电子技术课程设计：延时开关电路

湖南文理学院课程设计报告

课程名称： 电子技术课程设计 院 部： 电气与信息工程学院 专业班级： 自动化12101班 学生姓名： 占 文 兵 指导教师： 王 文 虎 完成时间： 2014年6月10号 报告成绩：

评阅意见： 评阅老师: 日期：

延时开关电路的设计

目 录

摘 要 .............................................................................................................................................. I ABSTRACT ................................................................................................................................... II 第一章 设计指标 ......................................................................................................................... 1 1.1 设计题目 ............................................................................................................................. 1 1.2 设计指标 ............................................................................................................................. 1 1.3 设计原理 ............................................................................................................................. 1 第二章 延时开关电路设计 ...................................................................................................... 2 2.1 系统模块及框图 ................................................................................................................. 2 2.2 单元电路的设计 ................................................................................................................. 2 2.2.1 延时电路 ...................................................................................................................... 2 2.2.2 时钟信号的产生电路 .................................................................................................. 4 2.2.3 声控电路 ...................................................................................................................... 5 2.2.4 延时显示电路 .............................................................................................................. 6 2.2.5 直流稳压电路 ............................................................................................................ 10 第三章 延时开关电路仿真与分析 ........................................................................................... 13 3.1 延时电路仿真 ................................................................................................................... 13 3.2 时钟信号产生电路仿真 ................................................................................................... 14 3.3 声控电路仿真 ................................................................................................................... 15 3.4 延时显示电路仿真 ........................................................................................................... 15 3.5 整流流稳压电路 ............................................................................................................... 16 总 结 ........................................................................................................................................... 17 参考文献 ....................................................................................................................................... 18 致 谢 ........................................................................................................................................... 19 附录一： 延时开关电路的电路图 ........................................................................................... 20 附录二：延时开关电路的元件明细表 ....................................................................................... 21

延时开关电路的设计 摘 要

延时开关电路是电力控制系统中的重要组成部分。它由延时电路、时钟信号产生电路、声控电路、延时显示电路、直流稳压电路单元电路构成。延时电路的功能是先输出高电平在不用人干预下过几分钟后自动变为低电平；时钟信号产生电路是由NE555定时器组成的多谐振荡器产生计数器所需的时钟信号；声控电路是用压电陶瓷片拾取声音信号并把声音信号变为电信号；延时显示电路是通过74LS47进行译码并驱动数码管显示；整流稳压电路采用LM7805把交流电变成稳定的5V直流电。借助Multisim10.0仿真软件对各电路进行了性能与功能仿真，通过仿真分析验证了设计的正确性，达到了设计的预期目的。

关键词 延时开关；声控；74LS47；多谐振荡器；LED

I

延时开关电路的设计 Abstract

The time delay switch circuit is an important part of the electric control systems. It is composed of delay circuit, clock signal generation circuit, voice circuit, delay display circuit and DC voltage stabilizing circuit. The delay circuit's function is to output high level and then covert it to low level current automatically after few minutes; the clock signal generating circuit is needed when multivibrator which is composed of NE555 timer generates clock signal for counter. Voice control circuit works as piezoelectric ceramic piece collect voice signal and turn it into electric signal; Delay circuit decodes message via 74LS47 and drives nixie tube work. Rectifying and voltage stabilizing circuit adopts LM7805 AC into 5V DC stable. With the aid of the Multisim10.0 simulation software performance and functional simulation of the circuit, the simulation results validate the correctness of the design, to achieve the desired purpose design.

Keywords Delay switch, Voice control, 74LS47, Multivibrator, LED

II

延时开关电路的设计 电平时，555定时器输出高电平。声控电路原理图如图2.7所示。 2.2.4 延时显示电路

延时显示电路，对灯点亮后距离延时熄灭的时间进行显示。根据在延时电路中设定延时的时间，在楼道照明电路工作时数码管点亮并显示距离停止工作的时间，在楼道照明电路停止工作时显示电路也停止工作，数码管熄灭。

如图2.8延时显示电路结构图

时钟信号 计数器 译码器╱驱动器 图2.8 延时显示电路结构图

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数码管显示

1. 74LS192集成芯片

74LS192是一种可预置8421BCD码并具有清除等功能的十进制同步加/减可逆计数器，

它采用双时钟逻辑结构，加计数和减计数具有各自的时钟通道，计数方向有时钟脉冲进入通道决定。其引脚排列及逻辑符号如图2.9所示。

（a）引脚排列

(b)逻辑符号

图2.9 74LS192的引脚排列及逻辑符号

Ⅰ. 74LS192N计数器的引脚及功能

LOAD：置数端。

UP：加计数端。 DOWN：减计数端。

CO： 非同步进位输出端。 BO：为非同步借位输出端。

A、B、C、D：为计数器输入端。

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延时开关电路的设计 CLR：清除端。 QA、QB、QC、QD：为数据输出端。

