楼道触摸延时开关基于MULTISIM

电子综合开发实践报告设计课题：楼道触摸延时开关专业班级：电信10级（2）班学生学号：**********学生姓名：***设计时间：2013.1.16信息科学与技术学院2013年1月电子综合设计楼道触摸延时开关一、设计任务与要求1、设计一个楼道触摸延时开关，其功能是当人用手触摸开关时，照明灯点亮，并持续一段时间后自动熄灭。

2、开关的延时时间约1分钟左右。

二、方案设计与论证楼道触摸延时开关的主要难点在于如何实现延时以及人用手触摸开关时候的安全性，延时可通过RC电路和继电器实现，延时时间可通过对RC电路的时间常数进行换算。

对此我想出了两种方案来设计。

原理框图如下所示：图2.1 楼道触摸延时开关原理框图方案一题目的要求是触摸延时，我首先想到的是用555定时器进行延时输出，通过把555定时器设定在手动单稳态触发，即把THR和TRI脚连接到RC串联回路之间再接开关实现，则当开关按下时，触发器由稳态进入暂态，输出为高电平，当开关断开时，由于RC回路的存在，C向R放电，经过时间T=1.1*RC后，才再由暂态变成稳态，若在555的输出端接一个常开继电器，则在有高电平输出时继电器闭合，则可导通楼道电灯开关，当延时一段时间后再打开，即电灯熄灭。

在实际设计时发现LM555定时器的VCC电压不能设置正常，即220V市电通过变压整流滤波稳压之后接在555上电路会出错，而单独使用5V电压源则电路运行正常，由于找不出原因而放弃这种连接方法。

方案二通过大量书籍的查阅，我了解到可以用三个三极管完成对延时电路的实现，即一个放大人手微弱漏电流的三极管T1，直接耦合一个若有第一级三极管放大后的电楼道触摸延时开关流就能工作在饱和状态的三极管T2（饱和状态可以通过设置静态工作点来实现），来使集电极处于低电平，再在下一级三极管T3之间加入RC回路，当T1和T2导通则T3工作，C通过T2的集电极充电，当T1和T2没有人手触摸断开时，T3由于C 的放电而继续工作，我们在T3的集电极接一个继电器，则基本实现了电路的功能。

且该电路的三极管需要的稳压电源为12V，当我把220V市电经变压整流滤波稳压后能够正常工作，解决了方案一的问题。

三、单元电路设计与参数计算本次实验共有三个单元电路，分为直流稳压电源生成电路，三极管放大和RC延时电路，继电器开关电路。

下面分别对这三个电路进行详细的讲解与参数计算。

1、直流稳压电源生成电路该部分是我们很熟悉的电路，一般一个220V交流电要经过变压器变成较小的电压供人们使用，直流稳压电路可通过桥式整流、电容滤波以及稳压二极管的稳定来实现。

具体电路如图3.1.1所示。

图3.1.1 直流稳压电源生成电路T1是一个隔离变压器，使一次侧与二次侧的电气完全绝缘，也使该回路隔离，使得该电路能够安全运行不至于漏电发生安全事故。

经该变压器变压后的电压值通过示波器观察为26V交流电，如图3.1.2所示。

由于我们不希望得到负半周的电压值，我们可以通过一个桥式整流电路实现，该部分由4个二极管组成，当电压为正时希望4点电流流向2,3点电流流入1，当电压为负时希望2点电流流入1,4点电流流入3，我们可以通过二极管来引导电流，从而实现整流，结果如图3.1.3所示。

由于电容两端电压不能发生突变，利用该性质则可以运用电容来实现对整流后的电压进行滤波，结果如图3.1.4所示。

最后通过一个稳压二极管来实现直流稳压的输出，接稳压二极管之前要先接一个限流电阻来防止稳压二极管击穿，我们选择电子综合设计 1N5242B ，该二极管的标称电压V V Z 12=，最大电流mA I ZMAX 30=，最小电流mA I ZMIN 20=，符合我们电路需要提供的电源，稳压后的波形如图3.1.5所示。

图3.1.2 变压 图3.1.3 整流 图3.1.4 滤波 图3.1.5 稳压 对于限流电阻的计算需要套用一个公式LMAXZMIN Z SMIN S LMIN ZMAX Z SMAX I I V V R I I V V +-<<+- 式中V V SMAX 9.24=，V V SMIN 21=,LMIN I 为稳压管最小输出电流设为20mA,LMAX I 为最大输出电流，设为20mA 。

则Ω<<Ω360258S R ，我们取Ω=300S R 。

2、三极管放大和RC 延时电路该电路由三个三极管和一个RC 回路组成，T1完成对人手微弱电流的放大作用，T2工作在饱和状态使集电极处于低电平，这样可以使RC 回路开始充电同时使T3开始工作。

T3为PNP 管，工作在放大状态的条件是E B C V V V <<,若B C V V <或者B E V V <时，则工作在截止状态，当T1、T2截止时，满足B C V V <，T3工作在截止状态，当T1导通，T2工作在饱和状态时，T2的集电极电压为R I V U C CC CE -=，当R 足够大（取ΩM 1，因C I 很小），则0=CE U ,T2工作在饱和状态，此时T3开始工作，触发继电器。

