电工电子课程设计--家用智能控制系统的电路设计

1、. 目 录前言3第1章 非法入侵报警电路设计41.1设计要求41.2设计方案论证41.3设计方案方框图41.4设计电路原理41.4.1电路原理图41.4.2电路原理说明41.4.3电路工作流程81.5绘制印制电路图91.6电路元器件参数10第2章 节能灯控制电路设计112.1设计要求112.2设计方案论证112.3设计方案方框图112.4设计电路原理112.4.1电路原理图112.4.2电路原理说明132.4.3电路工作流程152.5绘制印制电路图152.6电路元器件参数17第3章 有害气体检测报警抽排电路设计183.1设计要求183.2设计方案论证183.3设计方案方框图183.4设计电路原

2、理183.4.1电路原理图183.4.2电路原理说明183.4.3电路工作流程213.5绘制印制电路图213.6电路元器件参数23设计小结与心得体会24前 言电工电子课程设计是根据教学计划和课程教学目标的要求，综合应用电路、模拟电子技术、数字电子技术、传感器原理及接口技术、电力电子变流技术等课程知识而开设的实践性课程。通过本课程设计能够对自动化专业的学生进行电工电子类设计思想和设计方法的初步训练，使学生掌握基本的研究设计方法。本次课程设计的主要目的是加深学生对相关课程基础知识与基本理论的理解和掌握，培养学生综合运用所学知识的能力，使其在理论分析、设计计算、制图标准与规范、查阅设计手册与资料以及

3、计算机应用能力等方面得到初步训练，促进学生养成严谨求实的科学学风。第1章 非法入侵报警电路设计1.1设计要求本次设计的任务是设计一个家用非法入侵报警装置，要求在遇到非法入侵的警情时，报警装置工作，主要反应在报警灯和警笛两个器件的工作，具体要求如下：1、报警灯周期性闪烁，警笛鸣响。2、报警灯的闪烁周期和警笛音量均可调。1.2设计方案论证本套设计方案的核心元件是555定时器，利用555定时器组成的单稳态触发器来做为报警装置的响应条件，当遇到非法入侵警情时，报警触发电路工作，使警笛响应电路工作即警笛长鸣，同时启动555定时器组成的多谐振荡器作为警灯的控制电路控制警灯的周期闪烁。本套方案的另一电路就是

4、78L12组成的直流稳压电源电路，其作用是为555定时器电路提供工作电压。1.3设计方案方框图家 用 交 流电 源报 警 触 发电 路直 流 稳 压电 路警 灯 控 制电 路警 灯 响 应电 路警 笛 响 应电 路图1-1 非法入侵报警电路方框图1.4设计电路原理1.4.1电路原理图 如图1-2非发入侵报警电路原理图所示。1.4.2电路原理说明1.4.2.1直流稳压电路直流稳压电路是由变压器TF1、整流二极管D1、集成稳压芯片78L12和滤波电容C5、C6组成，如图1-3所示，其主要作用是为555定时器和其它在低电压下工作的元器件供电。变压器原边与家用220V电压源相连，家用220V电压通过交

5、流变压器TF1转换成交流低电压，然后通过整流二极管D1将交流电转换为直流电，再将直流电压输入集成稳压快78L12达到稳压的作用，其输入从C6两端取出。由于集成稳压快78L12的稳定输出电压图1-2 非法入侵报警电路原理图图1-3 直流稳压部分截图为12V，其输入电压的范围应与输出电压的大小范围相同，固通过变压器负边输出的电压不宜过大，否则会烧坏78L12，本次设计选用负边输出变压为15V的变压器。电容C5的作用是滤除纹波，理论上应该选用较大容量的电容，在次选用470uF的电容。电容C6的作用是进一步滤波，此时选用一个较小的电容就足够了，在次选用0.33uF的瓷片电容。图1-4 报警触发部分截图

