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1、目 录引言- 1 -1 设计任务和设计要求- 1 - 1.1设计目的- 1 - 1.2设计要求- 1 - 1.3 设计任务- 2 -2 设计的具体实现- 3 - 2.1 设计结构- 3 - 2.1.1结构图- 3 - 2.1.2结构图说明- 3 - 2.2 设计电路- 4 - 2.2.1电路原理图- 4 - 2.2.2 电源部分- 5 - 2.2.3 感应部分- 5 - 2.2.4 控制部分- 6 - 2.2.5元件及元件参数及计算- 6 - 2.3电路原理- 17 - 2.4 PCB版电路制作过程- 18 -3 设计总结及其体会- 18 - 4 附录- 19 -参考文献- 24 -引言电路通
2、过使用模拟电子元件和数字电子元件构成一个台灯自动开关盒的设计。采用热释电红外传感专用控制模块制作而成的红外感应自动灯，真正做到有人灯亮，人走灯灭。同时，装置还设置了光控电路，白天电路自动封闭，无论有人否，电灯都不会亮。1 设计任务和设计要求1.1 设计目的 电子设计及其制作课程设计是电子技术基础课程的实践性教学环节，通过该教学环节，要求达到以下目的：(1） 掌握台灯自动开关盒的工作原理。(2） 学会安装与调试由分立器件与集成电路组成的多级电子电路小系统。（3）掌握模拟电子技术的理论知识，培养学生工程能力和综合分析问题，解决问题的能力。（4）掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实
3、验能力。（5）学会选用电子元件，为以后从事一些生产和科研工作打下一定的基础。1.2 设计要求（1）合理的设计硬件电路，说明工作原理及设计过程，画出相关的电路原理图（运用PROTEL电路设计软件）；（2）选择常用的电器元件（说明电器元件选择的过程和依据）； (3) 进行PCB（印制电路板）设计（用PROTEL等电路设计软件）；（4）按照规范要求，按时提交课程设计报告（打印或手写），并完成相应答辩。1.3 设计任务（设计一个台灯自动开关盒，具体要求如下： （1）设计并制作一个台灯自动开关盒，以实现“人来灯亮，人走灯灭、光照灯灭”等节电功能；（2）台灯盒有交流电源输入线和交流电源输出插座，输出可接额
4、定电压220V、功耗不大于60W的台灯；（3）具有两个传感器，即： 光敏传感器。将其安装在适当的地方，作为光照检测； 对人体敏感的传感器，感应人体接近；（4）自动开关盒做好后，将台灯的电源插头插入开关盒的电源输出插座，便可实现如下功能： 在晚上，当没有足够的光源照到光敏元件上时，若有人靠近台灯，它便自动接通电源发光，人离开台灯后，能自动断开电源； 在白天有足够强的光线（以适合阅读为标准）照射到光敏元件上时，无论是否有人靠近台灯，它都不会亮；（5）除220V交流电源外，不允许接其他电源。2 设计的具体实现2.1 设计结构 根据人日常生活的习惯，考虑实用性和可行性而设计2.1.1 结构图（见图1）
5、人移动信号台灯控制单元微波感应器 光信号光敏感应器 （图1）2.1.2结构图说明 图1中有三个主要部分：（1）光敏传感器，其作用就是将感觉到的光信号的强弱转化为电阻的大小，并实时告诉控制元件；（2）微波感应器，其作用是感觉近距离内有没有人靠近，并实时告诉控制元件；（3）控制元件，其作用是根据台灯周围的光线和是否有人靠近来控制灯的亮与灭。2.2 设计电路2.2.1 电路原理图（见图2）图2a PCB原理图 图2b PCB原理图2.2.2 电源部分在图2中图2.1为电源部分，由变压器，整流桥，电容C1，C2，三端稳压器组成。使用变压器将交流220V电降至10V左右，经单相整流电桥D1整流和电容C1
