声光双控照明延时电路

1、 / 37 文档可自由编辑打印摘摘 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；延时电路文档可自由编辑打印II / 37 文档可自由编辑打印 目目 录录摘要摘要.1第第 1 1 章章 绪论绪论.1

2、 11.1 课题研究背景及意义 .11.2 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 32.1 设计要求 .32.2 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 93.1 电源设计 .93.1.1 电源结构设计.93.1.2 结构原理说明 .93.2 声控部分电路设计 .103.2.1 驻极体话筒.113.2.2 声控部分电路工作原理及电路图.123.3 光控部分电路的设计 .133.3.1 光敏三极管简介.133.3.2 光敏三极管功能.143.3.3 光控原理.163.4 延时处理部分电路的设计 .17

3、3.4.1 555 定时器.183.4.2 延时电路图及控制原理.213.5 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 54.1 PROTEL 99 SE 简介 .254.1.1 原理图设计.254.2 PCB 的生成.254.2.7 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.31310 / 37 文档可自由编辑打印第一章第一章 绪论绪论1.1 课题研究背景及意义课题研究背景及意义 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，这造成了能源的极大浪

4、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。白天光照好，不管过路者发出多大声

5、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1.2.11.2.1 研究目标研究目标 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。1.2.21.2.2 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高，既增大了维修量、浪费了

6、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，通过对环境声光信号的检测与处理，完成对白炽灯的

7、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1 / 37 文档可自由编辑打印第 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。2 / 37 文档可自由编辑打印第二章第二章 总体电路设计及其原理说明总体电路设计及其原理说明2.1 设计要求设计要求2.1.12

8、.1.1 总体要求总体要求 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

9、案如图 2.1.1 所示：3 / 37 文档可自由编辑打印 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4 / 37 文档可自由编辑打印2.1.22.1.2 声控电路声控电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

10、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。2.1.32.1.3 光控电路光控电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

11、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

12、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。 2.1.42.1.4 延时电路延时电路 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。 5 / 37 文档可自由编辑打印延时电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

13、，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。2.22.2 总体电路设计总体电路设计2.2.12.2.1 原理框图原理框图 图 2.2.1 原理框图 2.2.22.2.2 电路设计电路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

14、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 声源声电转 换光源放大处理延时执行机构 电源（连接各个 功能电路）6 / 37 文档可自由编辑打印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

15、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，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。7 / 37 文档可自由编辑打印8 / 37 文档可自由编辑打印第三章第三章 单元电路设计

16、与分析单元电路设计与分析3.1 电源设计电源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。3.1.13.1.1 电源结构设计电源结构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、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3.1.23.1.2 结构原理说明结构原理说明因为 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

17、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.

18、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9 / 37 文档可自由编辑打印图 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，

19、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。3.23.2 声控部分电路设计声控部分电路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。3.2.13.2.1 驻极体话筒驻极体话筒 （1）驻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10 / 37 文档可自由编辑打印的电容结构。当

20、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

21、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。11 / 37 文

22、档可自由编辑打印图 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，

23、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3.2.23.2.2 声控部分电路工作原理及电路图声控部分电路工作原理及电路图白天，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，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。12 / 37 文档可自由编辑打印图 3.2.2 声控电路原理图3.33.3 光控部分电路的设计光控部分电路的设计3.3.13.3.1 光敏三极管简介光敏三极管简介以接受光的信号而将

24、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

25、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，13 / 37 文档可自由编辑打印排列方式有 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

26、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

27、合使用作为信号接收装置。 3.3.23.3.2 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

28、大率三者之积。 图 3.3.2.1 达林顿三极管 14 / 37 文档可自由编辑打印（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。

29、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

30、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：15 / 37 文档可自由编辑打印 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 Id 较小,光电流 Ic 较大的 3DU513.3.33.3.3 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

31、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 mWmWI=ICEDU=UCECEM100

32、0IXU=10VCE峰峰值值响响应应波波长长 m m3DU1170103DU1250303DU13100500.30.513DU131001000.20.513DU2130103DU2250303DU23100500.3123DU3170103DU3250303DU33100500.323DU5130100.20.50.8816 / 37 文档可自由编辑打印图 3.3.3 光控电路原理图3.43.4 延时处理部分电路的设计延时处理部分电路的设计以 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

33、配合另外的一个触发电路来达到延时控制，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。3.4.13.4.1 555555 定时器定时器555 定时器是一种将数字功

34、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17 / 37 文档可自由编辑打印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，

35、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 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

36、 /3，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18 / 37 文档可自由编辑打印各种 555 定时器的电路结构大同小异，它由比较器 C 和

37、 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 VCC；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OOV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，DR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11l2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，分2l别与比较器所设置的参考电压进行比较便于控

38、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1R32CC2R31CC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 。1Rco2R21cocoR（2）芯片功能 若=0，不管其它输入如何输出端都为低电平。DR 若=1，当 V ()V且 V(V)时，比较器 C 输出为 0，C 输DR1l32CC2L31CC12出为 1，即 V=0，V=1，基本 RS 触发器状态 Q 置成 0，输出 V 为

