VD4。

图中滤波电容的工作状态。

由上述分析可知，二极管桥式整流电路输出的也是一个方向不变的脉动电压，但脉动频率是半波整流的一倍，可以得到桥式整流输出电压有效值Vorsm=0.9Ursm。

通过上述分析，可以得到桥式整流电路的基本特点如下：

（1）桥式整流输出的是一个直流脉动电压。

（2）桥式整流电路的交流利用率为100%。

（3）电容输出桥式整流电路，二极管承担的最大反向电压为2倍的交流峰值电压（电容输出时电压叠加）。

（4）桥式整流电路二极管的负载电流仅为半波整流的一半。

（5）实际电路中，桥式整流电路中二极管和电容的选择必须满足负载对电流的要求。

在本设计中整流电桥和220V的交流直接相连,所以整流桥中的二极管选用1N4007,1N4007的具体参数如下:

（1）最大可重复峰值反向电压VRRM：

1000V

（2）最大反向峰值电流IR（AV）：

30μA

（3）最大直流正向平均整流电流IF（AV）：

1.0A

（4）正常工作的温度范围：

﹣60℃--175℃

⏹2.LM7805

LM7805是三端正电源稳压电路,它的封装形式为T0-220。

它内部有电流限制，以及过热保护和安全工作区的保护，使它基本不会损坏。

LM7805的电参数如表2.3所示。

内部结构电路如图2.14所示。

表2.3LM7805电参数

参数

符号

条件

最小值

典型值

最大值

单位

输出电压

VO

TJ=25℃

4.8

5.0

5.2

V

5.0mA

4.75

5.00

5.25

V

线性调整频率

Regline

TJ=25℃VO=7Vto12v

-

4.0

100

mV

TJ=25℃VO=8Vto25v

-

1.6

500

mV

负载调整频率

Regload

TJ=25℃IO=5.0mAto1.5A

-

9

100

mV

TJ=25℃IO=250mAto750mA

-

4

50

mV

静态电流

IQ

TJ=25℃

-

5.0

8.0

mA

静态电流变化率

△IQ

IO=5.0mAto1.0A

-

0.03

0.5

mA

VI=7Vto25V

-

0.3

1.3

mA

输出电流温漂

△VO/△T

IO=5mA

-

-0.8

-

mV/℃

输出噪音电压

VN

f=10Hzto100Hz,TA=25℃

-

42

-

μV/VO

纹波抑制比

RR

F=120Hz,VO=8Vto18V

62

73

-

dB

输入输出电压差

VDrop

IO=1A,TJ=25℃

-

2

-

V

输出阻抗

RO

F=1Hz

-

15

-

mΩ

短路电流

ISC

VI=35V,TA=25℃

-

230

-

mA

峰值电流

IPK

TJ=25℃

-

2.2

-

A

LM7805的工作最小输入电压为35V，所以在整流桥前没有进行降压。

交流电经过整流后流入LM7805中，之后输出稳定的5V直流电压。

在本设计中为了整流电路能输出更稳定的直流电，在LM7805的两端各接了一个极性电容。

整体滤波整流电路原理图如图2.15所示。

图中，C1用来改善纹波和抑制过电压，C2用来改善负载瞬态响应。

第三章延时开关电路仿真与分析

Multisim本是加拿大图像交互技术公司（InteractiveImageTechnoligics简称IIT公司）推出的以Windows为基础的仿真工具，被美国NI公司收购后，更名为NIMultisim，而V10.0是其（即NI，NationalInstruments）最新推出的Multisim最新版本。

NIMultisim10用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。

NIMultisim10是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。

NIMultisim10具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。

3.1延时电路仿真

由于Multisim10.0库里没有光电耦合器MOC3021，所以延时电路用Multisim10.0和Protues7.8进行了仿真。

在应用中要延时6分钟，由于方便看波形，在Multisim仿真中把R1的电阻改小了，延时的时间也变短。

仿真图如图3.1.1和图3.1.2所示，定时器输出端的电压和电容C1的电压波形图如图3.2所示。

图3.2中，前面只有一种波形的那段是当开关断开时电容C1的电压波形,表现出电容器C1的放电过程。

当闭合时，输出约为5V的电压，灯点亮并伴随着有电容器C1充电，电容器C1充到

V时输出端电压变为0，灯熄灭。

3.2时钟信号产生电路仿真

经过计算和仿真分析，当R1=10kΩ，R2=100kΩ，C1=6.8μF时，电路输出频率约为1Hz的矩形波。

时钟信号产生电路仿真图如图3.3所示，输出频率为1Hz的脉冲信号波形图如图3.4所示。

3.3声控电路仿真

用函数信号发生器和一个开关来代替压电陶瓷片和声音信号。

声控电路仿真图如图3.5所示。

经过仿真分析，当图3.5中的隔直电容C3过大时，不能达到声控延时的目的。

当C3的值过大时，用示波器测出的波形如图3.6所示。

当减少C3的值后，用示波器测出的波形如图3.7所示。

3.4延时显示电路仿真

74LS47N对74LS192N输出的8421BCD码进行编译，输出7段字型码，驱动7段字数码管。

在仿真中用5V/1Hz的脉冲源充当时钟信号