大功率LED触摸开关电路的设计.doc

课程设计(论文)

题 目 名 称 电子技术课程设计
课 程 名 称 大功率LED触摸开关电路的设计
学 生 姓 名 芮超
学 号 1241201077
系 、专 业 电气工程系、12电气工程及其自动化
指 导 教 师 聂俊飞

2014年 5月 30日

邵阳学院课程设计（论文）任务书
年级专业
12电气工程及其自动化
学生姓名
芮超
学 号
1241201077
题目名称
大功率LED触摸开关电路的设计
设计时间
2014．5．19
2014．5．30
课程名称
电子技术课程设计
课程编号
121202306
设计地点
电工电子实验分室
408、409室
一、课程设计（论文）目的
通过课程设计，使学生加巩固和加深对电子电路基本知识的理解，学会查寻资料、方案设计、方案比较，以及单元电路设计计算等环节，及系统电路的构成。进一步提高学生综合运用所学知识的能力，提高分析解决实际问题的能力。锻炼分析、解决电子电路问题的实际本领，通过此综合训练,为以后毕业设计打下一定的基础。
二、已知技术参数和条件
用中小规模集成芯片设计并制作大功率LED触摸开关电路。
1．了解并掌握电路设计的基本思想和方法，学会科学分析和解决问题。
2．熟悉几种常用集成数字芯片，掌握其工作原理，进一步学会使用其进行电路设计。
3．熟悉和掌握555时基电路的引脚和功能。
6．选择合适的电阻、电容三极管的器件。
7．完成全电路理论设计、制作、调试，并画出电路原理图。

三、 任务和要求
1. 按学校规定的格式编写设计论文。
2. 论文主要内容有：①课题名称。②设计任务和要求。③方案选择与论证。④方案的原理框图，系统电路图，以及运行说明；单元电路设计与计算说明；元器件选择和电路参数计算的说明等。⑤用protuse或其它仿真软件对设计电路仿真调试。对调试中出现的问题进行分析，并说明解决的措施；测试、记录、整理与结果分析。⑥收获体会、存在问题和进一步的改进意见等。

注：1．此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效；
2．此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。

四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设备等）
主编张克农 .数字电子技术. 高教出版社出版.第一版.2006年
彭介华 主编.电子技术课程设计指导》.高教出版社出版.第一版.2002年
曾建唐 主编.《电工电子基础实践教程》.机械工业出版社.2002年
康光华 主编.《电子技术基础》.高教出版社出版.第四版.1999年
电子电工实验室可以提供的主要仪器设备：
示波器　型号规格VP-5220、电子学习机　型号规格WL-V、万用表　MF10；以及分立元件、或中规模集成芯片。

五、进度安排
2014年5月 19日-20日：收集和课程设计有关的资料，熟悉课题任务何要求
2014年5月 21日：总体方案设计，方案比较，选定方案；
2014年5月22日- 26日：单元电路设计，参数计算，元器件选择，电路图；
2014年5月27日28日：系统调试改进
2014年5月29日：整理撰写设计论文；
2014年5月30日：修改论文、答辩
六、教研室审批意见
设计目的明确，要求合理，难度适中，符合课程设计教学要求。

教研室主任（签字）： 2014年4月30日
七、主管教学主任意见

符合课程设计要求

主管主任（签字）： 2013年4月30日
八、备注

指导教师（签字）： 学生（签字）：

邵阳学院课程设计（论文）评阅表

学生姓名 芮超 学 号 1241201077
系 电气工程系 专业班级 12电气工程及其自动化
题目名称 大功率LED触摸开关电路的设计 课程名称 电子技术课程设计
一、学生自我总结
在这一次的课程设计中，不仅学会且加深了基础的专业知识，还锻炼了自己专业知识设计的能力；还熟悉了很多的硬件设备，更重要的是使我在学习和掌握这些知识的同时，加深了自己对此方面的思维印象，巩固了专业设计的技能，培养了本身的相关技能，为以后的学习和工作做了良好的铺垫。

学生签名： 年 月 日
二、指导教师评定
评分项目
平时成绩
论文
答辩
综合成绩
权 重

单项成绩

指导教师评语：

指导教师（签名）： 年 月 日
注：1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面；
2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。

