数字电路制作与调试项目化教程（活页式）教案 159 红外感应开关控制电路的制作与调试

《数字电路制作与调试》教案课程名称数字电子技术课程代码M01F28D10总学时64任课教师

单元教案授课日期授课地点根据实际情况填写，有几个填写几个。授课班级班级人数教学单元教学单元、教学目标、教学方式、评价方式与课程大纲的相应内容保持一致。项目5红外感应开关控制电路的制作与调试教学时数按单元的教学时数填写。6教学目标教学目标应是此单元的教学目标结合实际授课内容的具体化，其描述参见文中举例。AOB12：掌握555定时器的原理以及典型应用电路结构；AOB13：理论与实验结合的教学方式，培养学生科学思维与创新意识，做到知行合一，“知者行之始，行者知之成”。BOB1：清楚了解常用集成电路的555定时器芯片功能和使用；BOB2：能设计简单的组合逻辑电路和时序逻辑电路，能设计LED流水灯电路；BOB3：能熟练使用Multisim仿真软件对所设计的电路进行调试和仿真；BOB4：通过微课视频：中国制造崛起之路培养学生的民族自信和文化自信。教学方式一体化教学评价方式课堂表现（30%）作业完成（30%）项目完成（40%）教学资源教学资源包含理论上使用的纸质或网络教学资源，实践课使用的设备、工具和耗材等资源。任课教师需保证所有资源可用。1.《数字电子技术》，杨志忠编著；2.数字电路实验箱25套，Multisima9.0仿真软件；3.网络学习资源：职教云，钉钉在线测试：第五单元单元测试

微视频：微课视频9：复兴·领航、微课视频：555定时器的应用等/design/process/edit.html?courseOpenId=9boyamcro69oaawrvqbbkw行业网站推荐：/products/design-tools/ise-design-suite.html单元教学设计第一次课（2学时根据根据实际教学时数填写。教学内容教学内容部分的详略可以根据实际情况调整。对于新教师、新课程，要求详细填写；其余填写内容要点即可。5.1555定时器课程思政：由复杂的数字系统设计引出“知行合一、知者行之始，行者知之成。”任务5.1555定时器典型应用电路的分析与设计测试【知识索引】5.1.1555集成电路的工作原理分析555集成电路概述在数字系统中，经常需要用到各种脉冲信号，如CP脉冲信号、生产控制过程中的定时信号等。这些脉冲信号的获取，通常采用两种方法：一种是利用脉冲信号发生器直接产生；另一种是对已有的信号进行变换整形，使之满足系统的要求。施密特触发器和单稳态触发器是两种不同用途的脉冲波形的整形、变换电路。施密特触发器主要用以将变化缓慢的或快速变化的非矩形脉冲变换成上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脉冲；单稳态触发器则主要用以将宽度不符合要求的脉冲变换成符合要求的矩形脉冲。目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有N555（或5G555）和C7555等多种。通常，双极型产品型号最后三位数码是555，CMOS产品型号的最后四位数码都是7555。除某些电气特性不同外，它们的结构、工作原理及外部引脚排列基本相同。一般双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时电路具有低功耗、输入阻抗高等优点。555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。双极型定时器电源电压范围为5V～16V，最大负载电流可达200mA；CMOS定时器电源电压范围为3V～18V，最大负载电流可达4mA以下。555定时器是一种多用途的中规模集成电路，其电路功能灵活，只要在外部配上少量电阻和电容元件，555集成芯片图5.1（a）所示为555定时器的电路结构原理图。图5.1图（b）为555定时器芯片管脚排列图，其引脚功能说明如下：1引脚：接地端。2引脚：低电平触发端。3引脚：输出端，输出电流可达200mA，直接驱动继电器、发光二极管、扬声器、指示灯等器件，输出电压约低于电源电压1V～3V。4引脚：复位端，若此端输入一负脉冲，而使触发器直接复位。不用时加以高电平。5引脚：电压控制端，此端可外加电压以改变比较器的参考电压，不用时一般通过0.01μF的电容接地。6引脚：高电平触发端。7引脚：放电端，当触发器的Q＝0时，TD导通，外接电容C通过此管放电。8引脚：电源端，可在5V～18V范围内使用。555定时器的基本功能表如5.1所示，设TH和TR端的输入电压分别为VI1和V5.1.2555定时器构成施密特触发器电路施密特触发器有一个最重要的特点，就是能够把变化缓慢的或快速变化的非矩阵脉冲，整形成为合适于数字电路需要的矩形脉冲，而且由于具有滞回特性，所以抗干扰能力很强。施密特触发器在脉冲的产生和整形电路中应用很广泛。