6、滤波后，由三端固定稳压器7809输出稳定的9V直流电压。电容C2用于抑制7809可能产生的自激。2.2.3 感应部分（1）微波感应器。微波感应器TX982，它利用微波技术，在一个小的空间里建立微电场，当有人进入电场时就会反射回波，经过电子线路的检测，测出有微弱的移频信号，这种信号再经智能化的处理后就可以输出控制信号了。（2）光敏传感器。光敏电阻GM感知光线的强度，它是电阻值随光线强弱的变化而变化，光强时阻值变小，光弱时阻值变大。2.2.4 控制部分 由555多谐振荡器，三极管Q1、Q2，可控制硅97A6，电阻R1、R2、R3、R4、R5，电容C3，共同组成。C3的作用是释放断电后三极管的能量。
7、555的1、2、3、4、6、8端分别为接地端、低电平触发输出复位端、高电平触发端、电源端。为了防止光线在一定的范围内发生微小的变化而使得台灯时阴时暗，在555的2端（低电平触发端）接一个三极管T2，以锁定台灯的工作状态。这是一个应用模拟电子和数字电子技术设计的自动开关盒，电路简单，实践方便，能给我们的生活带来一定的便利。2.2.5元件及元件参数及计算微波传感器 微波传感器：又称多谱勒雷达，是一种多普勒收发模块。它是通过发射连续微波并接受反射波从而探测移动目标的组件。它的特点是：低功耗 ，连续/脉冲波操作模式对各种可以反射微波的物体都很敏感，而且不受温度的影响。 当人接近的时候，微波传感器发出的
8、微波被反射回来，微波感应器接收到反射回来的信号，就会输出一个低电平，接受不不到的时候就会发出高电平，利用这个特性，用微波感应器做感应装置。微波传感器的种类：（1）平面微带介质谐振传感器（planar Microstrip)：它由三部分组成，传感器模块，多谱勒信号调理电路，决策控制部分。（2）波导谐振型（waveguide),谐振体是金属空腔，腔体尺寸与微波波长相关。（3）同轴谐振型（coaxial）,谐振体也是金属空腔。光敏电阻 结构通常由光敏层、玻璃基片（或树枝防潮膜）和电极等组成的。特性光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感，它的电阻值能随着外界光照强弱（明暗
9、）变化而变化。它在无光照射时，呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小。这次选择的是LXD3526。 三端集成稳压器的电路结构及主要特性参数 三端集成稳压器大多采用串联稳压方式。从图所示方框图中可以看出，它由启动电路、基准电路、误差放大器、调整管、取样电阻及保护电路等组成。它与分立元件的串联调整稳压器电路工作原理完全相同。1.稳压器的主要参数(1)输出电压V。 输出电压是指稳压器的各工作参数符合规定时的输出电压值。对于固定输出稳压器，它是常数;对于可调式输出稳压器，它是输出电压范围。(2)输出电压偏差 对于固定输出稳压器，实际输出的电压值和规定的输出电压Vo之间往往有一定的偏差。这个偏差值一
10、般用百分比表示，也可以用电压值表示。(3)最大输出电压ICM 最大输出电流指稳压器能够保持输出电压不变的最大电流。(4)最小输入电压Vimin 输人电压值在低于最小输入电压值时，稳压器将不能正常工作。(5)最大输人电压Vimax 最大输入电压是指稳压器安全工作时允许外加的最大电压值。 说明:(4)、(5)两项也常用输人电压的范围来表示。(6)最小输入、输出电压差(Vi-Vo) 它是指稳压器能正常工作时的输入电压U与输出电压八是压差值。(7)电压调整率SV 电压调整率是指当稳压器负载不变而输入的直流电压变化时，所引的 输出电压的相对变化量。SV常用下式表示:（公式1）式中:AVo输出电压变化量;
11、Ai输入电压变化量。电压调整率有时也用某一输入电压变化范围内的输出电压变化量表示。电压调整车用来表征稳压器维持输出电压不变的能力。(8)电流调整率SI 电流调整车是指，当输入电压保持不变而输出电流在规定范围内变化时，稳压 器输出电压相对变化的百分比，可用下式表示:（公式2）电流调整率有时也用负载电流变化时输出电压的变化量来表示。(9)输出电压温漂ST输出电压温漂也称输出电压的温度系数。其定义为，在规定的温度范围内，当输入电压和输出电流不变时，单位温度变化引起的输出电压变化量，用公式表达为:（公式3）式中:T温度变化量。(10)输出阻抗Z。输出阻抗指，在规定的输入电压和输出电流的条件下，在输出端
