機電一體化專業(yè)課程設(shè)計應(yīng)急燈控制電路設(shè)計

1、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(yīng)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

2、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(yīng)急照明燈總電路設(shè)計164.1新穎智能應(yīng)急照明燈電路圖164.2新穎智能應(yīng)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

3、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(xué)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(yīng)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(yīng)用技術(shù)已經(jīng)可以是衡量一個國家科技以及工

4、業(yè)發(fā)展水平的一個重要水準(zhǔn)之一。本次課程設(shè)計的新穎智能應(yīng)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(yīng)急燈是必不可少的設(shè)施。目前市面上大多數(shù)應(yīng)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(yīng)急燈也會點亮，很浪費資源。而本次研制的“新穎智能照明應(yīng)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(yīng)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(yīng)急燈照明的需要。關(guān)鍵詞：應(yīng)急照明燈, ne555,cd

5、4049，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(dāng)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(dāng)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(yīng)急燈了。本次介紹的應(yīng)急燈在停電時能根據(jù)光敏探頭檢測到的光線強弱和當(dāng)時是否需要照明等因素進行邏輯運算，決定應(yīng)急燈的點亮或不點亮。本次設(shè)計的新穎智能應(yīng)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。

6、 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(yīng)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

7、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(fù)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(yīng)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

8、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(dāng)?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(dāng)=0時，輸出電壓vo=voc為低電平，vt飽和導(dǎo)通。當(dāng)=1時，vth>2/3vcc、v>1/3

9、vcc時，c1輸出低電平，c2輸出高電平，q=0，vo=voh ，td導(dǎo)通。當(dāng)=1時，vth<2/3vcc、v>1/3vcc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(dāng)=1時，vth<2/3vcc、v<1/3vcc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(zhǔn)電壓網(wǎng)絡(luò)由三個阻值為5千歐的電阻器組

10、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(yīng)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

11、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(dǎo)通；腳3是輸出端v，電流可達2000ma;腳4是強制復(fù)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(zhǔn)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

12、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(yīng)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(dǎo)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(yīng)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)

13、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

14、.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

15、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(dāng)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

16、，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(yīng)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(yīng)急燈保持點亮狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)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(yīng)急燈熄滅。當(dāng)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(yīng)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

17、特觸發(fā)器，當(dāng)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(fù)位端，當(dāng)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(fù)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(dāng)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(dǎo)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(yīng)急照明燈點亮。當(dāng)應(yīng)急照明燈的光線照射光敏探頭使vtd、vtl導(dǎo)通時，a點升為

18、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(yīng)保持在低電平，q, d點保持在高電平，應(yīng)急照明燈應(yīng)繼續(xù)點亮。c3的作用是保證應(yīng)急照明燈點亮?xí)r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(fù)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(yīng)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

19、阻值，可調(diào)整鉛蓄電池的低電壓報警點（一般選10.5v），當(dāng)鉛蓄電池電壓下降到設(shè)定電壓時，vt5截止，vt6導(dǎo)通，發(fā)光二極管vd10點亮，發(fā)出紅光報警，但不停止應(yīng)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(yīng)急燈熄滅，如報警時照明不重要，可按下sb1而強制關(guān)掉應(yīng)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(dāng)q端輸出高電平使vt3飽和導(dǎo)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，

20、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(yīng)急照明燈總電路設(shè)計4.1新穎智能應(yīng)急照明燈電路圖 圖4.1智能應(yīng)急照明燈電路圖4.2新穎智能應(yīng)急照明燈工作原理智能應(yīng)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

21、出高電平，于是控制電路啟動節(jié)能燈電路工作，應(yīng)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(yīng)急燈保持點亮狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)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(yīng)急燈熄滅。當(dāng)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(yīng)急照明燈不會啟動點亮。就是說應(yīng)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(yīng)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,v

22、t1、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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(fù)位端，當(dāng)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(fù)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

23、電平。這里強制復(fù)位的作用是：當(dāng)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(fù)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(yīng)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(dāng)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

24、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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)通，a、b、b1點轉(zhuǎn)為高電平，由于vt2導(dǎo)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(yīng)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(dāng)蓄電池電壓下降到設(shè)定電壓時，vt5截止，vt6導(dǎo)通，發(fā)光二極管vd