楼道触摸延时开关设计

课程设计任务书

2014—2015学年第二学期

专业：电子信息工程学号：130XXXX013 姓名：汪XX

课程设计名称：电子技术课程设计

设计题目：楼道触摸延时开关设计

完成期限：自2015 年 6 月15 日至2015 年 6 月28 日共 2 周

设计依据、要求及主要内容（可另加附页）：

一、设计依据

楼道触摸延时开关是一种简单、安全、新型的电子节能开关。可广范应用于住宅小区和办公楼室外的走廊、门厅、楼梯间、过道等公共场所，也可以在家庭安装。需要开灯时，手指触摸开关感应区，电灯自动点亮，延时约一分钟，电灯自动熄灭，该操作简单，实用节能，又没有声控开关有声音就亮的弊端。本次设计利用已学的模拟电路与数字电路知识，以直流稳压电源电路、NE555单稳态电路和继电器控制电路为核心设计触摸延时开关。要求学生对电路原理、器件选择、线路连接有较深入地分析探讨，并解决在设计过程中出现的各种问题，最终正确无误的给出电路分析设计过程及仿真结果，并写出合格的课程设计报告。

二、要求及主要内容

1、要求制作的楼道触摸延时开关电路简单可靠、使用方便。

2、设计直流稳压电源电路。

3、设计延时电路。

4、设计控制电路。

5、正确无误地完成硬件电路设计，画出电路原理图，给出仿真结果。

三、途径和方法

应用模拟电子技术、数字电子技术实现楼道触摸延时开关电路设计，并用protel软件绘制电路原理图，并分析其工作原理，最后对电路进行仿真，并对仿真结果进行分析。如果有条件则可以完成实物制作或在实验室演示。

四、时间安排

课题讲解：2小时

阅读资料：10小时

撰写设计说明书：12小时

修订设计说明书：6小时

五、主要参考资料

[1]孙丽霞.数字电子技术[M].北京：高等教育出版社,2006:174-196.

[2]杨素行.模拟电子技术基础简明教程[M].北京：高等教育出版社,2007:40-92.

[3]高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程-基本技能训练与单元电路设计[M].北京：电子工业出版社,2007:24-57.

[4]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京：电子工业出版社, 2005.1:43-66.

[5]彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京：高等教育出版社,2002.12:37-228.

[6]陈永甫.新编555集成电路应用800例[M].北京：电子工业出版,2000:80-130.

[7]高吉样.电子技术基础实验与课程设计. 北京：电子工业出版社，2004.

[8]王慧玲.电工电子实验与实训. 北京：机械工业出版杜，2003.

指导教师（签字）：教研室主任（签字）：

批准日期：年月日

楼道触摸延时开关设计

摘要

楼道触摸延时开关是一种简单、安全、新型的电子节能开关。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。本次设计利用模拟电路与数字电路，以直流稳压电源电路、NE555单稳态电路、和继电器控制电路为核心设计触摸延时开关。需要开灯时，手指触摸开关感应区，电灯自动点亮，延时约一分钟，电灯自动熄灭。设计表明这种开关制作简单，安全节能。

关键词：单稳态电路，继电器，NE555，定时器，触摸延时开关

目录

1 绪论 (1)

2 电路设计原理 (1)

2.1 触摸式延时开关工作原理框图 (1)

2.2 电源电路设计 (2)

2.3 延时电路设计 (4)

2.4 控制电路设计 (6)

2.5 总电路设计 (6)

3 电路仿真 (7)

4 实物制作及调试 (10)

总结 (13)

致谢 (14)

参考文献 (15)

1 绪 论

随着市场经济的发展，人们对开关的要求越来越高，开关的种类也因此越来越齐全。 声控开关、机械开关、光控开关等品种逐步进入生活中。但由于机械开关属于有触点开关元件,它有接触不良、故障率高、使用不便等缺点，且摩擦较大容易损坏；声控开关严重浪费了电力资源，干扰了环境安宁；光控开关是采用光线的强弱来实现对用电器电源自动控制的电子开关，它对光线强弱的要求苛刻。针对以上开关的各种缺点，促使我们寻求更为理想的开关电器设备替代元件，方便人们生活。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。主要由 NE555定时器，直流稳压电路和继电器控制电路组成。具备以下功能特点：节约电能，无触点，无污染，安全可靠。本设计为人体触摸感应开关，用手触开关的感应区电灯即亮，约经1分钟时间自动关灯。

