触摸延时关闭开关

太原科技大学电子信息工程学院数字电子技术课程设计论文电子技术课程设计 －－触摸延时关闭开关学 院： 电子信息工程学院专业班级： 自动化081502 姓 名： 王林峰 学 号： 200815040216 指导老师： 李小松 2010年12月目 录设计任务与要求………………………………………………………2总体框图………………………………………………………………2器件选择………………………………………………………………3功能模块………………………………………………………………8总体设计电路图………………………………………………………12心得体会 ……………………………………………………………14摘 要[摘要] 延时开关的电路很多，通过各种不同手段得到相同结果，而且有专门的可编程彩灯集成电路绝大多数的延时开关电路都是用数字电路来实现的，例如，用集成电路实现的延时开关主要用555定时器等集成本次设计的延时开关就是用555记时器和计数器来实现，其特点是利用单稳态电路中RC的值控制延时开关闭合时间。

一、 设计任务与要求1、设计一个触摸延时关闭开关，要求如下：按第一次时灯亮，第二次按时灯延时十秒熄灭2、要求完成的任务：(1) 画出总体框图，并说明每一模块的功能、设计思路 (2) 器件尽量选择通用常规器件，给出器件的逻辑图、逻辑符号、逻辑功能表、内部原理图，并具体说明器件的逻辑功能3) 每个模块要分别打印出电路原理图，并详细说明每一模块的逻辑功能、每一器件的逻辑功能、器件之间的连接关系并给出Multisim的仿真结果，验证模块设计的正确性然后在模拟、数字实验箱（或面包板）上验证所设计模块的功能4) 总体电路原理图，适当说明电路的整体工作情况，模块之间的连接关系，并给出Multisim的仿真结果，验证整个电路设计的正确性然后再模拟、数字实验箱（或面包板）上验证所设计电路的功能二、总体框图电源电路触发电路计时电路负载 图1总体框图1、电路设计基本原理单稳态触发器具有稳态和暂稳态两个不同的工作状态在外界触发脉冲作用下，它能从稳态跳变到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，在自动返回稳态；暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。

由于单稳态触发器具有这些特点，常用来产生具有固定宽度的脉冲信号三、器件选择1、器件选择如表1所示表1 器件选择器件名称Multisim仿真系统中代号数量备注计数器74LS1921可预置数同步十进制双时钟加减计数器 与非门 74LS00 1 2输入 非门 74LS04 1 2输入 或门 74LS32 1 2输入 555定时器 555＿VIRTUAL 1 8输入继电器VOLTAGE_CONTROLLED_SWITCH1电灯LAMP1电源 VCC 15V 电源 AC POWER 1120V2、器件介绍(1) 555定时器555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件一般用双极性工艺制作的称为 555555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V~16V 工作555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现本设计所需的单稳态触发器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图三是555定时器内部组成框图。

它主要由两个高精度电压比较器A1、A2，一个RS触发器，一个放电三极管和三个5KΩ电阻的分压器而构成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5V3脚：输出端Vo2脚：低触发端6脚：TH高触发端4脚：是直接清零端当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、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 图2 555定时器逻辑符号 图3 555定时器管脚图 图 图4 555定时器内部原理图在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2示表2 555定时器逻辑功能表清零端高触发端TH低触发端Qn+1放电管T功能00导通直接清零10导通置011截止置11Qn不变保持(2) 继电器继电器是一种电子控制器件，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），通常应用于自动控制电路中，它实际上是一种“自动开关”。

在设计中起着转换电路的作用图5和图6分别为继电器内部结构和逻辑符号 图5 继电器内部结构 图6 继电器逻辑符号继电器主要产品技术参数 a、 额定工作电压 是指继电器正常工作时线圈所需要的电压根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压 b 、直流电阻 是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万用表测量 c、 吸合电流 是指继电器能够产生吸合动作的最小电流在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁 d、 释放电流 是指继电器产生释放动作的最大电流当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态这时的电流远远小于吸合电流 e、触点切换电压和电流 是指继电器允许加载的电压和电流它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点 (3) 74LS192计数器74LS192计数器是为可预置数的同步十进制双时钟加减计数器，它具有上升沿有效的加数时钟端up和减时钟down；该时钟具有异步清零端，当清零信号clr为高电平时，实现清零功能，当置数端load为高电平时，实现预置数。