6、1.4.2.2非法入侵报警触发电路非法入侵报警触发电路是由555定时器组成的单稳态触发器，如图1-4所示，其主要功能是识别非法入侵行为的信息和为后续报警响应电路的工作提供工作所要求的电压。开关S1是安装在门窗上的金属弹片，当没有遇到警情的时候，门窗紧锁，金属弹片开关是断开的，此时555定时器的2管脚通过电阻与电源相连而处于高电平，555定时器组成的单稳态触发器没有触发信号，触发器处于稳定状态，输出3管脚为低电平。当室内被非法闯入时，安装在门窗上的金属弹片闭合，2管脚接地形成低电平，为555定时器提供触发信号，此时3管脚输出由低电平跳变为高电平，经过t=1.1R4C2时间后一个触发周期完成，此时

7、若S1断开，3管脚输出跳变为低电平，若S1依然闭合，再次触发，3管脚输出保持高电平不变。单稳态触发器的输出电压的脉冲宽度是t=1.1RC，通过调节R4的大小可以调节单稳态触发器输出电压的脉冲宽度。根据实际报警时间的要求，假设报警时间为20S至30S可调，由根据20<1.1R4C2<30，R4选用300K的可变电阻，C2选用100uF的电容。C1的作用是滤波，此时选用0.01uF的电容。而R1选用1K的电阻。 图1-5 警灯控制部分截图 图1-6 警笛响应部分截图1.4.2.3警灯控制电路警灯控制电路是由555定时器组成的多谐振荡器，如图1-5所示，其功能是提供一个周期性的矩形波为警

8、灯的周期性闪烁提供工作电压。多谐振荡器中555定时器的4管脚接前面报警触发电路的输出相连，当没有警情时，4管脚输入为低电平，555定时器强制复位，电路不工作，3管脚输出始终为低电平；当遇到警情时，4接高电平，555定时器工作，3管脚输出产生周期性矩形波。由于要求警灯的闪烁周期是可调的，固要求该电路输出的矩形波周期可调，由输出低电平宽度为0.7R2C4，输出高电平宽度为0.7(R2+R3)C4,故此时R2和R3均用50K的可变电阻，C4采用100uF的电容。C3与前面的C1作用相同， 固也选用0.01uF的瓷片电容。 1.4.2.4警笛响应电路 警笛响应电路是由三极管、扬声器和可变电阻组成的，如

9、图1-6所示，其作用是当发现警情时，扬声器鸣响。警笛响应电路完成警笛的鸣响是通过三极管的开关控制特性来实现的，三级管的基级与报警触发电路的输出相连，当发现警情时，三极管的基级由低电平跳变为高电平，三极管由截止变成导通，因而在扬声器里形成电流，扬声器发出声响，本电路的三级管选用的型号是9013。本次设计要求警笛的响声可以调节，固采用了可变电阻R5来控制扬声器中的电流来实现音量的调节，该电路图的R5选用100可变电阻。1.4.2.5警灯响应电路警灯响应电路是由220V照明电灯和双向可控硅串联后接在家用220V电压源两端组成的。该电路的最关键元件是双向可控硅，本次设计采用的双向可控硅的特性是当控制端

10、为高电平时，该可控硅相当于普通二极管，正向导通，反向截止，当控制端为低电平时，可控硅始终处于截止状态。本次设计警灯的周期性闪烁就是利用了双向可控硅的该特性，警灯控制电路多谐振荡器输出的矩形波接入可控硅的控制端，输入为高电平，警灯亮，输入为低电平时，警灯灭，从而实现了警灯的闪烁。 1.4.3电路工作流程家用220V电压通过直流稳压电路形成12V电压源对除警灯电路以外的各个电路供电，开始时安装在门窗上的金属弹片是闭合的。当发生非法入侵警情时，金属弹片断开，单稳态触发器的2管脚接受低电平的触发，报警触发电路工作，产生一段高电平的脉冲由输出端3管脚输出。3管脚的高电平输出信号一方面接至三级管基级令三级

