Разработка электронного устройства

Федеральное агентство по образованию РФ

Санкт-Петербургский государственный  электротехнический университет «ЛЭТИ»

 

 

Кафедра ЭПУ

 

 

 

 

Курсовая работа

Дисциплина: Схемотехника

Тема: «Разработка электронного устройства»

 

 

 

Выполнил: Гилёв М.В.

ФЭЛ, гр. 8202

 

Проверил: Ухов А.А.

к.т.н., доцент

 

 

 

Санкт-Петербург

2012 год

Оглавление

 

1. Назначение проектируемого устройства _________________________ 3
2. Структурная схема проектируемого устройства ___________________ 4
3. Описание работы проектируемого устройства с обоснованием выбора типовых элементов ___________________________________________ 6
1. Временные диаграммы __________________________________ 6
2. Описание работы схемы по блокам ________________________ 7
3. Обоснование выбора элементов ___________________________ 7
4. Расчет элементов схемы устройств _____________________________ 9
5. Электрическая принципиальная схема устройства _______________ 11
6. Перечень элементов электрической принципиальной схемы _______ 12
7. Список использованной литературы ___________________________ 13
8. Приложение _______________________________________________ 14

Приложение 1 _________________________________________ 14

Приложение 2 _________________________________________ 15

Приложение 3 _________________________________________ 16

Приложение 4 _________________________________________ 17

Приложение 5 _________________________________________ 18

Приложение 6 _________________________________________ 19

Приложение 7 _________________________________________ 21

Приложение 8 _________________________________________ 22

 

 

 

 

 

1. Назначение проектируемого устройства

 

Автомат управления освещением в подсобном помещении, который  должен автоматически включать освещение  при входе человека в помещение  и выключать освещение через 1 минуту после ухода человека. В качестве датчиков используются две пары: светодиод-фотодиод. Мощность освещения 120 ВТ (220 В).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Структурная схема проектируемого устройства

 

Рис. 1. Принципиальная структурная  схема проектируемого устройства.

 

На Рис. 1. представлена структурная схема устройства. Принцип работы схемы достаточно прост и заключается в следующем: на входе в подсобное помещение последовательно поставлены пары светодиод-фотодиод. Когда человек проходит в помещение, пары светодиод-фотодиод поочередно перекрываются, что приводит к изменению количества света падающего на фотодиоды. На выходе фотодиодов в такие моменты появляются низкие уровни сигнала. Эти сигналы инвертируются и изменяются таким образом, чтобы в отсутствие человека на выходе инверторов были нулевые логические уровни, а в присутствии между парой светодиод-фотодиод, - единичные.

Полученные сигналы поступают  на входы RS-триггера, который в начальный момент времени находится в состоянии, когда на прямом выходе у него нулевой уровень сигнала, то есть свет выключен. Если человек заходит в помещение, то сперва пересекает пару СД1-ФД1, что приводит к подаче логической единицы на R-вход триггера, что не изменяет состояния на его выходе. Таким образом человек может передумать заходить в помещение почти зайдя в него, но не вызвав включения света. Когда же человек освобождает первую оптопару, что приводит к подаче на R-вход триггера логического нуля, и пересекает вторую, логическая единица отправляется на S-вход триггера и меняет состояние на его выходе.

Как только состояние на выходе триггера изменилось, происходит замыкание коммутационного реле, - свет включается. В таком состоянии схема может находиться сколь угодно долго, так как триггер сохраняет сигнал на выходе.

Когда человек решает покинуть помещение, то сперва он пересекает вторую оптопару, что не изменяет состояния триггера, а затем пересекает первую, что приводит к тому, что выходы триггера меняют свои состояния.

Ко второму выходу триггера подключено устройство задержки. Оно  срабатывает по положительному фронту сигнала на входе. Таким образом, когда человек выходит из помещения  совсем и пересекает тем самым  первую оптопару, устройство задержки получает высокий логический уровень на входе вследствие того, что изменились состояния на выходах триггера, и инверсный выход перешел в состояние с высоким логическим уровнем.

В течении одной минуты на устройство «ИЛИ» устройство задержки будет выдавать уровень логической единицы, поддерживая освещение включенным, после чего свет будет окончательно выключен, если человек не успеет за минуту вернуться в помещение. Если человек успевает вернуться, то свет продолжает гореть.

Важным является то, что  следует размещать оптопары на достаточном расстоянии друг от друга, чтобы не было перекрытия двух оптопар одновременно.

 

 

 

 

3. Описание работы проектируемого устройства с обоснованием выбора типовых элементов

 

1. Временные диаграммы

 

Рис. 2. Временные диаграммы  работы схемы.

 

Описать работу устройства можно при помощи тактовых диаграмм, представленные на Рис. 2. U_out1 – это сигнал с первого датчика, U_out2 – это сигнал со второго. Q – это сигнал с прямого выхода триггера, -Q – это сигнал с инверсного выхода, а Qзадержанный – это, соответственно, сигнал с инверсного выхода прошедший через устройство задержки. Свет – сигнал на выходе элемента «ИЛИ».

2. Описание работы схемы по блокам

 

ИК светодиоды подключены через ограничительные резисторы  к источнику питания. Луч со светодиодов  падает на активную область светодиодов создавая в их цепях токи. Токи фотодиодов сперва усиливаются операционным усилителем с заданным коэффициентом усиления. Выходной сигнал с операционного усилителя поступает на инверсный вход компаратора. Так же на компаратор подается опорное напряжение, оно задается делителем напряжения на резисторах. Сигнал с операционного усилителя сравнивается с опорным напряжением и с выхода компаратора сигналы идут на соответствующие входы RS-триггера.