具体电路如图3.2.1所示。

由于人体产生的电流及其微弱，我们需要把输入电阻设一个较大的值（ΩM 1），因为一般人体产生的电流非常小，则把该电阻取较大才能模拟实际。

RC 回路接在T2集电极和T3基极之间，当T2饱和导通时，C1开始通过T2的集楼道触摸延时开关电极电流开始充电，当T2截止时，C1开始放电，放电常数与R3、R4和T3的射极有关。

C1不能过大，不然不能在瞬间充满12V的电荷。

图3.2.1三极管放大和RC延时电路3、继电器开关电路该电路的原理很简单，就是把一个常开继电器接在T3的集电极，当T3导通时继电器闭合，通常继电器需要并联一个二极管，继电器线圈是一个电感性质的东西，电感有一个特性，流经电感线圈的电流不能突变，如果突然切断电感线圈的电流，电感本身就会产生一个很强的电动势，来试图维持电流不变，这个电动势往往非常强，它会击穿试图阻断电流开关，无论是空气开关，还是半导体开关。

如果是空气开关，就会击穿空气，造成不能断电，如果是半导体开关，就会烧毁这个开关。

二极管就是为这个电动势提供一个泄放的通路，由于电动势的方向与电源的方向相反，所以叫做反向电动势，二极管也是反向接入的。

有了它，电动势就不会太高了，保护了开关和其他元器件不至于损坏。

具体电路如图3.3.1所示：图3.3.1继电器开关电路电子综合设计四、总原理图及元器件清单1、总原理图2、元件清单表4.2.1 元件清单元件序号型号主要参数数量备注R1、R3 无1MΩ 2 无R4 无10KΩ 1 可调延时R7 无300Ω 1 取值范围258~360B1 NLT_PQ_4_10 无 1 隔离变压器D2 1B4B42 无 1 桥式整流C1、C2 无100uF 2 实际用电解电容D3 1N5242B VZ=12V 1 稳压二极管T1、T2 2SC1816 无 2 β值大T3 2SA1015 无 1 PNP管K1 EDR201A12 无 1 常开触点楼道触摸延时开关五、性能测试与分析（1）当按键按下时，T1放大，T2工作在饱和状态，T2集电极变为低电平，T3开始工作，C1开始充电。

仿真如图5.1所示。

图5.1 按键按下时电路图（2）当按键松开时，T1和T2截止，C1通过RC回路放电，T3继续工作，继电器继续闭合。

仿真如图5.2所示。

图5.2 按键松开时电路图电子综合设计（3）题目要求延时1分钟，则加大C1、R4、R3中的任意值可改变延时时间，但R3需要满足T2能工作在饱和状态。

图中的数据在延时6s后关闭。

仿真如图5.3所示。

图5.3 延时电路六、PCB图由于在ALTIUM DESIGNER中PCB图不能正确下载，改用PROTEUS画PCB图，先画出原理图，开关和电灯都用电阻来代替，如图6.1所示。

图6.1 PROTEUS原理图楼道触摸延时开关在ARES中生成PCB图并进行布局，如图6.2所示。

图6.2 PCB生成图七、结论与心得通过本次课程设计开发，学习到了很多以前不知道的东西，特别是对PCB版制图流程的熟悉和掌握得到了一定的提升。

本次的电路主体部分是通过模电知识来完成的，大部分模电知识已经遗忘的差不多了，通过对书本的大量查阅拾起了很多关于三极管的知识。

通过本次实验我也知道了很多电路常识以及实际电路设计时需要注意的问题，比如隔离二极管，桥式整流电路，稳压管旁限流电阻的计算，知道实际运用中较大的电容都是用电解电容来实现的，知道了继电器的使用方法以及继电器旁需要并联一个二极管的作用。

在用LM555定时器来完成该实验时，知道了555定时器可以工作在单稳态和双稳态，我们利用单稳态能够轻松的完成延时电路的设计，但是由于电源电压的问题，虽然我用1N5918B稳压二极管实现了5V的稳压，但是依然不能正确仿真出来，这个问题还有待研究和改进。

对于PCB版的制作，我已经用ALTIUM DESIGNER 6画出了原理图，但不能正确下载到PCB图中，所以改用PROTEUS进行了PCB版的制作，制作过程中发现每个器电子综合设计件的封装选择和走线是很重要的，这个直接影响到以后印刷电路板的制作。

总体来说，本次课程设计收获了很多，也冒出了许多不足之处，对于电子信息工程这门专业的兴趣也愈发浓厚，希望老师不吝指教。

参考文献[1] 童诗白华成英. 模拟电子技术基础. 北京:高等教育出版社,2006.[2] 王宇红. 电工学实验教程. 北京:机械工业出版社,2009.[3] 王光福. 电工电子实验实训教程. 成都:电子科技大学出版社,2006.[4] 康晓明卫俊玲. 电路仿真与绘图快速入门教程. 北京:国防工业出版社,2009.。