本设计主要内容：1.直流稳压电源经过整流、滤波、稳压为NE555 提供工作电源。 2.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。3.由继电器组成的控制电路通过继电器的通、断来实现对楼道电灯的控制。

2 电路的设计

2.1 触摸式延时开关工作原理框图 +U1 -

图1 触摸延时开关工作原理框图

电源变

压器

整流 电路 滤波电路

稳压电路

NE555单稳态电路

继电器

控制电路

楼道电灯 22V 交流电压

触发端

为了人体安全，先用变压器将家用220V 交流电降压成12V 的交流电压，再经过整流和滤波电路得到一个12V 的直流电压，再经过L7805稳压得到恒定的5V 直流电压，为NE555提供工作电压。当需要开灯时，用手触碰一下感应区，经过三极管放大，触发信号电压加至NE555的触发端，使555的输出由低变成高电平，继电器KS 吸合，220V 交流电形成回路，电灯点亮。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的输出端由高电平变回到低电平，继电器释放，220V 交流电形成的回路断开，电灯熄灭。 2.2 电源电路设计

稳压电源先经过变压器降压，在经过整流、滤波和稳压电路输出稳定的5V 电压。下图2为电源设计框图，如图3为电源设计电路图。其输出电压如图4仿真电路电压表所示。

图2 电源设计框图

图3 电源设计电路图

图4 电压输出显示

2.2.1 变压器部分参数介绍

变压

稳压

整流

滤波

负载

a ）电压比

初、次级电压和线圈圈数具有以下关系，即:

K N

N U

U ==

1

21

2

(1)

b ）效率

在额定功率时，变压器的输出功率和输入功率的比值称为变压器的效率，即:

%1001

2

?=P

P η

(2)

变压器的效率与变压器的功率等级有密切关系，通常功率越大，损耗就越小，率率也就越高；反之，功率越小，效率也就越低。

c ）额定电压

指在变压器的初级线圈上所允许施加的电压，正常工作时，变压器初级绕组上施加的电压不得大于规定值。

d ）额定功率

额定功率是指变压器在规定的频率和电压下能长期工作，而不超过规定温升时次级输出的功率。

e ）调整率

变压器的调整率=（空载电压-满载电压）/满载电压。一般10W 以下变压器的调整率在20%以上，要想在使用中降低变压器的调整率，只有选大一些的功率变压器，如3W 的变压器的调整率为28%，使用功率为1.5W 。 2.2.2 整流、滤波电路介绍

桥式整流电路的作用是利用单向导电性的整流元件二极管，将正负交替的正弦交流电压整流成为单向脉动电压。但是，这种单向电压往往包含着很大的脉动成分，距离理想的直流电压还差得很远。所有需要经过电容滤波其中C1=1000 μF ； C2=0.1uf 。

图5 整流、滤波电路

稳压电路介绍

7805是三端稳压IC内部电路具有过压保护、过流保护、过热保护功能，这使它的性能很稳定。能够实现1A以上的输出电流。器件具有良好的温度系数，因此产品的应用范围很广泛。可以运用本地调节来消除噪声影响，解决了与单点调节相关的分散问题，输出电压误差精度分为±3%和±5%。图6为稳压电路，其中C8=10uf，C3=100uf，他们的作用是为了让输出的电流更稳定，排除杂波的干扰。

图6 稳压电路

2.3 延时电路设计

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。

图7为555芯片内部结构图，555集成定时器是一种数字、模拟混合型的中规模集成器件，应用十分广泛，可做各种仪器、仪表、自动化装置 各种民用电器的定时器、 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。

321D

C

B

A

5K 5K

5K

+

-

T

Q

&

&

Q

+

-

A

A S

R

V 1

V 21

D

Q

V TH

TL

V R CC

V SS

1

2

8

4

5

6

3

7

1

2

C

D

图7 555芯片内部结构图

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C4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C7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1R 给C4充电，这就是定时的开始。

当电容1C 上电压上升至电源电压的2/3时，555第7脚导通使C4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

1R 、1C 决定：

1T =1.141C R

根据设计需要延时一分钟1T =60s ，设C4=100μF ，则

1R =

41.11

C T =00001

.01.160 S ≈550KΩ 如图8，为延时电路设计原理图：

图8 延时电路原理图

2.4 控制电路设计

控制电路主要有继电器构成，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。

继电器由NE555三脚输出电压决定，由于NE555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1N4007即可。如图9，为继电器控制电路原理。当OUT 输出为高电平时继电器吸合导通，电路连通，灯泡发光。