电路结构将555定时器的TH⑥、TR②端连接起来作为信号输入端uI，便构成了施密特触发器，如图5.2所示。uO工作原理根据图5.1所示555定时器电路原理图和图5.3所示波形讨论施密特触发器的工作原理。当输入电压uI<VCC3时，显然，比较器C1输出为1，C2输出为0，基本RS触发器将工作在1状态，即Q=0，当输入电压上升到VCC3<uI<2VCC3时，显然当输入电压uI≥2VCC3时，显然，比较器C1输出会跳变为0，C2输出为1，基本RS触发器被翻转，由1状态翻转为0状态，即Q=1，Q=0当输入电压由大于2VCC3下降到VCC3<uI<2V当输入电压uI下降时uI<VCC3，比较器C1输出为1、C2输出将跳变为0，基本RS触发器被触发，由0状态翻转到1状态，即跳变到Q=0，Q=1，输出u由上述分析可知，施密特触发器的回差电压为∆图5.4所示为施密特触发器的电压传输特性。【实操技能1】555定时器构成施密特触发器的逻辑功能测试教学重点555定时器的电路结构555定时器构成施密特触发器555定时器构成施密特触发器逻辑功能测试教学难点555定时器构成施密特触发器555定时器构成施密特触发器逻辑功能测试教学流程教学环节“教学环节”根据教学课前、课中、课后的具体设计填写，如预习、引入新课、具体学习任务、课堂小结、作业等等，表格自行增删。教师活动教师对学生学习活动的把控及观察、评价等信息应在此处有体现，也可以在具体活动的前面描写设计意图或者在具体活动后面增加设计总结。学生活动学生在这个环节中要需要做的事情，包含是否采用分组学习以及如何分组、组内分工等信息。内容回顾1.回顾上一节课的内容；2.课程思政：由复杂的数字系统设计引出“知行合一、知者行之始，行者知之成。”1.使用学习通APP，抢答积极参与问答环节；2.讲解自己对预习知识点的理解。讲授1.讲授555定时器的电路结构和555定时器构成施密特触发器。2.555定时器构成施密特触发器逻辑功能测试思路；3.实验要完成的任务。1.学生积极参与学习通APP课堂互动；2.积极回答教师提问；3.认真思考、笔记记录关键内容。分组实操练习安排学生分组完成：1.简易任务：《555定时器构成施密特触发器逻辑功能测试》；2.学生操作时注意巡视；对于提前完成的同学，安排一人对一组帮扶任务，确保每组都能及时完成，不打击任何学生的学习积极性。分组完成：1.软件仿真；3.操作演示。4.填写实验结果任务书总结与课后任务1.总结本次课程内容；2.布置书面作业，观看微课视频9，写一篇观后感。1.思考教师总结；2.填写实验结果任务书第二次课（2学时根据根据实际教学时数填写。教学内容教学内容部分的详略可以根据实际情况调整。对于新教师、新课程，要求详细填写；其余填写内容要点即可。5.2.3555定时器构成单稳态触发器电路单稳态触发器具有以下几个特点：（1）电路仅有一个稳态，另一个是暂态；（2）在外加触发脉冲作用下，电路才能从稳态翻转到暂稳态，而暂稳态不能长久保持，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态；（3）暂稳态持续的时间取决于电路本身的参数，而与外加触发信号无关。由于具备这些特点，单稳态触发器被广泛应用于数字系统的脉冲整形、延时和定时等。电路结构555定时器构成的单稳态触发器如图5.5所示，R、C是定时元件；将555定时器的TR②作为触发信号输入端uI；uO工作原理根据图5.1所示555定时器电路原理图和图5.6所示波形讨论单稳态触发器的工作原理。讨论单稳态触发器的工作原理。（1）没有触发信号时电路工作在稳态无触发信号且uI为高电平时，电路工作在稳定状态Q=0和Q=1，uO若接通电源后，uI=UIH，555定时器中基本RS触发器是处于0状态，即Q=0和若接通电源后，uI=UIL，555定时器中基本RS触发器是处于1状态，即Q=1和Q=0，uO=UOH，TD截止，则这种状态是不稳定的。经过一段时间后，电路会自动地返回稳定状态。因为TD截止，电源VCC会通过R对C进行充电，uC将逐渐升高，当uC=uTH上升到23V（2）uI当uI下降沿到来时，电路被触发，立即由稳态翻转到暂稳态，Q=1、uO=UOH、TD（3）暂稳态的维持时间在暂稳态期间，电路中有一个定时电容C充电的渐变过程，充电回路是VCC→R→C→地，时间常数为τ1=RC。在电容上电压uC状态不变。（4）暂稳态结束时间比较器C1输出0，立即将基本RS触发器复位到0态，即Q=0和Q=1，（5）恢复过程当暂稳态结束后，定时电容C将通过饱和导通的晶体三极管TD放电，时间常数τ2=RCESC（RCES是T的饱和导通电阻，其电阻非常小，故τ2亦非常小），经过（3～5）τ2恢复过程结束后，电路返回到稳定状态，单稳态触发器又可接收新的输入信号。由工作原理分析可得，输出脉冲宽度是等于暂稳态时间，即定时电容C的充电时间。