表2.1 74LS192的功能表

输入 CLR LOAD 1 0 0 0 × 0 1 1 UP × × ↑ 1 DOWN × × 1 ↑ D × d × × C × c × × B × b × × A × a × × QD 0 d 输出 QC 0 QB 0 QA 0 a c b 加计数 减计数 其功能表如表2.1所示。 Ⅱ. 使用方法

在本设计中用到的是74LS192N减计数器的功能。 i. ii.

当清除为高电平时不管计数时钟的状态如何，所有计数输出都为低电平。 当置入控制（LOAD）为低电平时，输出将随输入一起变化而与UP和DOWN无关。 iii.

计数上溢（为9）并且UP为低电平时，进位输出（CO）产生一个低电平脉冲。当计数下溢（为0）并且DOWN为低电平时，借位输出（BO）产生一个低电平。 iv.

清零端（CLR）高电平有效，置数控制端（LOAD）低电平有效。

Ⅲ. 反馈预置数法构成六十进制计数器

在延时电路中设置延时大时间为六分钟，在灯一点亮，数码管显示六分钟。秒十位输入端B和C接高电平，A和D接低电平。秒个位的四个输入端都接到低电平上。再把它的异步置数端LOAD端和它的借位输出相连，当它要向高为借位时输出端BO发出低电平使LOAD有效，此时系统自动将其置为0110即就是6。

由于74S192输出的是8421BCD码，要想驱动七段式数码管还要对BCD码进行转化。在译码驱动部分采用7段字译码器74LS74。

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2. 7段字译码器74LS74

Ⅰ. 74LS47的原理

7段字型译码器74LS47是由与非门，输入缓冲器和7个与或非门组成，输出低电平有效。74LS74将4位二进制编码—十进制数（BCD码）转化成7段字型码，然后去驱动一

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延时开关电路的设计 个7段显示器。在正常操作时，当输入DCBA=0010是，则输出abcdefg=0010010，故使显示器显示“2”。当输入DCBA=0110是，则输出abcdefg=1100000，显示器显示“6”。

74LS47N功能表如表2.2所示。 Ⅱ. 引脚功能

74LS47N七段显示译码器逻辑符号如图2.10所示。 A~D：输入端

OA~OG(a~g)：输出端，低电平有效。

图2.10 74LS47N逻辑符号

LT：灯测试输入端，当LT=0时，无论其他输入端时

什么状态，所有各端输出OA~OG均为1，显示字形8。该输入端常用于检查译码器本身及

表2.2 74LS47功能表

十进制数 LT RBI D 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 H H H H H H H H H H H × × × × × × × × × L L L L L L L L H H 输入 C L L L L H H H H L L B L L H L L L H H L L A BI/RBO a L H L L L H L H L H H H H H H H H H H H L H L L H L H L L L 输出 b L L L L L H H L L L c L L H L L L L L L L d L H L L H L L H L H e L H L H H H L H L H f L H H H L L L H L L g H H L L L L L H L L 字形 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 显示器个段的好坏。

BL：灭灯输入端，当BL=0，并且LT=1时，无论其他输入端是什么电平，所有各段输出OA~OG均为0，所以字形熄灭。该输入端用于将不必要显示的零熄灭。

RBI：动态灭零输入端，当LT=1，RBI=0时，如果DCBA=0000时a~g段均熄灭。 RBO：动态灭零输出端，它与灭灯输入BI共用一个引出端，当在动态灭零时输出才为0，可用于熄灭多位数字前后所不需要显示的零。 显示器采用七段数码管显示。 3. 数码管

Ⅰ. 7段数码管的结构和原理

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8

延时开关电路的设计 7段数码管一般由8个发光二极管组成，其中由7个细长的发光二极管组成数字显示，另外一个圆形的发光二极管显示小数点。

图2.11 7段数码管结构图

当发光二极管导通时，相应的一个点或一笔画发光，控制相应的二极管导通，就能显示出各种字符，尽管显示的字符形状有些失真，能显示的字符有限，但其控制简单，使用也方便。发光二极管的阳极连在一起称为共阳极数码管，发光二极管的阳极连在一起称为共阴极数码管。结构如图2.11所示。 Ⅱ. 7段数码管的显示