摘　要
近年来,大功率白光LED因其高效、节能、环保、寿命长、高可靠性等优点逐渐在照明领域获得广泛应用。在提倡“建立节约型社会”的今天,大功率白光LED已经开始替代白炽灯、荧光灯等传统照明光源,成为21世纪的新一代照明光源。大功率白光LED产业的蓬勃发展有力地推动了LED驱动集成电路产业的前进,使LED驱动集成电路已成为电源管理市场的重要组成部分,孕育着巨大的商机。目前在国内,LED驱动集成电路的发展还处于起步阶段,为了抓住机遇,紧跟潮流,本次课题的选题就是设计一款大功率LED触摸开关电路。介绍了LED驱动集成电路的发展,指出恒流驱动是照明LED驱动的发展方向。通过对各种恒流调制原理的分析,指出滞环电流控制是一种具有自稳定性、系统结构简单的恒流调制方式,适合于对照明LED进行恒流驱动。用中小规模集成芯片设计并制作大功率LED触摸开关电路。了解并掌握电路设计的基本思想和方法，学会科学分析和解决问题。使用NE555实现大功率LED的亮灭。用protuse仿真软件对设计电路仿真调试，验证了结果的正确性。对调试中出现的问题进行分析，并说明解决的措施；测试、记录、整理与结果分析。
关键词：NE555;7400;proteus

目录

摘要 I
1、设计目的及任务要求 1
2、硬件电路的设计 2
2.1 555集成电路 2
2.2 555集成电路管脚 3
2.3电容的概述 3
2.4 74LS00的概述 5
2.5大功率LED的概述 5
2.6确定元器件及元件参数 7
3、总体电路图及仿真结果 8
3.1 总体电路图 8
3.2 仿真结果 8
4、分析与心得 9
致谢 10
参考文献 11

II
1、设计目的及要求
（1)．了解并掌握电路设计的基本思想和方法，学会科学分析和解决问题。
(2）．熟悉几种常用集成数字芯片，掌握其工作原理，进一步学会使用其进行电路设计。
(3)．熟悉和掌握555时基电路的引脚和功能。
(4)．选择合适的电阻、电容三极管的器件。
(5)．完成全电路理论设计、制作、调试，并画出电路原理图。
(6)、用protuse或其它仿真软件对设计电路仿真调试。对调试中出现的问题进行分析，并说明解决的措施；测试、记录、整理与结果分析。
(7)、收获体会、存在问题和进一步的改进意见。
(8)、完成课程设计，学习更多知识与经验。

