基于555组成单稳态触发器的触摸控制灯的设计

基于555组成单稳态触发器的触摸控制灯的 武汉理工大学《基础强化训练》报告 一 Proteus仿真的基本 1.1建立设计文件 打开ISIS系统，选择文件菜单中的新建，打开图纸窗口，选择合适的图纸类型，确认后自动建立一个缺省标(UNTITLED)的文件，再选择文件菜单的另存为，建立自己名称的设计文件，如《基础强化训练》等 图 1.1 proteus新建文件界面 1.2元件的选择与放置 1.2.1元件的选择 将所需元器件加入到对象选择器窗口。单击对象选择器按钮 ，如图所示 图1.2.1 开启元件选择界面 弹出“Pick Devices”页面，在“Keywords”输入555，系统在对象库中进行搜索查找，并将搜索结果显示在“Results”中，如图所示。 1 武汉理工大学《基础强化训练》报告 图1.2.2 元件选择界面 在“Results”栏中的列表项中，双击“555”，则可将“555”添加至对象选择器窗口。 接着在“Keywords”栏中重新输入其他元件名称，按同样的方法操作即可将其他元件添加至对象选择器窗口。单击“OK”按钮，结 束对象选择。 经过以上操作，在对象选择器窗口中，已有了555、LED-RED、RES等元器件对象，若单击555，在预览窗口中，见到555的实物图，如图所示;若单击RES或LED-RED，在预览窗口中，见到RES和LED-RED的实物图，如图所示。此时，可以看到在绘图工具栏中的元器件按钮处于选中状态。如下图所示: 图1.2.3 元件选中图示 2 武汉理工大学《基础强化训练》报告 1.2.2放置元器件至图形编辑窗口 在对象选择器窗口中，选中555，将鼠标置于图形编辑窗口该对象的欲放位置、单击鼠标左键，该对象被完成放置。同理，将RES及其他元件放置到图形编辑窗口中。如图所示。 若对象位置需要移动，将鼠标移到该对象上，单击鼠标右键，此时我们已经注意到，该对象的颜色已变至红色，表明该对象已被选中，按下鼠标左键，拖动鼠标，将对象移至新位置后，松开鼠标，完成移动操作。 图1.2.2 元件的放置 1.3元件之间连线并完成绘图 Proteus的智能化可以在你想要画线的时候进行自动检测。下面，我们来操作将电阻R1的下端连接到LED显示器的上端。当鼠标的指针靠近R1下端的连接点时，跟着鼠标的指针就会出现一个“×”号，表明找到了R1的连接点，单击鼠标左键，移动鼠标(不用拖动鼠标)，将鼠标的指针靠近 LED显示器的上端的连接点时，跟着鼠标的指针就会出现一个“×”号，表明找到了LED显示器的连接点，同时屏幕上出现了粉红色的连接，单击鼠标左键，粉红色的连接线变成了深绿色，同时，线形由直线自动变成了90o的折线，这是因为我们选中了线路自动路径功能。同理，我们可以完成其它连线。在此过程的任何时刻，都可以按ESC键或者单击鼠标的右键来放弃画线。 3 武汉理工大学《基础强化训练》报告 图1.3 由555构成的单稳态触发器触摸控制灯连线图 1.4设置元件属性 在图形编辑窗口内，将鼠标置于RES元件上，单击鼠标右键，选中该对象，单击鼠标左键，进入对象属性编辑页面，如图所示。在“Resistance”栏中输入5M，单击“OK”按钮，结束设置。此番操作意味着，电阻值为5M，其他需要设置的元件进行相同操作。 图1.4 元件属性设置 4 武汉理工大学《基础强化训练》报告 1.5仿真图绘制与仿真 在仿真过程中，用开关的闭合与开启代替触摸感应片，人体感应信号用矩形脉冲代替，用可发光的LED-RED显示灯的亮灭。当需要开灯时，触摸感应片相当于开关闭合，人体的感应信号加至IC2(2)脚，触发IC2翻转，(3)脚变为“1”，使LED-RED发光。此后R1对C2充电，当C2上的 电压上升至电源电压的2/3时，IC2再次翻转，(3)脚输出恢复为0，负载停止工作，LED-RED变灭。电路的定时时间T=1.1R1*C2。设置电阻值为5M，电容值为2uF，所以灯亮时间大概为11秒。其中LED-RED可以用可发声音乐芯片替代，实现门铃和报警器功能等。 图1.5.1 触摸控制灯的仿真图 下图为触摸控制灯点路仿真的输入、输出波形，输入采用频率为1Hz矩形波的秒脉冲，由于电路的延时功能，当第一次负脉冲触发电路后，电路进入暂稳态，灯发光。在暂稳态期间，继续输入的秒脉冲对电路没有影响，即输出部分保持不变。当延时结束，下一次的触发输出才会出现新的波形，输出波形的出现间隔由延时时间决定，即由T=1.1R1*C2决定。 5 武汉理工大学《基础强化训练》报告 图1.5.2 触摸控制电路的输入与输出波形 二 所用芯片管脚功能介绍 2.1 芯片555的介绍和管脚图 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 555。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V~16V 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，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 6 武汉理工大学《基础强化训练》报告 等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图如下图所示: 图2.1 555定时器的内部电路框图和外部引脚分布 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 /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。 2.2引脚的名称和作用如下: 1脚—GND,接地脚 2脚—TL,低电平触发端 3脚—Q,电路的输出端 4脚—/RD,复位端，低电平有效 5脚—V_C,电压控制端 6脚—TH,阈值输入端 7脚—DIS，放电端 8脚—VCC,电源电压端，其电压范围为:3,18V 7 武汉理工大学《基础强化训练》报告 三 #设计#与工作原理 8 武汉理工大学《基础强化训练》报告 图3.1 基于555组成单稳态触发器的触摸控制灯电路 3.2触摸控制灯电路的工作原理 上图即为由555定时器和外接定时元件R、C构成的单稳态触发器触摸灯控制电路。