12、上所测得的交流电压与交流电流之比，即（公式4）输出阻抗反映了在动态负载状态下，稳压器的电流调整率。(11)输出噪声电压VN它是指当稳压器输入端无噪声电压进入时，在其输出端所测得的噪声电压值。输出噪声电压是由稳压器内部产生的，它对许多负载是有害。半导体三极管双极型三极管（BJT）是半导体三极管的一种类型，由于它有空穴和电子两种载流子参与导电，故称为双极型。它又称为双极型晶体管，通常称为半导体三极管，三极管。晶体管等。它的种类很多，按制造材料分，有硅管和锗管；按功率大小分，有大、中、小功率管；按工作频率分，有高频管和低频管等。桥式整流电路输出电压平均值UO(AV) (a) (b)（图4） 单相全波
13、桥式整流电路由图4的波形图可知，桥式整流电路的输出电压波形与全波整流电路一样，所以其输出电压平均值 (公式5)输出电压的脉动系数S (公式6)整流二极管正向平均电流ID(AV) 在桥式整流电路中，整流二极管D1、D3和D2、D4是两两轮流导通的，因此，流过每个整流二极管的平均电流是电路输出电流平均值的一半， (公式7)最大反向电压URM 桥式整流电路因其变压器只有一个副边绕组，在U2正半周时，D1、D3导通，D2、D4截止，此时D2、D4所承受的最大反向电压为U2的最大值，即 (公式8)同理，在U2负半周时，D1、D3也承受同样大小的反向电压。变压器副边电流的有效值I2流过变压器副边绕组的电流
14、正半周是半个正弦波，负半周是另一半正弦波，所以副边电流中无直流分量，变压器副边电流的有效值 (公式9)桥式整流电路与单相半波整流电路和单相全波整流电路相比，其明显的优点是输出电压较高，纹波电压较小，整流二极管所承受的最大反向电压较低，并且因为电源变压器在正负半周内都有电流流过，所以变压器绕组中流过的是交流，变压器的利用率高。在同样输出直流功率的条件下，桥式整流电路可以使用小的变压器，因此，这种电路在整流电路中得到广泛应用。555定时器构成多谐振荡器555 定时器的电路结构及其功能 图 5为 555 定时器的内部逻辑电路和外引脚图，从结构上看， 555 电路由 2 个比较器、 1 个基本 RS
15、触发器、 1 个反相缓冲器、 1 个集电极开路的放电晶体管和 3 个 5k 电阻组成分压器组成。 （图 5）555 逻辑电路图和引脚图如图6，由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端放电，使电路产生振荡。电容C在2/3Vcc和1/3Vcc之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波，对应的波形如图7所示。 （图6）555构成多谐振荡器 （图7）多谐振荡器的波形图输出信号的时间参数是： T= =0.7（R1+R2）C =0.7R2C 其中，为VC由1
16、/3Vcc上升到2/3Vcc所需的时间，为电容C放电所需的时间。555电路要求R1与R2均应不小于1K，但两者之和应不大于3.3M。外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。因此，这种形式的多谐振荡器应用很广。可控硅元件的工作原理及基本特性1、工作原理可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图解如图1所示（图8） 可控硅等效图解图当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便