11、管导通，从而令警笛有电流流过而发出报警声音；另一方面高电平输出接至多谐振荡器的强制复位端4管脚，使警灯控制电路多谐振荡器工作产生矩形波由3管脚输出，然后由3管脚输出的矩形波接至双向可控硅的控制端使可控硅周期性导通，从而使警灯周期性闪烁。图1-7 非法入侵报警印制电路图1.5绘制印制电路图1.6电路元器件参数表1 非法入侵报警电路元器件参数表元器件名称型号与规格数量555定时器5552电容0.01uF、0.33uF、100uF、470uF6固定电阻1K1可变电阻100、50K、300K4三极管90131扬声器5 8W1灯泡220V 25W1变压器匝数比220：151整流二极管IN40011固定式

12、三段可调器78L121开关单刀单掷1双向可控硅1第2章 节能灯控制电路设计2.1设计要求 本次设计的任务是设计一个家用节能灯控制装置，要求在家中光线较暗同时有声音发出时，节能灯控制装置工作，主要反应在家用电灯自动点亮，具体要求如下：1、当光线较强时，无论有无声响，节能灯均不工作。2、只有当光线较弱同是有声响，节能灯才自动点亮。3、节能灯亮30S后如果没有声响，节能灯自动熄灭。2.2设计方案论证本套设计方案是利用555定时器组成的单稳态触发器来做为节能灯发光延时装置的控制电路，由光电三极管构成的光线检测装置控制着555定时器单稳态触发电路的强制复位端，由压电陶瓷构成的声音检测电路作为单稳态触发器

13、的触发信号。光线强时，光线检测电路的输出为低电平，使得单稳态触发器强制复位输出始终为低电平，从而控制节能灯始终不亮。光线弱时，光线检测电路的输出为高电平，对单稳态触发器的复位端无效，触发器处于待触发状态。此时若有声响，声音检测电路的输出为高电平，对555单稳态触发器产生触发信号，从而使得其输出一段高电平，控制着灯泡亮一段时间。本次设计通过光线检测装置和声音检测装置对节能灯发光延时控制电路的控制以达到对灯泡的控制，从而实现了节能灯的延时照明。2.3设计方案方框图光 线 检 测 电 路直 流 稳 压 电 路家 用 交 流电 源电 灯 响 应电 路声 音 检 测电 路电 灯 控 制电 路图2-1 节

14、能灯控制电路方框图2.4设计电路原理 2.4.1电路原理图如图2-2节能灯控制电路原理图所示。图2-2 节能灯控制电路原理图2.4.2电路原理说明 2.4.2.1直流稳压电路直流稳压电路是由变压器T1、整流二极管D1、集成稳压芯片78L12和滤波电容C1、C2组成，如图2-3所示，其主要作用是为555定时器和其它在低电压下工作的元器件供电。直流稳压电路的工作原理 及元件的参数选择在1.4.2.1中已经详细说明，此处不再重复。图2-3 直流稳压部分截图 图2-4 光检部分截图 2.4.2.2光线检测电路光线检测检测电路是由一个光电三极管和一个固定电阻串联后与电源相连组成的，如图2-4所示，其作用

15、是将检测到的光信号转换为电信号输出以达到对单稳态触发器工作的控制。本电路的输出是从固定电阻和光电三极管之间引出并接至555单稳态触发器的强制复位端。当室内光线较强时，光电三级管因光照呈低阻状态，此时光电三级管相当于导线，输出为低电平；当室内光线较强时，光电三极管没有光照呈高阻状态，此时其相当于开路，输出为高电平。由于本电路中光电三极管是利用其低阻和高阻状态来实现开关的功能，固此处R1不宜选过小或者过大电阻，在此选用10K的电阻比较合适。光电三级管选用一般的光电三极管即可。 2.4.2.3声音检测电路 声音检测电路是由一个压电陶瓷和一个固定电阻串联后与电源两端相连组成的，如图2-5所示，其作用是