发光二极管时一种有磷化镓等半导体材料制成的，能直接将电能转变成光能的发光器件。当其内部有电流通过时，它就会发光。

7段数码管每段的驱动电流和其他单个发光二极管一样，一般为5~10mA，正向电压随发光材料不同表现为1.8~2.5V不等。

静态显示：当显示某一字符时，相应段发光二极管恒定地寻能可截止。

动态显示：就是一位一位地轮流点亮各位显示器，对于显示器的每一为而言，每隔一段时间点亮一次，显然在同时刻只有一位显示器在工作，单利用人眼的视觉残留效应和发光二极管熄灭时的余晖效应，看到的是多个字符“同时”显示。显示的亮度与点亮时导通电流和点亮时间和间隔时间的比例有关。

由于74LS47N输出低电平有效，所以在本次设计中采用共阳极数码管。 延时显示电路的原理图如图2.12所示。

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延时开关电路的设计 图2.12 延时显示电路原理图

2.2.5 直流稳压电路

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1. 整流电桥

所谓桥式整流电路，就是用二极管组成一个整流电桥,如图2.13所示。 当输入电压处于交流电压正半周时，二极管D1、

负载电阻RL、D3构成一个回路，输出电压Vo=vi-VD1-VD3。输入电压处于交流电压负半周时，二极管D2、负载电阻RL、D4构成一个回路，输出电压Vo=vi-VD2-VD4。图中滤波电容的工作状态。

由上述分析可知，二极管桥式整流电路输出的也是一个方向不变的脉动电压，但脉动频率是半波整流的一倍，可以得到桥式整流输出电压有效值Vorsm=0.9Ursm。

通过上述分析，可以得到桥式整流电路的基本特点如下：

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图2.13 整流电桥及仿真图

延时开关电路的设计 （1）桥式整流输出的是一个直流脉动电压。 （2）桥式整流电路的交流利用率为100%。

（3）电容输出桥式整流电路，二极管承担的最大反向电压为2倍的交流峰值电压（电容输出时电压叠加）。

（4）桥式整流电路二极管的负载电流仅为半波整流的一半。

（5）实际电路中，桥式整流电路中二极管和电容的选择必须满足负载对电流的要求。 在本设计中整流电桥和220V的交流直接相连,所以整流桥中的二极管选用1N4007,1N4007的具体参数如下:

(1) 最大可重复峰值反向电压VRRM：1000V (2) 最大反向峰值电流IR(AV)：30μA (3) 最大直流正向平均整流电流IF(AV)：1.0A (4) 正常工作的温度范围：﹣60℃--175℃

2. LM7805

LM7805是三端正电源稳压电路,它的封装形式为T0-220。它内部有电流限制，以及

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过热保护和安全工作区的保护，使它基本不会损坏。

LM7805的电参数如表2.3所示。内部结构电路如图2.14所示。

表2.3 LM7805电参数

参数 符号 条件 最小值 4.8 4.75 - - - - - - - - - 62 - - - - 典型值 5.0 5.00 4.0 1.6 9 4 5.0 0.03 0.3 -0.8 42 73 2 15 230 2.2 最大值 5.2 5.25 100 500 100 50 8.0 0.5 1.3 - - - - - - - 单位 V V mV mV mV mV mA mA mA mV/℃ μV/VO dB V mΩ mA A TJ=25℃ VO 5.0mA

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延时开关电路的设计

LM7805的工作最小输入电压为35V，所以在整流桥前没有进行降压。交流电经过整流后流入LM7805中，之后输出稳定的5V直流电压。在本设计中为了整流电路能输出更稳定的直流电，在LM7805的两端各接了一个极性电容。整体滤波整流电路原理图如图2.15所示。

图2.14 LM7805内部结构电路图

图2.15 滤波整流电路原理图

图中，C1用来改善纹波和抑制过电压，C2用来改善负载瞬态响应。

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延时开关电路的设计 第三章 延时开关电路仿真与分析

Multisim本是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具，被美国NI公司收购后，更名为NI Multisim ，而V10.0是其（即NI，National Instruments）最新推出的Multisim最新版本。NI Multisim 10用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。NI Multisim 10是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。

NI Multisim 10具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、 时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。