如图5.6所示，uC（0+）≈0，uC∞由上式可看出，单稳态触发器输出脉冲宽度tW仅决定于定时元件R、C的取值，与输入触发信号和电源电压无关，调节R、C即可改变t5.1.4555定时器构成多谐振荡器电路多谐振荡器是一种自激振荡电路，只要接通电源，在其输出端便可获得矩形脉冲，由于矩形脉冲中除基波外还含有极其丰富的高次谐波，所以常把这种电路称为多谐振荡器。多谐振荡器一旦起振之后，电路没有稳态，只有两个暂稳态，它们做交替变化，输出连续的矩形脉冲信号，因此它又称作无稳态电路。电路结构用555定时器构成的多谐振荡器如图5.8所示，R1、R2、C是外接定时元件，555定时器的TH⑥、TR②端连接起来接uC，晶体三极管集电极⑦接R1与R2工作原理根据图5.1所示555定时器电路原理图和图5.9所示波形讨论多谐振荡器的工作原理。接通电源前电容C上无电荷，所以接通电源瞬间，C来不及充电，故电容两端电压uC=0，比较器C1输出为1、C2输出为0，基本RS触发器Q=1、Q=0，uO=uOL、TD截止。之后，通过充电回路VCC→R1→R2→C→地，时间常数是τ1=（R1+R2）C，对电容C进行充电，当电容C充电至uC上升到23VCC时，比较器C1跳变为0，基本RS触发器立即翻转到0状态，Q=0、Q=1、TD饱和导通。之后，通过放电回路由图5.9可得，多谐振荡器的振荡周期为TtPH为电容C上的电压uC由13VCC充到23VCC所需要的时间。充电电源电压为VCC，充电时间常数为τ1=（ttPL为电容C上的电压uC由23VCC充到13VCC所需要的时间。时间常数为τ2=tT振荡频率为f占空比q是脉冲的宽度与脉冲周期之比，其计算公式为q【实操技能2】555定时器构成单稳态触发器的逻辑功能测试【实操技能3】555定时器构成多谐振荡器逻辑功能测试教学重点555定时器构成多谐振荡器电路结构；555定时器构成多谐振荡器逻辑功能测试；555定时器构成单稳态触发器电路结构；555定时器构成单稳态触发器逻辑功能测试；教学难点555定时器构成多谐振荡器电路结构；555定时器构成多谐振荡器逻辑功能测试；555定时器构成单稳态触发器电路结构；555定时器构成单稳态触发器逻辑功能测试；教学流程教学环节“教学环节”根据教学课前、课中、课后的具体设计填写，如预习、引入新课、具体学习任务、课堂小结、作业等等，表格自行增删。教师活动教师对学生学习活动的把控及观察、评价等信息应在此处有体现，也可以在具体活动的前面描写设计意图或者在具体活动后面增加设计总结。学生活动学生在这个环节中要需要做的事情，包含是否采用分组学习以及如何分组、组内分工等信息。内容回顾1.回顾上一节课的内容；2.抢答选取同学讲解对预习知识点的理解。1.使用学习通APP，抢答积极参与问答环节；2.讲解自己对预习知识点的理解。讲授1.讲授555定时器构成多谐振荡器电路结构和555定时器构成单稳态触发器电路结构。2.讲解555定时器构成多谐振荡器逻辑功能测试和555定时器构成单稳态触发器逻辑功能测试思路；3.实验要完成的任务。1.学生积极参与学习通APP课堂互动；2.积极回答教师提问；3.认真思考、笔记记录关键内容。分组实操练习安排学生分组完成：1.简易任务：《555定时器构成多谐振荡器逻辑功能测试》、《555定时器构成单稳态触发器逻辑功能测试》；2.学生操作时注意巡视；对于提前完成的同学，安排一人对一组帮扶任务，确保每组都能及时完成，不打击任何学生的学习积极性。分组完成：1.软件仿真；3.操作演示。4.填写实验结果任务书总结与课后任务1.总结本次课程内容；2.布置书面作业。1.思考教师总结；2.填写实验结果任务书第三次课（2学时根据根据实际教学时数填写。教学内容教学内容部分的详略可以根据实际情况调整。对于新教师、新课程，要求详细填写；其余填写内容要点即可。项目描述：555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成电路。只要外接少量的阻容元件，就可以用来产生脉冲，可进行脉冲的整形、展宽、调制等，因而在信号的生产与变换、自动检测与控制、定时、报警、家用电器及电子玩具等方便得到极为广泛的应用。本项目就此设计一款基于555定时器的红外感应开关控制电路，是以红外感应技术为基础的一种自动控制开关，通过感应外界散发的红外热量实现其自动控制功能，能够快速开启灯具、自动门、防盗报警器等各种电器设备。1.实训目的（1）了解并掌握红外探测、红外辐射测温和红外遥感技术的基本原理。（2）掌握采用555定时器设计应用电路的方法。2.实训要求（1）设计红外感应开关控制电路，画出仿真电路图。（2）仿真并调试红外感应开关控制电路。（3）硬件制作要求：正确选择元器件，自行搭建和调试电路。（4）撰写设计报告：写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。3.电路功能要求电路功能实现：当有人进入红外感应元件感应区后，元件会准确感应到人体周身红外信号的