機電一體化專業(yè)課程設(shè)計應急燈控制電路設(shè)計

目 錄摘 要31 緒論41.1 課題描述41.2 基本工作原理及框圖41.3 元器件選擇52 主要芯片介紹62.1 555 集成定時器的五個組成部分62.1.1 555定時器基本功能62.1.2 555的功能特性72.1.3 555的引腳介紹72.1.4多諧振蕩電路原理82.1.5多諧振蕩電路控制應急燈原理82.2 CD4049的引腳圖82.2.1 CD4049的功能特性92.2.2 CD4049的主要性能參數(shù)92.2.3 CD4049的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖92.2.4 CD4049交流特性圖102.3與門功能102.4 與非門功能113 主要功能模塊123.1整流降壓濾波模塊123.1.1 整流降壓濾波流程123.1.2 整流降壓濾波電路圖123.2 環(huán)境照明狀況檢測模塊123.2.1 環(huán)境照明狀況檢測原理123.2.2 環(huán)境照明狀況檢測電路圖133.3 智能開關(guān)模塊133.3.1 智能開關(guān)原理133.3.2 智能開關(guān)電路圖143.4電池欠壓檢測模塊143.4.1 電池欠壓檢測原理143.4.2 電池欠壓檢測電路圖143.5燈驅(qū)動模塊153.5.1 燈驅(qū)結(jié)構(gòu)原理153.5.2 燈驅(qū)動電路圖154 新穎智能應急照明燈總電路設(shè)計164.1新穎智能應急照明燈電路圖164.2新穎智能應急照明燈工作原理16總 結(jié)18參考文獻19摘 要隨著時代的飛躍進步，各個方面的技術(shù)也是迅猛發(fā)展，尤其是電子技術(shù)，隨著大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生而出現(xiàn)的豐富的電子產(chǎn)品得到飛速發(fā)展，這些產(chǎn)品的產(chǎn)生給人類生活帶來了質(zhì)的變化。電子技術(shù)的飛速發(fā)展使現(xiàn)代科學研究得到了質(zhì)的跨越，這些功勞就離不開那些微電子技術(shù)集成塊?？梢哉f集成塊的出現(xiàn)給電子產(chǎn)品的微型化做出了巨大貢獻，更可以毫不夸張的說它的出現(xiàn)時電子技術(shù)領(lǐng)域帶來一次新的技術(shù)革新。目前，各類的集成塊層出不窮，它的體積越來越小然而功能是越來越強大，并且質(zhì)量好、重量輕、易于開發(fā)、可靠性高及成本的低等優(yōu)點而被廣泛應用。而且已經(jīng)走進尋常百姓家，從小的收音機再到大件的汽車等家庭常用東西并已走入家庭，到處都可見到集成塊的蹤影。因此，集成塊技術(shù)的開發(fā)與應用技術(shù)已經(jīng)可以是衡量一個國家科技以及工業(yè)發(fā)展水平的一個重要水準之一。本次課程設(shè)計的新穎智能應急照明燈就是主要利用NE555集成塊和CD4049集成塊設(shè)計而成的。在突發(fā)停電狀況下，為了保證人們的生命財產(chǎn)安全，應急燈是必不可少的設(shè)施。目前市面上大多數(shù)應急燈僅僅在市電突然中斷時自動點亮，并不考慮現(xiàn)場是否需要照明，比如白天停電時應急燈也會點亮，很浪費資源。而本次研制的“新穎智能照明應急燈”克服了上述的缺點，它被設(shè)計為：在白天或夜間用戶主動關(guān)閉室內(nèi)照明燈后，即使市電中斷也不會點亮。在夜間，一旦市電中斷，失去照明的應急燈會立即被點亮，電路能自動檢測斷電前后室內(nèi)的照明情況，并判斷是否有啟動應急燈照明的需要。