3.1 延时电路仿真

由于Multisim 10.0库里没有光电耦合器MOC3021，所以延时电路用Multisim 10.0和Protues 7.8进行了仿真。在应用中要延时6分钟，由于方便看波形，在Multisim仿真中把R1的电阻改小了，延时的时间也变短。仿真图如图3.1.1和图3.1.2所示，定时器输出端的电压和电容C1的电压波形图如图3.2所示。

图3.1.1 延时电路仿真图 图3.1.2 延时电路仿真图

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延时开关电路的设计

图3.2中，前面只有一种波形的那段是当开关断开时电容C1的电压波形,表现出电容

图3.2 延时电路的电压波形

器C1的放电过程。当闭合时，输出约为5V的电压，灯点亮并伴随着有电容器C1充电，电容器C1充到

10V时输出端电压变为0，灯熄灭。 33.2 时钟信号产生电路仿真

经过计算和仿真分析，当R1=10kΩ，R2=100kΩ，C1=6.8μF时，电路输出频率约为1Hz的矩形波。时钟信号产生电路仿真图如图3.3所示，输出频率为1Hz的脉冲信号波形图如图3.4所示。

图3.3 时钟信号产生电路仿真图

图3.4（时钟信号产生电路电压输出波形图）

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延时开关电路的设计 3.3 声控电路仿真

用函数信号发生器和一个开关来代替压电陶瓷片和声音信号。声控电路仿真图如图3.5所示。经过仿真分析，当图3.5中的隔直电容C3过大时，不能达到声控延时的目的。当C3的值过大时，用示波器测出的波形如图3.6所示。当减少C3的值后，用示波器测出的波形如图3.7所示。

图3.5 声控电路仿真图

图3.6 C3值较大时波形图

图3.7 C3值较小时波形图

3.4 延时显示电路仿真

74LS47N对74LS192N输出的8421BCD码进行编译，输出7段字型码，驱动7段字数码管。在仿真中用5V/1Hz的脉冲源充当时钟信号产生电路。延时显示电路仿真效果图如图3.8所示。

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延时开关电路的设计 图3.8 延时显示电路仿真图

3.5 整流流稳压电路

采用Mutisim10.0对滤波延时电路进行仿真，当输入220V/50Hz的交流电视，经过整流桥和LM7805后，输出5V的直流电。滤波整流电路仿真图如图3.9所示，滤波整流电路输出的电压波形如图3.10所示。

图3.9 直流稳压电路仿真

图3.10 直流稳压电路输出电压波形

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延时开关电路的设计 总 结

延时开关电路是电力控制系统中的重要组成部分。它由延时电路、时钟信号产生电路、声控电路、延时显示电路、直流稳压电路构成。延时电路的功能是先输出高电平在不用 人干预下过几分钟后自动变为低电平。其电路时由NE55定时器组成的单稳态触发器，有较稳定的输出。通过改变电容和电阻的值来改变稳态跳变的时间，从而改变高电平输出的时间。时钟信号产生电路是由NE555定时器组成的多谐振荡器，产生计数器所需的时钟信号。此电路通过改变相关电容和电阻的值来改变振荡的频率，经计算当相关电容和电阻为某值时振荡器可输出频率约为1Hz电信号。声控电路时用压电陶瓷片拾取声音信号并把声音信号变为电信号，通过此电信号来触发延时电路，使其输出高电平。在此电路的设计中，注意隔直电容的值要取较小的。延时显示电路是74LS192在时钟信号的作用下计数，但74LS192输出的是4位8421BCD码，不能驱动7段数码管，所以还需译码。采用74LS47把74LS192输出的4位8421BCD码译成7位8421BCD码并驱动数码管显示。整流稳压电路采用LM7805把交流电变成稳定的5V直流电。各个单元电路设计完成后，通过Multisim10.0软件进行仿真分析，从仿真结果可以看出各个单元电路都达到了预期的设计要求。

在延时开关电路的单元电路设计中，直流稳压电路设计得比较好，它通过运用专用的整流稳压集成芯片LM7805，在其两端分别接了一个电容，它们改善纹波和抑制过电压以及改善负载瞬态响应。该电路性能稳定度高，可输出稳定的5V直流电压。从总体上来看，整个设计已经达到了预期的设计要求，但也有不足需要改进的地方。延迟和显示的时间 只能在电路内部可调，用户在外面是不可以根据自己的需要对其进行调节。当延迟的时间改变时，显示电路也要相应的改变。其次在延时显示电路中采用NE555构成的多稳态触发器产生的时钟信号频率约为1Hz，这使得计时不是很精确。由于本设计显示的时间不需很精确，所以采用NE555构成的多稳态触发器来产生的时钟信号是可行的，如果要很精确的时间可采用晶振。