39、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DR1l32CC2L31CC120，即 V=V=0，基本 RS 触发器状态 Q=1，输出低 Q 端为高电平，V 也输1C2CQO出为高电平，同时放电管 T 截止，放电端没有放电回路。1OV 若=1，当 V ()V且 V(V)时, 比较器 C 输出为 1，C 输DR1l32CC2L31CC12出为 0，即 V=1，V=0，基本 RS 触发器状态 Q 置成高电平，V 也输出为高电1C2CO平，同时放电管 T 截止，放电端没有放电回路。1OV若=1，当 V (V)时，比较器 C 、C 输出都为

40、1, DR1l32CC2L31CC12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。1C2CO19 / 37 文档可自由编辑打印 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1DRV1lV2LV1CV2C触发器输出 Q1n输出VOT 状态100低电平导通1()V32CC(V)31CC010低电平导通1()V32CC(V)31CC001高电平截止1()V32CC(V)31CC100高电平截止1()V32CC(V)31CC11Q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

41、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。F6 端和 2 端处的输入信号为 VI当 V V时，V=1，V=0，Q=1，故 v =V；I31CC1C2COOH当V V V以后，V=0，Q=0，故 v =V；因此 V=V。I32CC1COOLT32CC其次，再看 V 从高于V开始下降的过程：I32CC当V V V时，V=V=1，v =V保持不变；31CCI32CC1C2COOL当 V V以后，V=1，V=0，Q=1，故 v =V；因此 V=VI31CC1C2COOHT31CC 由此得到电路回差电压

42、为20 / 37 文档可自由编辑打印V = V- V=VTTT31CC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=COTCOTV，V =V。通过改变 V值可以调节回差电压的大小。21COT21COCO3.4.23.4.2 延时电路图及控制原理延时电路图及控制原理 （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

43、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、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。2

44、1 / 37 文档可自由编辑打印图 3.4.2 延时电路原理图3.53.5 参数计算参数计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）

45、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。22 / 37 文档可自由编辑打印（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。 23 / 37 文档可自由编辑打印24 / 37 文档可自由编辑打印第四章第四章 电路图绘制与电路图绘制与 PCBPCB 图制作图制作4.1ProtelProtel 9999

46、SESE 简介简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（Electronic Ddsign Automation）电路集成设计系统。4.1.14.1.1 原理图设计原理图设计 （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

47、，再通过ERC 检测，有错误改正，没有就可以生成网络表了。4.24.2 PCBPCB的生成的生成 4.2.14.2.1 PCBPCB 板框设计板框设计 (1) 物理板框的设计一定要注意尺寸精确，避免安装出现麻烦，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

48、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。4.2.24.2.2 PCBPCB 板布局设计板布局设计 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。 4.2.3PCB4.2.3PCB 板布线设计板布线设计 (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。25 / 37 文档可自由编辑

49、打印 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。数据表明，一个过孔带来约0.5pF 的分布电容，减少

50、过孔数量能显著提高速度。 同类的地址线或数据线，走线的长度差异不要太大，否则短的线要人为弯曲加长走线，补偿长度的差异。4.2.44.2.4 地线设计地线设计 （1）对模拟电路来说，地线的处理相当重要。 （2） 对数字电路来说，由于时钟频率高，布线及元件间的电感效应明显，地线阻抗随着频率的上升而变得很大，产生射频电流，电磁干扰问题突出。 （3）充分利用表面粘贴式元件（贴片元件） ，少用直插式元件。 （4）数字电路的地和模拟电路的地要分开处理。 （5）正确运用单点接地和多点接地。在低频电路中，信号的工作频率小于1MHZ ，它的布线和元器件间的连线电感影响较少，而接地电路的形成的地环流对干扰影响较大

51、，因而应采用一点接地。 （6）尽量加粗接地线。尤其模拟地线应尽量加大引出端的接地面积。4.2.54.2.5 铺铜设计铺铜设计 （1）为了提高系统的可靠性，大面积铺地是必须的，而且是行之有效的。特别是微弱信号处理的电路 （2） PCB 板上应尽可能多的保留铜箔做铺地。这样得到的传输线特性和屏蔽效果，比一条长长的地线要好。 （3）大面积铺铜通常有 2 种作用：一是散热，二是提高抗干扰能力。 （4）在铺设大面积的铜皮时，建议将其设置成网状。 （5）大面积铺铜距离板边缘至少保证 0.3mm 以上。因为在切割外形时，如果切到铜箔上，就容易造成铜箔翘起产生尖刺或引发焊剂脱落。4.2.6PCB4.2.6PC

52、B 最终生成最终生成 （1）设置：在这一步主要是设置板层、字体和尺寸。 （2）Load netlist：在这一步也就是改错，进入 Footprint not int 将元器件导入PCB，要是之前作的步骤没有错误，就可以直接导入了，要是有错，系统就会检测出那一块出了问题方便改错，改错完之后应重新生成网络表。26 / 37 文档可自由编辑打印 4.2.74.2.7 原理图与原理图与 PCBPCB 图图 图 4.2.7.1 总原理图27 / 37 文档可自由编辑打印图 4.2.7.2 PCB 图28 / 37 文档可自由编辑打印第五章第五章 总结与展望总结与展望总结总结与展望与展望本次的声光控制开关的设计实践将我们学到的知识应用到了实践，深化了对数字电路设计