關(guān)鍵詞：應急照明燈, NE555,CD4049，集成塊 1 緒論1.1 課題描述 隨著電子技術(shù)，特別是隨大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生而出現(xiàn)的微型計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，人類生活發(fā)生了根本性的改變。而現(xiàn)在生活中有好多地方都離不開照明設(shè)施，例如在地下室、一些大廈的樓梯道里即使白天也需要照明，當然在市電正常時這些都可以靠普通照明燈就可以解決，但是當市電中斷時就出現(xiàn)問題了，這些普通的照明設(shè)備就絲毫不起作用了，這時就要用到應急燈了。本次介紹的應急燈在停電時能根據(jù)光敏探頭檢測到的光線強弱和當時是否需要照明等因素進行邏輯運算，決定應急燈的點亮或不點亮。本次設(shè)計的新穎智能應急燈具有電路簡單、取材容易、新穎智能、方便節(jié)電等特點，這給我們生活帶來了極大的方便。 1.2 基本工作原理及框圖本課程設(shè)計的新穎智能照明燈系統(tǒng)由整流濾波電路、市電檢測電路、智能檢測開關(guān)電路、環(huán)境照明狀況檢測電路、穩(wěn)壓電路、電池欠壓檢測電路、燈驅(qū)動電路和電池組構(gòu)成。其基本工作原理：市電首先經(jīng)過整流濾波電路進入，經(jīng)過穩(wěn)壓之后對電池組進行充電，在經(jīng)過市電檢測和環(huán)境照明狀況檢測之后，若同時符合條件則通過燈驅(qū)動使應急燈點亮?；竟ぷ髟砜驁D如圖1.2所示。整流、降壓、濾波1市電檢測4穩(wěn)壓2電池組燈驅(qū)動7智能檢測開關(guān)5環(huán)境照明狀況檢測6電池欠壓檢測3AC220圖1.2基本工作原理框圖1.3 元器件選擇光敏探頭VTO選用有聚焦鏡的3DU03等光敏三極管。IC2選用輸出電流較大的CD4049六反相器。逆變管VT4選用基極驅(qū)動電流較小的DBT63C等達林頓三極管，要求耐壓大于50V，電流大于5A;也可用9013、TIP41C等三極管組成復合管使用。VD10選用3mm高亮度紅色發(fā)光二極管。變壓器T1選用6.5 x 6E1型鐵氧體磁芯繞制，一次側(cè)用0.67高強度漆包線繞22圈，二次側(cè)用0.17高強度漆包線繞300圈，另外，還應根據(jù)節(jié)能燈的功率大小調(diào)整E1型鐵氧體磁芯的空氣間隙和C6容量大小(22006800pF)。熒光燈管選用光效較高的H形或蝶形節(jié)能燈管，功率在718W間選用。蓄電池選用容量在79Ah的摩托車免維護鉛酸蓄電池。其他元器件無特殊要求。2 主要芯片介紹2.1 555 集成定時器的五個組成部分基本RS觸發(fā)器：有兩個“與非”門組成比較器：C1、C2兩個電壓比較器分壓器：阻值為5千歐姆的電阻串聯(lián)起來構(gòu)成分壓器，為比較C1、C2提供的參考電壓晶閘管開關(guān)和輸出緩沖器：晶體管VT構(gòu)成開關(guān)，其狀態(tài)受Q非得控制。下圖是555在某一個軟件中的邏輯符號：圖2.1 555定時器的邏輯符號 555定時器是一個中規(guī)模的集成電路，只要受外部連接時配上適當?shù)碾娖髟涂梢詫崿F(xiàn)脈沖信號的產(chǎn)生。下圖是555定時器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖：圖2.1 555定時器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.1.1 555定時器基本功能當=0時，輸出電壓VO=VOC為低電平，VT飽和導通。當=1時，VTH2/3VCC、V1/3VCC時，C1輸出低電平，C2輸出高電平，Q=0，VO=VOH ，TD導通。當=1時，VTH1/3VCC時,C1、C2輸出均為高電平，基本RS觸發(fā)器保持原來的狀態(tài)不變，因此VO ，VT也保持原來狀態(tài)不變。當=1時，VTH2/3VCC、V1/3VCC時,C1輸出高電平，C2輸出低電平，Q=1，VO=VOH，VT截止。