Принцип работы триггера, одновибратора и логического элемента «ИЛИ» показан на представленных выше временных диаграммах (Рис. 2).

Выход элемента «ИЛИ» соединен с резистивным делителем, напряжение с этого делителя поступает на базу транзистора, включенного по схеме  с общим эмиттером. В коллекторную цепь включено коммутационное реле. Если на входе делителя напряжение низкое, то тогда транзистор закрыт, как  следствие, ток по обмотке реле не течет и цепь освещения разомкнута. Если же подать высокое напряжение, то транзистор откроется и реле замкнет  цепь питания лампы. Тогда свет включается.

 

3. Обоснование выбора элементов

 

• Светодиоды. 2 штуки. Я выбрал в качестве СД1 и СД2 светодиоды TSAL5100 фирмы Vishay, поскольку они обладают узкой диаграммой направленности, высокой мощностью и имеют максимум излучения на длине волны 940нм. (См. Приложение 1)
• Фотодиоды. 2 штуки. Я выбрал в качестве ФД1 и ФД2 фотодиоды той же фирмы Vishay BPW20RF. Они имеют максимум в спектральной характеристике на длине волны, как раз, 920 нм, что близко к спектральному максимуму выбранных светодиодов. (См. Приложение 2)
• Компараторы LM311N. Они имеют выход типа ОК, то есть к ним можно подсоединять повышенную нагрузку, что должно быть хорошо. Работает LM311N в широком диапазоне напряжений питания. (См. Приложение 3)
• Операционные усилители. Их два на оной микросхеме AD8066, что экономит место. (См. Приложение 4)
• RS-Триггер. Я предпочел выбрать микросхему К155ТР2, поскольку она отечественного производства и она достаточно популярна. На одной микросхеме установлено 4 триггера, но используется в схеме только один. (См. Приложение 5)
• Одновибратор. Для схемы был выбран ждущий мультивибратор с повторным запуском. Микросхема К155АГ3. (См. Приложение 6)
• Элемент «ИЛИ». Микросхема SN74LS32N, которую мне посоветовали на форуме радиолюбителей. Является аналогом К555ЛЛ1. Она имеет 4 элемента «ИЛИ», но, как и в случае с триггерами, используется только 1.
• Транзистор. В качестве транзистора для ключа был выбран подходящий для этого Транзистор КТ315Б, он совместим с сигналами логических микросхем. (См. Приложение 7)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Расчет элементов схемы устройств

 

1. R₁ и R₂

Мощность светодиодов  для получения нужного тока через  фотодиод зависит от того в каком  месте расположены оптопары, поэтому лучше оставить некоторую возможность для подстройки. Поэтому рассчитывать следует минимальное значение ограничительного резистора.

 

2. R₃ и R₄

Эти резисторы задают напряжение на выходе операционного усилителя  при заданном токе через фотодиод. Так как это напряжение будет  сравниваться с опорным, то следует задать заранее оба напряжения.

 

Выходное напряжение будет  равно напряжению падающему на резисторе при протекании заданного тока фотодиода. Типовое значение тока составляет 60 микроампер.

 

3. R₅ и R₆

Эти резисторы образуют делитель напряжения, который будет задавать опорное напряжение на компаратор. Опорное напряжение мы положили равным 3В.

 

 

4. R₇

Это ограничительный резистор для подключения напряжения питания  логических интегральных микросхем  к выходу типа ОК, его берут небольшим, порядка сотен Ом. Возьмем его 510 Ом.

5. R₈ и С₁

Эти элементы задают длительность импульса генерируемого ждущим мультивибратором. Для расчета данного одновибратора применяется формула:

 

R₈ принимает значения от 8 до 25 кОм, что с помощью формулы позволяет получить требуемую емкость для заданного сопротивления. Взяв сопротивление в 20 кОм, мы получаем, что нам требуется емкость 100 мкФ.

6. R₉ и R₁₀

Резистивный делитель, который  создает необходимое напряжение на базе, если мы подаем 5 В на вход. Возьмем R₉=5,1 кОм, и R₁₀=10 кОм, что даст нам требуемое деление напряжения.

 

5. Электрическая принципиальная схема устройства

 

Электрическая схема устройства доступна и находится в приложении к пояснительной записке. (См. Приложение 8)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Перечень элементов электрической принципиальной схемы

 

Обозначение	Тип элемента	Номинал	Шифр
R1	Резистор	Не менее 37 Ом
R2	Резистор	Не менее 37 Ом
R3	Резистор	1 МОм
R4	Резистор	1 МОм
R5	Резистор	2 МОм
R6	Резистор	3 МОм
R7	Резистор	510 Ом
R8	Резистор	20 КОм
R9	Резистор	5,1 КОм
R10	Резистор	10 КОм
С1	Конденсатор	100 мкФ
VD1, VD2	ИК светодиод	Imax=100mA Umax=1,35	TSAL5100
VD3, VD4	ИК фотодиод	Ik=60мкА	BPW20RF
VD5	Диод выпрямительный	Iимп.max=60A	1N4935
DA1	Операционный усилитель		AD8066
DA2, DA3	Компаратор		LM311
DD1	RS-триггер		К155ТР2
DD2	Одновибратор		К155АГ3
DD3	Логический элемент «ИЛИ»		SN74LS32N
K1.1	Электромагнит
K1.2	Контакт реле
EL1	Лампа освещения	120 Вт (220 В)