D2为钳位二极管，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端Vo输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi端。并使2端电位瞬时低于，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个稳 时，高电态过程，电容C开始充电，Vc按指数规律增长。当Vc充电到 平比较器动作，比较器A1翻转，输出Vo从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳定，为下个触发脉冲的来到作好准备。在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容器C1到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。 其工作原理波形图如下 9 武汉理工大学《基础强化训练》报告 图3.2 单稳态触发器波形图 暂稳态的持续时间T(即为延时时间)决定于外接元件R、C的大小。Tw=1.1RC，w 通过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微秒和几十分钟之间变化。当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可采用复位端接地的方法来终止暂态，重新计时。此外需用一个续流二极管与继电器线圈并接，以防继电器线圈反电势损坏内部功率管。 四 设计电路的实验与结果分析 根据555组成的单稳态触发器工作原理，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端Vo输出低电平，则此情况下LED-RED 不 10 武汉理工大学《基础强化训练》报告 会发光，开始在电路设计过程中LED-RED竟然亮了，为去除这种错误现象，另加了一个钳位二极管和压控电阻才恢复到正常现象。 当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi端。并使2端电位瞬时低于，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个稳态过程，输出高电平灯开始发光，可是在电路仿真过程中，开始使用直流输入和开关的闭合作为触发脉冲，但是没有得到预期的实验结果，设置其电压值为低于VCC /3的输入，换频率为1Hz的矩形脉冲输入，才得到了预期的实验结果。 由于输入端选用的是1Hz的矩形脉冲连续信号，所以要想的要预期实验结果需加一个开关，控制矩形脉冲的连续输入。当输入一次矩形脉冲信 号后，输出端获得高电平灯发光，此时马上断开开关，使在电路延时阶段结束时没有下一次的脉冲输入，则灯亮了预期的11秒后熄灭，达到预期的设计要求。得到的实验结果如下: 图 4.1 设计电路的实验结果图 五 心得与体会 这是上大学以来的第一个基础强化训练，开始接触时自己感觉很陌生，但还好了解之后才知道和课程设计差不多，而且我做的题目也不是很难， 设计的电路 11 武汉理工大学《基础强化训练》报告 图也是最简单易行的，所以在仿真过程中也没遇到太大的困难。 一直对电器设备比较感兴趣，尤其是这次的触摸控制灯更是生活中常用到的，所以这次的强化训练是我喜欢的就完成的很认真，我就是以此心态对待此次基础强化训练的，所谓“态度决定一切”，于是偶然又必然地收获了诸多，概而言之，大约以下几点: 一、温故而知新。设计刚开始时，一点思绪都没有，对于理论知识学习不够扎实的我深感“书到用时方恨少”，于是想起圣人之言“温故而知新”，便重拾教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。 二、实践出真知。因为在网上找到的电路图都很复杂，于是尝试自己 设计简单易行的电路，结果电路出现诸多问题，譬如短路开路，在不断地改正与调试后，得到了正确的电路和仿真，不为则不知，无为则无知，实践出真知。 三、过而能改。在题目设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的仿真调试环节，本身就是在践行“过而能改”的知行观。 这次的基础强化训练历时一个星期，因为前几天游其他课程设计要忙，所以并没有投入那么多的时间和精力到这个上，最后其他课设结束，在最后整整三天里，可以说是苦多于甜，因为第一次搞感觉陌生，所以设计做起来也比较吃力，但是可以学到一些东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多书本上没有学到的知识。通过这次课设，进一步加深了对proteus的了解，让我对它有了更加浓厚的兴趣。特别是仿真出来的时候心里都特别的高兴。因为这次的强化训练是一个人一个题目，所以在整个过程中又培养了自己的独立思考问题、解决问题的能力。总的来说这次的强化训练做的还算顺利，达到了预期的要求，自己也收获很大，最后希望自己答辩顺利，回家过个愉快的假期～ 六 参考文献 [1] 康华光，邹寿彬 .电子技术基础-数字部分. 高等教育出版社 ,2005. 12 武汉理工大学《基础强化训练》报告 [2] 吴金戌,沈庆阳,郭庭吉.基于proteus的实践与应用.清华大学出 社,2004 [3] 韩保军.传感器原理及应用技术.西安电子科技大学出版社，2003. [4] 林志琦，郎建军.基于Proteus的实用电路可视化软硬件仿真.北京航空航 天大学出版社，2006. [5] 张玉华，何丽桥，张振远.基于Proteus的电路设计与仿真.吉林工业大学 出版社;1994 [6] 谢自美 .电子线路设计测试. 华中科技大学出版社，2000. 13