图9 控制电路原理图

2.5 总电路设计

本电路有上述电源模块，延时模块，控制电路模块等组合而成，总电路图设计如图10。

图10 总电路原理图

3 电路仿真

根据设计的总电路图在仿真软件上搭建电路进行仿真，本人运用multisim 13软件仿真，下面是仿真电路结果显示。

图11 电路仿真原理图

图12 555计时器输出端为低电平时的波形

按设计方案连接仿真电路，如图11，当开关未闭合时，555继电器输出端为低电平，如图12，继电器保持断开状态，灯泡保持熄灭。

图13 开关闭合时灯泡点亮

当开关闭合时，如图13，将5V电压加在NE555芯片的触发端，使输出端信号有低电平变为高电平，如图14，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。

图14 开关按下后555计时器输出端由低电平变为高电平

图15 开关断开延时一段时间后输出的跳变为低电平当开关断开后555计时器输出端保持高电平输出延时一段时间后555的输出端由高电平变为低电平，如图15，继电器释放，120V交流电形成的回路断开，电灯熄灭。达到预定设计目的。下图16为NE555输出端延时一分钟高电平时的仿真图像：

图16 NE555输出端高电平刚好一分钟

4 制作实物及调试

搭建电路确保电路无虚焊，短接，断路等问题，图17为本人搭建的电路安装完成后，加电调试，查看NE555输出的波形频率是否合理，若不合理进行修改延时电路中C4或R1的值。

图17 搭建电路

电源模块调试：加入8V左右的交流电压，由于实验室没有交流电压源，所以用8V的直流稳压电源代替，测输出端电压如图18，测出输出电压为5.02V，达到预期效果，即电源部分没有问题。

图18 测试电源模块

延时电路及控制电路调试：连接好电路，当NE555触发端没有电流通过时，其输出端输出为低电平，如图19 万用表显示。当触发端有瞬间电流通过时，NE555 输出端输出为高电平，如图20所示，继电器吸合LED灯发光。

图19 无触发电流时

图20 触发端加瞬间电流时调试结果

经过一分钟后NE555 输出端电压自动跳变成低电平，继电器自动断开，LED 灯熄灭（为了安全期间运用5V直流电压代替22V交流电压，用LED灯代替白炽灯）。即达到了预期设计效果。

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、断来实现对楼道电灯的控制。在本设计当中，我们的动手能力得到了提高，对做事情的耐心程度也得到了提高，同时我们在实践中学习，把我们的知识掌握的更加牢固，也为以后找工作奠定了扎实的基础。

、

致谢

经过本次课程设计，从理论到实践，可以说：各位老师对我的帮助都很大，教我学用理论解决实际问题，在实践中学习，老师严谨求实的治学态度，踏实坚韧的工作精神，将使我终生受益，在这里谨向各位老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

同时也感谢团队的小伙伴们，如果没有他们，我将很难做出来这个课程设计。感谢同窗小伙伴吴聪明经常给我买饭，让我投入更多的时间学习，查阅资料，以完成本次的课程设计；感谢同桌小伙伴邹霖教我AD，让我的绘图技术达到新的高度，感谢学霸沈英辉带我飞，让我学到了更多的知识。为以后考研做准备。

一个人的成长绝不是一件孤立的事，没有别人的帮助与支持很难办到。我感谢可以有这次机会，让我对给予我帮助的老师、同学和家人说声“谢谢！”今后我

会继续努力，好好学习，让实践和学习相结合。

参考文献

[1]杨素行.模拟电子技术基础简明教程[M].北京：高等教育出版社,2007.

[2]李瀚荪.电路分析基础[第四版].北京：高等教育出版社，2012.

[3]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京：电子工业出版社, 2005.

[4]陈永甫.新编555集成电路应用800例[M].北京：电子工业出版,2000:80-130.

[5]高吉样.电子技术基础实验与课程设计. 北京：电子工业出版社，2004.

[6]邱关源.电路（第五版）.北京：高等教育出版社，2006.

[7]吴显鼎.模拟电子技术.北京：南开大学出版社，2013.

[8]孙丽霞.数字电子技术[M] .北京：高等教育出版社,2006:174-196.

[9]John T.Tengdin.Development of an IEEE Standard for Integrated Substation Automation Communication.2000.