16、将检测到的声信号转换为电信号输出以达到对单稳态触发器工作的控制。该电路的输出是从固定电阻和压电陶瓷之间引出，与555单稳态触发器的触发信号输入端相连。当触发器复位端无效并且有声音时，压电陶瓷有电流流过相当于开路，此时输出为低电平，对555触发器产生触发信号；当无声音时，压电陶瓷无电流流过相当于开路，输出为高电平，对555触发器不产生触发信号。本电路中R2选用10K的电阻，压电陶瓷选用一般的即可。 图2-5 声检部分截图 图2-6 电灯延时控制部分截图 图2-7 灯响应部分截图 2.4.2.4电灯延时控制电路电灯延时控制电路是由555定时器组成的单稳态触发器电路，如图2-6所示，其功能是控制电灯

17、延时发光。555定时器的强制复位端4管脚接光检测电路的输出信号，2管脚接声检测电路的输出信号，3管脚接电灯响应电路的控制端。当光线强时，555定时器的强制复位端4管脚输入为低电平，555定时器强制复位，其输出信号始终为低电平。当光线弱时，4接高电平而复位端无效，此时若有声音，2管脚输入为高电平触发信号，单稳态触发器处于触发状态，其输出信号为一段高电平脉冲波形信号。电路中C3为滤波电容，选用0.01uF的电容。假设电灯延时照明时间为30s，固要求单稳态触发器的输出脉冲波形的宽度tw=1.1R3C4=30，此时选用C4=470uF的电容，根据计算得R3=58K，故在此选用58K的电阻R3。 2.4

18、.2.5电灯响应电路 电灯响应电路是由一个双向可控硅和一个家用照明灯泡串联后与家用220V电压串联构成的，如图2-7所示，其功能是接受控制信号自动延时照亮。该电路的控制端，即双向可控硅的控制端，接入控制信号为高电平时，可控硅导通相当于导线，此时电灯发亮；若控制端接入低电平信号，可控硅截止，电灯不亮。此处电灯选用普通家用220V 60W照明灯泡。 2.4.3电路工作流程 当开关S1闭合时，家用220V电压通过直流稳压电路形成12V稳定电压对单稳态触发器、光检测电路和声检测电路进行供电。此时如果屋内光线较强时，无论有没有声音，电灯均不亮；如果屋内光线较暗时，光电三极管截止，555定时器的4管脚通过

19、截止的光电三极管和固定电阻接入高电平，555定时器单稳态触发器处于待触发状态，此时如果有声音，压电陶瓷有电流流过，555定时器的2管脚通过导通的压电陶瓷接入低电平，单稳态触发器处于触发状态，形成一段高电平脉冲波形信号通过3管脚输出，并接到可控硅的控制端使可控硅导通，故而灯泡发光。当灯泡发光30S时间，555触发高电平输出信号重新跳变为低电平，灯泡熄灭，从而实现了灯泡的延时照亮。2.5绘制印制电路图 如图2-8 节能灯控制印制电路图所示。图2-8 节能灯控制印制电路图2.6电路元器件参数表2 节能灯控制电路元器件参数表元器件名称型号与规格数量555定时器5551电容0.01uF、0.33uF、4

20、70uF4固定电阻10K、58K3开关单刀单掷1光电三极管1压电陶瓷1灯泡220V 25W1变压器匝数比220：151整流二极管IN40011固定式三段可调器78L121双向可控硅1第3章 有害气体检测报警抽排电路设计3.1设计要求本次设计的任务是设计一个家用有害气体检测、报警、抽排装置，要求在家中发生有害气体泄露并达到一定浓度时，该装置发出报警声，抽气排风扇工作，具体要求如下：1、当家中有害气体浓度达到一定值时，报警喇叭发出报警声，同时抽气排风扇自动进行抽排工作。 2、抽气排风扇工作固定时间后自动停止工作，装置重新进入检测状态。3.2设计方案论证本套设计方案是利用555定时器组成的单稳态触发