74LS192管脚和逻辑符号如图7和图8所示 图7 74LS192管脚图 图8 74LS192逻辑符号以下为74LS192管脚功能介绍a、CPU为加计数时钟输入端B、CPD为减计数时钟输入端c、PL为预置输入控制端，异步预置d、MR为复位输入端，高电平有效，异步清除e、TCU为进位输出：1001状态后负脉冲输出f、TCD为借位输出：0000状态后负脉冲输出图9为74LS192内部结构图图9 74LS192内部结构图表3 74LS192逻辑功能表CPUCPDMR操作XX00置数110加计数110减计数XXx1清零如表3所示，74LS192可以实现双向计数，而本次设计用到的是74LS192的加计数用开关将CUP端和电源相连，等于输入一个单脉冲，同时将CPD端和LD端接高电平，清零端CR由触发端反馈提供四、功能模块1、计时电路如图10所示，555定时器构成单稳态电路有四种基本接法图10 555定时器构成单稳态电路的四种基本接法图(a)所示电路是典型的单稳模式电路当外加脉冲经C1、R1微分电路加至555的2脚时，负向脉冲(<1/3VDD)使555置位，3脚输出暂稳脉冲宽度td=1．1RC。

图(b)与图(a)类同，但它有两个输出端C通过R至555内部灌电流放电，恢复时间比图(a)要长 图(c)电路的2、6脚接法与图(a)、(b)不同，外加触发应为正向脉冲，幅值应大于号VDD，暂稳脉冲为负向，其宽度td=1．1RC，可同时输出两路 图(d)与图(c)类同，但由于在充电回路中加进了导向二极管D，加快了充电速率，使工作频率大大提高该电路可同时输出两路 如图11所示，本设计中采用第一种接法图11 单稳态电路 图12 工作波形接通电源后，未加负脉冲，，而C充电，上升，当时，电路输出为低电平，放电管T导通，C快速放电，使 = 0这样，在加负脉冲前，为低电平，= 0，这是电路的稳态在t = t0时刻负跳变（端电平小于），而 = 0（TH端电平小于），所以输出翻为高电平，T截止，C充电按指数规律上升t = t1时，负脉冲消失t = t2时上升到（此时TH端电平大于，端电平大于），又自动翻为低电平在这段时间电路处于暂稳态t > t2，T导通，C快速放电，电路又恢复到稳态电路最后输出波形如图12，由分析可得：输出正脉冲宽度 tW = 1.1RC用555定时器构成的单稳态触发器是负脉冲触发的单稳态触发器，其暂稳态维持时间为Tw=lnRC=1.1RC,仅与电路本身的参数R、C有关。

在总体电路电阻、电容的取值下，由公式可得Tw=10×106×1×10-6 =10 s 2、触发电路（1） 触发电路要求555定时器的单稳态触发电路的触发条件是触发端出现一个短暂的低于三分之一Vcc的窄脉冲触发信号而且在本设计中第一次按下开关（我们假设开关为弹起式开关，一次按动为闭合及开起两个动作）的时候不能触发单稳态电路，必须在第二次按动开关时才能触发所以触发电路需要实现两个状态，在第一次按动开关时，在继电器的一端实现一个高电平，并且不触发555计时器组成的单稳态电路在第二次按动开关时，触发单稳态，并达到在继电器一端实现一个只持续十秒的高电平状态2） 触发电路此触发电路由计数器和一系列非门和或门构成，如图13所示它能够实现对整个电路输出电压进行控制，或门U5的直接输出作为555定时器的触发端的输入，并且同时在经过一个非门后作为清零端的信号,计数器 图13 触发电路结构图的最低位作为一个信号输入信号经过或门加在继电器一端3)继电器动作原理 将555组成的单稳态电路的输出和计数器的最低位经过一个或门作为控制继电器动作的信号当第一次按动开关（我们假设开关为弹起式开关，一次按动为闭合及开起两个动作），计数器最低位QA输出1，所以继电器的输入信号为1，继电器闭合，灯亮。