2、单元电路的设计
2.1 555集成电路

（a）
图2.1 555集成电路内部图
图2.1(a)所示，这个特殊的触发器有两个输入端：阈值端(TH)可看成是置零端R，要求高电平，触发端(TR)可看成是置位端S，要求低电平，有一个输出端Vo，Vo可等效成触发器的Q端，放电端(DIS)可看成是由内部放电开关控制的一个接点，由触发器的Q端控制：Q=1时DIS端接地，Q=0时DIS端悬空。另外还有复位端MR，控制电压端Vc，电源端VDD和地端GND。
这个特殊的触发器有两个特点：
(1)两个输入端的触发电平要求一高一低，置零端R即阈值端(TH)要求高电平，而置位端s即触发端(TR)则要求低电乎;
(2)两个输入端的触发电平使输出发生翻转的阈值电压值也不同，当V c端不接控制电压时，对TH(R)端来讲，>2/3VDD是高电平1,<2/3VDD是低电平0：而对TR(S)端来讲，>1/3VDD是高电平1，<1/3VDD是低电平0。如果在控制端(Vc)上控制电压Vc时，这时上触发电平就变成Vc值，下触发电平就变成1/2Vc值，可 见改变控制端的控制电压值就可以改变上下触发电平值。它的功能表见图2.1(b)所示。
我们也可以把555集成电路成一个带放电开关的R-S触发器。555集成电路开始是作定时器应用的，所以叫做555时基电路。但后来经过开发，它除了作定时延时控制外，还可用于调光、调温、调压、调速等多种控制及计量检测。此外，还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路，用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制等。由于它工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被广泛用于各种电子产品中，555集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较器、基本R-S触发器、放电管以及缓冲器等，电路比较复杂，是模拟电路和数字电路的混合体。
2.2 555集成电路管脚
555集成电路是8脚封装，双列直插型，如图2.2(a)所示，按输入输出的排列可看成如图2.2(b)所示。其中6脚称阈值端(TH)，是上比较器的输入；2脚称触发端(TR)，是下比较器的输入；3脚是输出端(Vo)，它有0和1两种状态，由输入端所加的电平决定；7脚是放电端(DIS)，它是内部放电管的输出，有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定；4脚是复位端(MR)，加上低电平时可使输出为低电平；5脚是控制电压端(Vc),可用它改变上下触发电平值；8脚是电源端，1脚是地端。
(a) (b)
图2.2 NE555管脚图
2.3 电容的概述
(1)、电容器的正确选择
①应根据电路要求选择电容器的类型。对于要求不高的低频电路和直流电路，一般可选用纸介电容器，也可选用低频瓷介电容器。在高频电路中，当电气性能要求较高时，可选用云母电容器、高频瓷介电容器或穿心瓷介电容器。在要求较高的中频及低频电路中，可选用塑料薄膜电容器。在电源滤波、去耦电路中，一般可选用铝电解电容器。对于要求可靠性高、稳定性高的电路中，应选用云母电容器、漆膜电容器或钽电解电容器。对于高压电路，应选用高压瓷介电容器或其他类型的高压电容器。对于调谐电路，应选用可变电容器及微调电容器。
  ②合理确定电容器的电容量及允许偏差。在低频的耦合及去耦电路中，一般对电容器的电容量要求不太严格，只要按计算值选取稍大一些的电容量便可以了。在定时电路、振荡回路及音调控制等电路中，对电容器的电容量要求较为严格，因此选取电容量的标称值应尽量与计算的电容值相一致或尽量接近，应尽量选精度高的电容器。在一些特殊的电路中，往往对电容器的电容量要求非常精确，此时应选用允许偏差在±0.1％～±0.5％范围内的高精度电容器。
  ③选用电容器的工作电压应符合电路要求。一般情况下，选用电容器的额定电压应是实际工作电压的1.2至1.3倍。对于工作环境温度较高或稳定性较差的电路，选用电容器的额定电压应考虑降额使用，留有更大的余量才好。
  若电容器所在电路中的工作电压高于电容器的额定电压，往往电容器极易发生击穿现象，使整个电路无法正常工作。
  电容器的额定电压一般是指直流电压，若要用于交流电路，应根据电容器的特性及规格选用；若要用于脉动电路，则应按交、直流分量总和不得超过电容器的额定电压来选用。
④优先选用绝缘电阻大、介质损耗小、漏电流小的电容器。
⑤应根据电容器工作环境选择电容器。电容器的性能参数与使用环境的条件密切相关，因此在选用电容器时应注意：
(2)、电容器的使用方法及注意事项
  ①在电容器使用之前，应对电容器的质量进行检查，以防不符合要求的电容器装入电路。
  ②在设计元件安装时，应使电容器远离热源，否则会使电容器温度过高而过早老化。在安装小容量电容器及高频回路的电容器时，应采用支架将电容器托起，以减少分布电容对电路的影响。
  ③将电解电容器装入电路时，一定要注意它的极性不可接反，否则会造成漏电流大幅度的上升，使电容器很快发热而损坏。
  ④焊接电容器的时间不易太长，因为过长时间的焊接温度会通过电极引脚传到电容器的内部介质上，从而使介质的性能发生变化。
  ⑤电解电容器经长期储存后需要使用时，不可直接加上额定电压，否则会有爆炸的危险。正确的使用方法是：先加较小的工作电压，再逐渐升高电压直到额定电压并在此电压下保持一个不太长的时间，然后再投入使用。
2.4 74LS00的概述
00为四组2输入端与非门（正逻辑），共有54/7400、54/74H00、54/74S00、54/74LS00。如图2.4（a）为74LS00的内部结构图，（b）为实物图。
图2.41（a） 74LS00的内部结构图 图2.41（b） 74LS00实物图
可知其逻辑表达式：
设计中之所以用到74LS00就是应用其功能表，控制电路的输出。74LS00的功能表如表2.42所示。
表2.42 74LS00的功能表
2.5大功率LED的概述
大功率LED作为第四代电光源，赋有“绿色照明光源”之称，具有体积小、安全低电压、寿命长、电光转换效率高、响应速度快、节能、环保等优良特性，必将取代传统的白炽灯、卤钨灯和荧光灯而成为21世纪的新一代光源。
大功率和标准功率LED产品的对比
(1)、简化设计过程
由于需要考虑极大简化热管理，因此相对于大功率技术所需的设计过程，标准LED阵列所需的设计过程要简单得多。在我们的理论例子中，驱动1W LED需要350mA电流，而六个标准LED阵列仅需120mA电流。大功率技术需要使用散热片，以确保避免结点温度过高而造成的效率损失、使用寿命降低或者褪色。
因为标准的LED不需要使用散热片、金属芯印刷电路板(MCPCB)、电容器或电阻器，所以这些LED更易于设计、测试和制造。这种简化的过程不仅为生产过程节约了时间和金钱，而且还可以加快产品的上市时间。
(2)、节省成本
大功率LED需要进行热管理，这极大地增加了LED的成本。在设计过程中，最昂贵的附加物就是散热片。散热片可以由各种金属材料制作，这些材料既包括相对便宜的铝，也包括导电性能更好但却更昂贵的材料(如铜和银)。这些昂贵的材料可能导致大功率产品的成本增加1~10美元，而标准LED器件就可以避免这种成本的增加。
同样，大功率LED也需要使用MCPCB作为另一种被动冷却技术来控制结点温度。因为MCPCB的材料具有更好的导热性，所以相比于标准LED使用的更便宜的FR4 PCB，这些电路板的散热效率更高。然而，其成本却可能高达FR4 PCB成本的5倍。使用更便宜的FR4 PCB，根除对昂贵散热片的需求，以及简化设计的考虑事项，可以节约高达60%的成本。
(3)、节省空间
当设备的内部空间限制非常大时，标准LED通常是最佳的选择。如上所述，大功率LED需要额外使用散热片以及总体来说较占空间的冷却技术。其首要任务是创造更多的表面积，以通过对流和辐射冷却。表面积较大可以更有效地帮助减少热量，但是同时也增加了大功率LED的体积。这对于较小空间和较小产品而言，增加了设计障碍。
标准LED阵列通常不需要占用空间的驱动器、电容器和电阻器(这些均为大功率LED所需)，从而节省了高达50%的空间。针对有限空间的应用，标准LED阵列可以提供与大功率LED相等的亮度，而同时又能极大地节省空间。