21、器来做为抽泣排风扇工作的控制电路，由气敏传感器构成的有害气体浓度检测装置控制着555定时器单稳态触发电路的触发信号端。当屋内气体浓度达到一定值时，气体检测电路的输出为高电平，对555单稳态触发器产生触发信号，从而使得其输出一段高电平，控制着排风扇和报警喇叭工作一段时间。本次设计通过气体浓度检测装置对555定时器单稳态触发电路触发的控制，从而实现对排风扇和报警喇叭的控制，最终实现有害气体的检测、报警、抽排功能。3.3设计方案方框图报警抽排控制电路家用电压源直流稳压电路报警喇叭报警排风扇抽排工作图3-1 有害气体检测报警抽排电路方框图3.4设计电路原理 3.4.1电路原理图 如图3-2有害气体检测

22、报警抽排电路原理图所示。3.4.2电路原理说明3.4.2.1直流稳压电路直流稳压电路是由变压器、整流二极管、集成稳压芯片78L12和滤波电容组成，其主要作用是为555定时器和其它在低电压下工作的元器件供电。直流稳压电路的工作原理 及元件的参数选择在1.4.2.1中已经详细说明，此处不再重复。图3-2 有害气体检测报警抽排电路原理图3.4.2.2有害气体检测电路 有害气体检测电路是由一个气敏传感器和一个固定电阻构成，如图3-3所示，其作用是将检测到的气体浓度转换成电信号输出。气敏传感器有4个接口，其中两个接口是通过接入电压为气敏传感器中的电阻丝加热，另两个接口为控制端接口。该电路的输出端从气敏传

23、感器和电阻之间引出。当有害气体浓度较低时，气敏传感器控制端阻值很大相当于开路，输出为高电平；当有害气体浓度达到一定值时，传感器控制端阻值变得很小，相当于导线，输出为低电平。此处R1阻值不宜选过大或过小，在此选用10K的固定电阻。图3-3 气体检测部分截图 图3-4 报警抽排控制部分截图3.4.2.3报警抽排控制电路报警抽排控制电路是由555定时器组成的单稳态触发器，如图3-4所示，其作用是接受输入信号通过输出高低电平信号来控制报警喇叭和排风扇的工作和停止。该控制电路与2.4.2.4中的单稳态触发器控制电路基本相似，其中唯一的不同是该电路的强制复位端直接接入高电平，电路中只存在一种输入信号，即为

24、气体浓度检测信号。由于每次抽排的时间也是30S，固电路中的参数选择与前面电路的参数一致。 3.4.2.4报警喇叭工作电路报警喇叭工作电路是由一个三级管和一个扬声器串联后接入电源两端而构成的，其作用是当有输入信号时报警喇叭报警。其工作原理与1.4.2.4中警笛的工作原理相同，此处不再重复说明。此处选用的三极管型号为9013，扬声器为8、5W扬声器。 3.4.2.5排风扇工作电路排风扇抽排工作电路是由一个排风扇电机和一个双向可控硅串联后接在家用220V电压两端而组成的，其作用是抽排有害气体。当可控硅的控制端输入高电平信号时，电路导通，排风扇电机工作带动排风扇的扇叶旋转以达到抽排效果；当输入为低电平时，电路截止，排风扇停止工作。 3.4.3电路工作流程当开关S1闭合时，家用220V电压通过直流稳压电路形成12V稳定电压对单稳态触发器、气体浓度检测电路和报警电路进行供电。此时如果屋内有害气体浓度很低时，气敏传感器呈现高阻状态，相当与开路，2管脚没有触发信号因而没有高电平输出信号，固报警器和排风扇均不工作；如果屋内有害气体浓度达到一定值时，气敏传感器导通，555定时器2管脚产生触发信号，单稳态触