555定時器的邏輯功能如下表3-5表2.1.1 555定時器的邏輯功能表 2.1.2 555的功能特性555集成電路由美國Signetic公司在1972年利用雙極型技術(shù)（TTL）研制成功，因在設(shè)計基準電壓網(wǎng)絡(luò)由三個阻值為5千歐的電阻器組成，故將其命名為555。由于555將模擬電路和數(shù)字電路巧妙地結(jié)合在一起，在投入市場后被大量的用于工業(yè)控制、儀表儀器、電子樂器、電子玩具和家用電器上，成為一種通用功能的電路。555時基電路是一種通用時基電路，可以做成震蕩、單穩(wěn)態(tài)、雙穩(wěn)態(tài)，施密特觸發(fā)器，電壓比較器等，它的主要型號有NE555、M555、LC555、LM555、HA555、SL555等。555集成電路是數(shù)字集成電路，是由21個晶體三極管、4個晶體二極管和16個電阻組成的定時器，有分壓器、比較器、觸發(fā)器和放電器等功能的電路。它具有成本低、易使用、適應面廣、驅(qū)動電流大和一定的負載能力。在電子制作中只需經(jīng)過簡單調(diào)試，就可以做成多種實用的各種小電路，遠遠優(yōu)于三極管電路。2.1.3 555的引腳介紹 555集成電路各管腳的作用：腳1是公共地端為負極；腳2為低觸發(fā)端TR，低于13電源電壓以下時即導通；腳3是輸出端V，電流可達2000mA;腳4是強制復位端MR，不用可與電源正極相連或懸空;腳5是用來調(diào)節(jié)比較器的基準電壓，簡稱控制端VC，不用時可懸空，或通過0.01F電容器接地;腳6為高觸發(fā)端TH，也稱閾值端，高于2/3電源電壓發(fā)上時即截止;腳6是放電端DIS;腳8是電源正極VC NE 555電路原理圖如圖6所示 圖6NE 555電路原理圖2.1.4多諧振蕩電路原理由555定時器和外接元件R7、R8、C3、C4構(gòu)成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫態(tài)，電路亦不需要外加觸發(fā)信號，利用電源通過R7R8向C3充電，以及C3通過R8向6放電，使電路產(chǎn)生振蕩。2.1.5多諧振蕩電路控制應急燈原理 停電時繼電氣工作是多諧振蕩器加上電源開始輸出矩形電壓，成矩，產(chǎn)生約25kHz的矩形波信號、由555的3腳輸出。經(jīng)電阻R9限流后加到三極管VT3005的基極上，使三極管交替導通和截止。這樣，通過升壓變壓器T2上的線圈L1中的電流時通斷，并在線圈L2上感應出高壓去點燃節(jié)能燈管。電容C5用于加快管的點燃。2.2 CD4049的引腳圖圖2.2 CD4049的引腳圖2.2.1 CD4049的功能特性CD4049 六反相緩沖器/轉(zhuǎn)換器.,CD4049是六反相緩沖器，具有僅用一電源電壓(VCC)進行邏輯電平轉(zhuǎn)換的特征。用作邏輯電平轉(zhuǎn)換時，輸入高電平電壓(V IH)超過電源電壓V CD。該器件主要用作COS/MOS到DTL/TTL的轉(zhuǎn)換器，能直接驅(qū)動兩個DTL/TTL負載。CD4049可替換CD4009，因為CD4049僅需要一電源電壓，可取代CD4009用于反相器、電源驅(qū)動器或邏輯電平轉(zhuǎn)換器。CD4049與CD4009引出端排列一致，16引出端是空腳 ，與內(nèi)部電路無連接。若使用時不要求高的漏電流或電壓轉(zhuǎn)換，推薦使用CD4049六反相器。