经过一段时间才把整个设计做完，在做的过程中遇到了不少的问题，就是在解决问题中让自己学到了许多。让我明白了理论是实践的基础，通过实践加深了对理论的理解。在设计过程中，锻炼了自己的动手能力。

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延时开关电路的设计 参考文献

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[5] 吴新开.电子测试、仿真与制作技术（第一版）[M].长沙：中南大学出版社，2009. [6] 李毅. 数字电子技术实验.[M]. 西安市：西北工业大学出版社, 2009. [7] http:// www.21ic.com [8] http://www.icbase.com [9] http://www.alldatasheet.com [10] http://www.elecfans.com [11] http://www.360doc.com

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延时开关电路的设计 致 谢

经过一段时间的电子技术课程设计后，成功的完成了延时开关电路的设计。在设计过程中，有着太多的艰辛与痛苦，也就是这样的一个过程让我明白了做好一件事的确实不容易。我也真正的懂得了要想把事情做好，必须要有耐心和严谨的态度。在设计的过程中遇到了很多的问题，每当遇到一个问题，如果不先解决这个问题，后续的设计就没法做。然而有时候一个问题可能困扰着你很长的一段时间，这时就需要足够的耐心去分析和寻找解决问题的方法，同时在设计每一个单元电路要持有严谨的态度，避免对其他的单元电路带来影响。

在此我首先要感谢我的父母，感谢他们给予我生命，让我有来到世界的机会，感谢他们20年来对我的养育和无微不至的照顾。他们文化程度不高，有时对我要做的事和所学的东西不清楚，但他们总是在一旁支持和鼓励着我。正是有了他们那无私的爱和支持与鼓励，我才有勇气不断地往前冲，才有我各方面的不断进步。

同时我也要感谢湖南文理学院，感谢他为我提供了良好的学习环境，感谢他这几年对我的培养。他不但让我在知识层面上有很大的提高，而且教会了我许多为人处事的道理。

然后我要感谢我的指导老师，王文虎老师。在整个设计中他给了我很大的帮助，他教会了我如何去做好一个设计，指导了我怎么分析电路和对电路应怎么仿真。在报告撰写过程中，仔细地分析了我的报告，教了我怎么写好一份报告，在他的指导下对报告进行了一遍又一遍的修改。同时，他在指导我设计的过程中教了我许多做人做事的道理。他那做事认真和严谨的态度深深地感染了我，让我知道了做每一件事都应该以认真和严谨的态度去对待，当遇到问题时要不断地分析问题和寻找解决问题的最佳方法，不要怕麻烦和辛苦。

最后我要感谢我的同学，感谢李燕军学长，在设计过程中他给了我许多实际性的帮助。在设计阶段给了我一些建议，教了我许多实践经验。在报告撰写过程中，告诉了我一些报告的要求和仿真软件的一些技巧。感谢自动化12101班所有的同学，感谢他们陪伴我一起走过大学的时光，感谢他们让我在集体中成长。感谢我的室友们，感谢他们在深夜陪我一起奋斗，感谢他们给予我精神支持。

感谢所有给予我帮助或鼓励的人，在此向他们致敬！

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延时开关电路的设计 附录一： 延时开关电路电路图

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延时开关电路的设计 附录二：延时开关电路的元件明细表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 代号 U1、U2 N2、N3 N1 U3 U4、U5、U6 U7、U9、U9 U10、U11、U12 V1、V2、V3、V4 V 6 L T C2、C3、C9 C1 C8 C4、C5、C6、C7 R1 R2、R7 R6 R4、R5 R8~R31 名称 定时器 稳压模块 光电耦合器 逻辑非门 译码器 译码器 数码管 整流二极管 可控硅 灯泡 变压器 瓷片电容 电解电容 电解电容 电解电容 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 规格 NE555 LM7805 MOC3021 74LS04 74LS192N 74LS47N HDSR-7801 1N4007 220V/30W 6.3V 103 220μF/10V 6.8μF/50V 10μF/50V 1M/0.25W 100k/0.25W 10k/0.25W 100Ω/0.25W 300Ω/0.25W 数量 2 2 1 1 3 3 3 4 1 1 1 3 1 1 4 1 2 1 2 24 备注

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/yo1h.html