17、有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=1ib1=12ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，
18、此条件见表1表1 可控硅导通和关断条件状态条件说明从关断到导通1、阳极电位高于是阴极电位2、控制极有足够的正向电压和电流两者缺一不可维持导通1、阳极电位高于阴极电位2、阳极电流大于维持电流两者缺一不可从导通到关断1、阳极电位低于阴极电位2、阳极电流小于维持电流任一条件即可2基本伏安特性（1）反向特性 当控制极开路，阳极加上反向电压时（见图9），J2结正偏，但J1、J2结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流，当电压进一步提高到J1结的雪崩击穿电压后，接差J3结也击穿，电流迅速增加，图3的特性开始弯曲，如特性OR段所示，弯曲处的电压URO叫“反向转折电压”。此时，可控硅会发生永久性反向击穿。（图9
19、）阳极加反向电压（2） 正向特性 当控制极开路，阳极上加上正向电压时（见图10），J1、J3结正偏，但J2结反偏，这与普通PN结的反向特性相似，也只能流过很小电流，这叫正向阻断状态，当电压增加，图3的特性发生了弯曲，如特性OA段所示，弯曲处的是UBO叫：正向转折电压（图10） 阳极加正向电压由于电压升高到J2结的雪崩击穿电压后，J2结发生雪崩倍增效应，在结区产生大量的电子和空穴，电子时入N1区，空穴时入P2区。进入N1区的电子与由P1区通过J1结注入N1区的空穴复合，同样，进入P2区的空穴与由N2区通过J3结注入P2区的电子复合，雪崩击穿，进入N1区的电子与进入P2区的空穴各自不能全部复合掉，
20、这样，在N1区就有电子积累，在P2区就有空穴积累，结果使P2区的电位升高，N1区的电位下降，J2结变成正偏，只要电流稍增加，电压便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图3的虚线AB段。这时J1、J2、J3三个结均处于正偏，可控硅便进入正向导电状态-通态，此时，它的特性与普通的PN结正向特性相似，见图2中的BC段3、触发导通在控制极G上加入正向电压时（见图11）因J3正偏，P2区的空穴时入N2区，N2区的电子进入P2区，形成触发电流IGT。在可控硅的内部正反馈作用的基础上，加上IGT的作用，使可控硅提前导通，导致伏安特性OA段左移，IGT越大，特性左移越快。（图11）阳极和控制极均加正向电压 2.3电
21、路原理 当光线不够强，且有人靠近的时候，微波感应器检测到人活动时的移频信号，感应器的控制电路将输出一个低电平，这个低电平加在了T1管的基极，三极管T1截止，从而使得T1的集电极处于高电平，由555定时器构成的多谐震荡器便开始工作。由于光线比较弱，光敏电阻阻值较大，此时RGI与R3的分压点的电压低于1/3*VCC，555电路的输出端输出高电平，使得可控硅97A6导通，台灯点亮。同时这个高电平通过R5加在了三极管T2的基极，使T2管导通，T2管的集电极则处于低电平，从而锁定此种工作。当人离开后台灯一定距离时，微波感应器的输出端将输出高电平，T1管经R2偏置导通，T1管的基电极便处于低电平，555多
22、谐震荡器不工作。所以即使光线暗灯也不会亮。当光线比较强时，光敏电阻的阻值就比较小，GM与R1的分压点的电压高于1/3*VCC，555电路的输出端输出低电平，则可控硅截止，此时，即使有人靠近灯也不会亮。2.4 PCB版电路制作过程 (1)在PCB版制作前应先在Schematic Document上绘制原理图，并且将所有元件的封装查出并标上，对于找不到的元件可选用相同管脚的元件进行代替。检查整个电路是否有错，并生成对应的网络表格。（2） 手动更改网络表，将一些原理图和PCB封装库中引脚名称不一致的器件引脚名称改成和PCB封装库中一致。（3） 进入PCB系统先设置PCB设计环境，包括格点大小和类型，