2.2.2 CD4049的主要性能參數(shù)CD4049的主要性能參數(shù)如下：工作電源電壓：0.5V18V； 輸入電壓：0.5V18V 各引腳輸出電壓：0.5V0.5V 儲存溫度范圍：65150 普通雙列封裝功耗：700mW； 小外形封裝功耗：500mW； 焊接溫度：260； 2.2.3 CD4049的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖CD4049電路原理圖如圖2.2.3所示： 圖2.2.3 CD4049的原理圖2.2.4 CD4049交流特性圖 圖2.2.4 CD4049的交流特性圖2.3與門功能圖2.3 與門邏輯符號真值表如下表2-3表2-3ABF000010100111從真值表中可以看出與門的功能，A、B輸入只要有一個低電平輸出F為低電平，A、B輸入全為高電平時輸出為高電平。2.4 與非門功能圖2.4與非門的邏輯符號與非門的真值表如下表2-4表2-4ABF001011101110從真值表中可以看出與非門的邏輯功能，A、B輸入只要有一個低電平輸出F即為高電平，當A、B輸入全為高電平時輸出F為低電平。3 主要功能模塊3.1整流降壓濾波模塊3.1.1 整流降壓濾波流程220v交流市電從T2左端接入，通過T2達到降壓的作用，再通過4個FR157首尾相連組成整流堆完成對電流的整流作用，然后電流在經(jīng)過C8、C9時完成濾波，最終進入LM7815進行充電。3.1.2 整流降壓濾波電路圖圖3.1 整流降壓濾波電路圖3.2 環(huán)境照明狀況檢測模塊3.2.1 環(huán)境照明狀況檢測原理對環(huán)境照明狀況檢測主要靠的是光敏探頭，由圖中VT0、VT1、RP1組成。在停電時，光敏探頭檢測到光信號突然減弱，或門邏輯電路輸出低電平觸發(fā)施密特觸發(fā)器電路輸出高電平于是控制電路啟動節(jié)能燈電路工作，應急照明燈點亮。同時，反相器組成的自鎖電路將施密特觸發(fā)器鎖定在輸出高電平狀態(tài)，使應急燈保持點亮狀態(tài)。當電網(wǎng)恢復供電時，或門邏輯電路檢測到來電信號后輸出高電平、觸發(fā)施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)輸出低電平使應急燈熄滅。當白天或夜晚未開照明燈時停電，光敏探頭檢測到光線不產(chǎn)生突然變化，應急照明燈不會啟動點亮。3.2.2 環(huán)境照明狀況檢測電路圖圖3.2.2 光敏探頭電路圖3.3 智能開關(guān)模塊3.3.1 智能開關(guān)原理ICI NE555時基集成電路組成典型的施密特觸發(fā)器，當C點（IC1的2、6腳）電位大于2/3 Vcc時，Q端(3腳）輸出低電平；c點小于1/3 Vcc時，Q端輸出高電平，4腳是強制復位端，當4腳(b1)電位大于1.4V時，施密特觸發(fā)器正常工作，小于0.3V時被強制復位，此時不管C點電位是處于高電平還是處于低電平，Q點總是輸出低電平。當al、C點為低電平，b、b1點因C1延時放電保持為高龜平，滿足施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)條件，因此，密特觸發(fā)器S翻轉(zhuǎn)，Q端輸出高電平，其一路經(jīng)R8給VT2提供正向偏壓，使VT2導通，將al點籍制為低電平自鎖；另一路，使D點輸出高電平，自動應急照明燈點亮。當應急照明燈的光線照射光敏探頭使VTD、VTl導通時，a點升為高電平，并經(jīng)D1向C1充電，使b點保持在高電平狀態(tài)。a點的高電平因al點被籍制在低電平而不會使C點升為高電平，因此，C點仍應保持在低電平，Q, D點保持在高電平，應急照明燈應繼續(xù)點亮。C3的作用是保證應急照明燈點亮時間稍晚于自鎖電路動作時間，保證自鎖電路優(yōu)先動作。再來電時，E1、C點恢復高電平（VD2反偏截止），施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)輸出低電平，Q, D點轉(zhuǎn)為低電平，應急照明燈熄滅，VT2失去偏置電壓而截止，處于待命狀態(tài)。