2.6 确定元器件及元件参数
符号
名称
规格
7400
与非门
3个
C1
电容器
0.1μF瓷片
C2
电容器
0.1μF瓷片
VD1
发光二极管
LED-BIBY
VD2
二极管
1N4148
VD3
二极管
1N4148
表2.6元器件及元件参数

3、总体电路图及仿真结果
3.1总体电路图
如图3.1电路中，D3将NE555的2脚钳位于高电平，D2将6脚位于低电平。当用手触摸S端子时，通过电容C1会使原来处于高电平的2脚跳变为低电平的D2变亮,当手触摸R端时使6脚变为高电平的D2灭。
图3.1总体电路图
3.2仿真结果
因为在proteus中不能是先用手触摸的效果所以开关代替仿真。当按下3.2（a)中右端端开关实现LED灭的效果，当按下3.2（b）左端开关实现LED亮的效果。
图3.2(a)仿真结果1 图3.2（b）仿真结果2

4、分析与心得
课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．
在这次设计过程中，体现出自己单独设计的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。
同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。
由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师多多指教,我十分乐意接受您的批评与指正，本人将万分感谢。

致 谢
本论文是在聂老师的悉心指导和不倦教诲下完成的。老师一丝不苟的工作作风，严谨求实的治学态度，渊博的知识，丰富的科研经验，不仅传授我知识，而且教会我为人处事，让我受益匪浅。从查找论文相关方面的资料、学习新的软件、电路设计与制作，到完成本论文，这过程让我深深地懂得了“不积跬步，无以至千里”的道理。在此感谢我们的老师，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样。老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。我衷心地感谢老师在整个毕业设计过程中给我的教导和鼓励。同时，我还要感谢本组的同学们，这么长时间来我们的共同努力才换来了现在的论文成功。最后，我还要感谢我的家人，朋友，同学对我学习、生活的关心、支持、鼓励和帮助!

参考文献
[1].胡宴如 主编.《模拟电子技术基础》.高等教育出版社.2011年。
[2].张克农 主编.《数字电子技术》. 高等教育出版社出版.第一版.2010年。
[3].彭介华 主编.《电子技术课程设计指导》.高等教育出版社出版.第一版.2002年。

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