23、半层参数，布线参数（这里选择1mm）。点Place-Keepout-Track绘制电路版地边框.后点Design-Load Nets-Browse-.NET-下方的OK-Execute（4） 然后进行PCB自动布线（重点是网络表），只有将网络表装入后才能进行电路版的布线。点击Auto Route-All，等待电脑进行自动布线。有时布线不全面需要进行人工手动布线。（5） 制作PCB印刷图点击File-New-PCB Printer,出现一个框图，选择需要制作印刷图的电路图后点击OK，即可生成PCB印刷图。PCB版电路见附录。3 设计总结及其体会 经过这次课程设计，我从中学到了很多东西! 第一，对
24、我在大学所学的知识进行了一次系统的检测和巩固，让我更加好的理解和掌握这些知识！第二，对所学知识进行运用的考验，理论联系实际，经过这次使我对知识的运用能力得到了一定提高！第三，要学会查找和收集资料，并合理有效的利用这些资料！提高我收集处理资料的能力。第四，深深体会了团队合作的重要性，我和搭档在相互帮助，相互讨论，一起努力，一起奋斗，尽管课题完成的不是很好，但是我学到很多东西，对我以后的学习，生活都有非常大的帮助！让我懂得了仅仅学习知识，掌握知识是远远不够的，还要懂得如何把所学到的东西进行运用而且要运用好。4 附录PCB版（图12a）PCB制版(图12b)PCB制版 （图13） PCB元件封装列表
25、元件列表名称类型封装电阻（C1，C2,3，C4，C5）普通 10KAXIAL0.3光明电阻RG1LXD3526RAD0.1电解电容（C1，C2，）100uFRB.2/.4磁片电容C3,C40.1uF,0.01uFRAD0.2整流桥D1RS102FLY4变压器T1110:5TO-72三端稳压器U1LM7809TO-126晶体三极管Q1NPNTO-92A晶体三极管Q2PNPTO-92A可控硅KQ97A8TO-126微波感应器J1TX982SIP3555NE555PDIP8表2 元件清单555DIP8NE555PC1RB.2/.4100uFC2RB.2/.4100uFC3RAD0.20.1uFD1F
26、LY4RS102INSIP2220VJ1SIP3Tx982KQTO-12697A8OUTSIP2220VQ1TO-92ANPNQ2TO-92APNPR1AXIAL0.310KR2AXIAL0.310KR3AXIAL0.3300KR4AXIAL0.310KR5AXIAL0.310KRG1RAD0.1LXD3526T1TO-72110:5U1TO-126LM7809(Net555_3555-3R4-1R5-1)(NetC2_1555-8C2-1J1-3R1-2R2-2RG1-2U1-3)(NetD1_2C1-1D1-2U1-1)(NetD1_4555-1C1-2C2-2C3-2D1-4J1-1Q1
27、-3Q2-2R3-1U1-2)(NetIN_1IN-1KQ-1T1-1)(NetIN_2IN-2OUT-2T1-3)(NetJ1_2J1-2Q1-1R1-1)(NetOUT_1KQ-2OUT-1)(NetQ1_2555-4Q1-2R2-1)(NetQ2_1Q2-1R4-2)(NetR5_2KQ-3R5-2)(NetRG1_1555-2555-6C3-1Q2-3R3-2RG1-1)(NetT1_2D1-1T1-2)(NetT1_4D1-3T1-4)表3 PCB网络表参考文献1童诗白。模拟电子技术基础，第四版，高等教育出版社，2006年。2赵广林。轻松跟我学Protel99se电路设计与制作，电子工业出版社，2005年。3程远东。电子设计与制作技术，科学出版社，2011。4黄涌定。电子实验综合实训教程，机械工业大学出版社，2004。5陈有卿。555时基集成电路原理与应用，机械工业出版社，2006。