3.3.2 智能開關(guān)電路圖圖3.3.2 智能開關(guān)電路圖3.4電池欠壓檢測模塊3.4.1電池欠壓檢測原理鉛蓄電池低電壓報警器電路由VT5、VT6、RP2、VD10等組成，調(diào)整RP2的阻值，可調(diào)整鉛蓄電池的低電壓報警點（一般選10.5V），當鉛蓄電池電壓下降到設(shè)定電壓時，VT5截止，VT6導通，發(fā)光二極管VD10點亮，發(fā)出紅光報警，但不停止應急燈工作，以避免在急需照明時因蓄電池電壓保護動作使應急燈熄滅，如報警時照明不重要，可按下SB1而強制關(guān)掉應急燈。3.4.2 電池欠壓檢測電路圖圖3.4.2 電池欠壓檢測電路圖3.5燈驅(qū)動模塊3.5.1 燈驅(qū)結(jié)構(gòu)原理燈驅(qū)動主要是由CD4049、二極管VD4、三極管VT3 VT4、變壓器T1、燈管EL和一些電容電阻組成。當Q端輸出高電平使VT3飽和導通，經(jīng)D1反相后D為高電平，VD4截止，由IC2的D2、3D、D4反相器組成方波發(fā)生器起振，振蕩頻率約15KHZ，經(jīng)D5、D6反相器并聯(lián)組成的激勵推動電路，推動VT4逆變管工作，經(jīng)變壓器T1輸出高頻電流點燃節(jié)能燈EL。3.5.2 燈驅(qū)動電路圖 圖3.5.2 燈驅(qū)動電路圖4 新穎智能應急照明燈總電路設(shè)計4.1新穎智能應急照明燈電路圖 圖4.1智能應急照明燈電路圖4.2新穎智能應急照明燈工作原理智能應急燈由電源整流、恒壓充電、光敏探頭、邏輯電路、施密特觸發(fā)器（停電狀況鑒別器）、自鎖電路、蓄電池、控制電路，節(jié)能燈電路等組成。其電路如圖所示。平時，市電經(jīng)充電器向蓄電池恒壓充電，其最高充電電壓為14.5V.夜晚停電時，光敏探頭檢測到光線信號突然減弱，或門邏輯電路輸出低電平觸發(fā)施密特觸發(fā)器電路輸出高電平，于是控制電路啟動節(jié)能燈電路工作，應急照明燈點亮。同時，反相器組成的自鎖電路將施密特觸發(fā)器鎖定在輸出高電平狀態(tài)，使應急燈保持點亮狀態(tài)。當電網(wǎng)恢復供電時，或門邏輯電路檢測到來電信號后輸出高電平、觸發(fā)施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)輸出低電平使應急燈熄滅。當白天或夜晚未開照明燈時停電，光敏探頭檢測到光線不產(chǎn)生突然變化，應急照明燈不會啟動點亮。就是說應急照明燈在不需要照明的情況下，不會因為停電而啟動點亮，具有智能控制應急照明燈點亮和熄滅的功能。為提高充電器的充電電流，采用了兩只配對的LM7815并聯(lián)對蓄電池充電。D5是防止在停電時蓄電池向電源檢測電阻器R5供電，并兼有降低蓄電池最高充電電壓的作用。VTO,VT1、RPI組成光敏探頭電路，調(diào)節(jié)RPl的阻值可以調(diào)節(jié)光敏探頭的感光靈敏度。R2, R4,R5、D2、D3組成兩輸人端或門電路，當a、E1兩輸人端只要有一個輸人端為高電平時，其輸出端C點即為高電平；當a、E1兩個輸人端同時為低電平時，C輸出低電平。ICI NE555時基集成電路組成典型的施密特觸發(fā)器，主要用于停電狀況鑒別。當C點（IC1的2、6腳）電位大于2/3 Vcc時，Q端(3腳）輸出低電平；c點小于1/3 Vcc時，Q端輸出高電平，4腳是強制復位端，當4腳(b1)電位大于1.4V時，施密特觸發(fā)器正常工作，小于0.3V時被強制復位，此時不管C點電位是處于高電平還是處于低電平，Q點總是輸出低電平。這里強制復位的作用是：當在夜晚不需照明時，光敏探頭因無燈光照射而使VTO、VT1截止，a點電位為低電平，b點電位隨著C1經(jīng)R3、R6放電后也降為低電平，使b1點電位小于0.3V而強制施密特觸發(fā)器復位輸出低電平，并使其不受停電后C點電位轉(zhuǎn)為低電平的影響，從而使Q、D點電位保持在低電平，使應急燈在夜晚不需照明（本來就沒開燈）時，再遇到停電也處于不工作狀態(tài)。