当第二次按动开关时，计数器低位QA输出0，次位QB输出1，计数器单稳态电路被触发，输出1，最终在继电器一端形成高电平，灯依然亮待10s单稳态的高电平过去后，继电器开关断开，灯熄灭符合设计要求4) 瞬时低电平产生原理接下来，解释触发器如何产生一个极短的低电平，用以触发单稳态电路如图14(a)所示，在整个出发电路中，存在如此结构如图所示电路假设上端的输入信号为A，下端的为B，输出为OUT，保持A信号为1，B为1时输出OUT为1，B跳变为0时，OUT依然为1，但因为器件的延迟，会在B跳变的瞬间产生一个：短暂的低电平，如图14(b)所示 图14 低电平产生电路及其输出波形3、由继电器构成的转换电路继电器是一种当输入量（本设计中输入量为电压）达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件继电器的输入信号X从零连续增加达到衔铁开始吸合时的动作值X1,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X1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这里，我们将555定时器的输出和74LS192计数器的最低位输出共同输入一个或门，将或门的输出作为继电器的输入一端如图15所示，通过multisim软件的仿真，继电器的端的电压为如下波形，第一下按动开关，计数器低位产生一个高电平，同时电灯开关在高电平是闭合，灯亮；第二次按时，触发单稳态，计数器低位变为0，也就是意味着继电器高电位由555定时器提供等待单稳态时间过去后，继电器断开，灯熄灭由于软件仿真速度限制，暂时将单稳态时间设定为0.5秒 图15 继电器输入端电压变化五 、 总体设计电路图图16为电路总体设计图，第一次按动开关，计数器低位输出一个高电平，此高电平是继电器动作，开关闭合灯亮；第二次按动开关，计数器最低位变为0，次低位跳变为1，使触发电路触发555定时器构成的单稳态，单稳态的高电平使继电器依然闭合，灯依然发亮但在此过程中，因为器件的延迟，继电器端会存在短暂的闪烁，所以在计数器的最低位连续加入两个非门，用延迟来克服灯闪烁的问题同时触发短路产生的负脉冲在经过一个非门后使清零端作用，将计数器清零，触发电路回到原始状态。

待单稳态时间过去后，继电器开关打开，灯熄灭此过程为一个完整的电路动作过程 图16 总体设计电路图六、心得体会在课程设计的过程中，大部分时间是用来查阅资料，对我们很多人来说这是第一次真正的去做电子设计，这其中的整个过程让我受益匪浅在设计过程中，思路是非常重要的，没有思路就像站在十字路口一样，不知如何时候，无从下手毫无头绪是很正常的，因为课程设计让我们明白，我们在课堂上所做的是学习现存设备和产品的原理，而真正的应用却是与之恰好相反的，课本学的再好也不代表就能设计的好设计是一个需要通过大量的学习，大量的实践不断积累经验，形成自己独到思路的一个过程，我们才刚刚准备上路而我也发现，只有大量的分析各种电路，掌握各种元件的原理和使用，才能开阔自己的思路每个人都有灵光一闪的时候，但真正想要能够保持这种状态，只能通过不断地思考不断地学习当然当我们有了思路开始设计电路之后，会发现故障又开始不断产生，情况也很复杂，有的是一种原因引起的简单故障，有的上多种原因相互作用引起的复杂故障，因此需要掌握故障的一般诊断方法，故障诊断就是以故障现象出发，通过反复测试，分析判断，逐步找出故障的过程对于一个复杂的系统来说，要在大量的元器件和线路中迅速，准确地找出故障是很不容易的事。

这里我们就需要将一个复杂问题拆分成几个简单的问题，来逐步的解决所以我们要学会把系统分成不同功能的电路模块，通过逐一测量找出故障模块，然后再对故障模块内部加以测量找出故障，查找故障，分析故障和排除故障这将会是对我们分析能力的一种考验在这整个课程设计中，我们在不断地复习旧的东西，不断地学习新知识，不断地遇到困难，不断地解决困难，在这个也许让外人看来平凡而普通的事中收获了非同寻常的成长奔跑过才感觉到身体的疲倦，学习了才明白自己的无知一个五岁的孩子无法明白一台电脑有多么复杂，当我们走入“电“这个专业，才能知道它是多么的复杂多么的神奇，我们才真的能开始想象为什么人人工智能机器人为什么离我们那么遥远，才明白把计算机从几间房子大变到笔记本一样小时多么的艰难数字电子给我们展示了两个单调数字01是如何让世界变的五彩缤纷的，就算你不想承认它单调背后的辉煌可是当你思念家人时拿起的手机，当你寂寞孤单时打开的电视，还有工作学习时难以离开的电脑，你知不知道此刻你就正在被这01的世界所包围每个学习这门科学的人儿，也许在第一次捧起这本书的时候你是无法体会到它的美妙，可是现在，看着你自己像一个艺术家一样创作出的艺术品时，你得承认你已经拿到了数字电子世界的邀请。

就像有人说的：科学是一门艺术，它真的是一门会改变所有的人生活的艺术- 16 -。