VTZ、R8組成反相器自鎖電路，當夜間在照明狀態(tài)下停電時，E1點為低電平，照明燈突然間熄滅后光敏探頭無光照，VTO、VTl截止，a點為低電平，C點也轉(zhuǎn)為低電平，由于C1充足電后保持高電位使b點仍為高電平，b1點亦為高電平，施密特觸發(fā)器被正常觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，Q端輸出高電平，經(jīng)R8向VT2提供正向偏置電壓，VT2導通并將al點鉗制在低電平。同時，Q端輸出高電平使VT3飽和導通，經(jīng)D1反相后，D點為高電平，VD4截止，由IC2的D2、D3、D4反相器組成方波發(fā)生器起振，振蕩頻率約15kHz，經(jīng)D5、D6反相器并聯(lián)后組成的激勵推動電路，推動VT4逆變管工作，經(jīng)變壓器T1輸出高頻電流點燃節(jié)能燈EL.光敏探頭受光照后VTO、VTI導通，a、b、b1點轉(zhuǎn)為高電平，由于VT2導通將al點鉗制在低電平狀態(tài)，從而使C點仍保持在低電平狀態(tài)，保證Q點輸出高電平（即自鎖），并使應急燈保持正常點亮狀態(tài)。蓄電池低電壓報警電路由VT5、VT6、RP2、VD10等組成，調(diào)整RP2的阻值，可調(diào)整蓄電池的低電壓報警點（一般選10.5V)，當蓄電池電壓下降到設(shè)定電壓時，VT5截止，VT6導通，發(fā)光二極管VD10點亮，發(fā)出紅光報警，但不停止應急燈工作，以避免在急需照明時反面因蓄電池低電壓保護動作而使應急燈熄滅，如報警時照明不重要，可按下SB1將應急照明燈關(guān)閉。總 結(jié)經(jīng)過近多日的努力，終于將本次課程設(shè)計做完了，但由于水平有限，文中肯定有很多不恰當?shù)牡胤?，請老師指出其中的錯誤和不當之處，使我能做出改正，我會虛心接受。在本次數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計過程中，我學到了不少的東西，通過自己動手查資料請教老師同學，確實學到了很多課本里學不到的知識。在繪制電路圖的時候，自己不會用Protel軟件我就請教了好些位同學關(guān)于這方面的知識，雖然大家都忙著做課程設(shè)計時間比較緊，但他們還是耐心的教我怎么用，最終我花了一個下午的時間學會了Protel的用法，然后自己獨立完成了電路圖的繪制。還有在做課程設(shè)計的時候發(fā)現(xiàn)自己的Word真的很差，很多基本的功能就不會用，然后為了完成課程設(shè)計我上網(wǎng)搜了一些資料，了解了Word的強大功能和用法。在本次課程設(shè)計中通過自己動手查資料自己也對NE555和CD4049等一些集成塊的功能有了更深層次的了解。通過跟老師和同學的交流，也通過自己的努力，我按時完成了這次課程設(shè)計。在此過程中，我學會了很多，也看到了很多自己的不足之處。在以后的學習生活中，我會努力學習專業(yè)知識，完善自我，為將來的發(fā)展做好充分的準備?？傊谶@次課程設(shè)計中，我受益匪淺，學到了很多書本上所沒有的東西，懂得了理論和實際聯(lián)系的重要性。在以后的學習中，我不僅要把理論知識掌握牢固，更要提高自己的動手能力和分析能力。參考文獻1 數(shù)字集成電路應用300例 黃繼昌 人民郵電出版社2 實用電路小叢書 光電電路 趙宏圖 電子工業(yè)出版社3 常用電子電路280例解析 張延琪 中國電力出版社4 新編電子元器件選用與檢測 鄭鳳翼 福建科學技術(shù)出版社5 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程 楊素行 高等教育出版社6 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程 余孟嘗 高等教育出版社18