智能三种时长可调式触摸延时开关
亮点：完全原创、仅用一个555定时器实现三种不同时长的延时效果
一、制作这种延时开关的目的
1.传统延时开关的两大不足
（1）不够人性化
相信大家对在光线比较暗或者夜晚走楼梯并不陌生，我们学校思源西楼等教学楼就使用的是触摸式的延时开关。在上楼的的时候我发现这种传统的延时开关一般在工作40~45s之后就会自动关断，但随着所上楼层的增高，需要的时间也会加长，有时我们还需要休息一会儿再往上走。所以这种普通的延时开关不太人性化，不能够根据上楼人所需的时长来控制灯的亮灭，特别是对老人或者身体不便的人来说更是潜在的危险隐患。
（2）不知身处何处
当你上楼上到某层时，你会发现不知道身处何处。因为传统的触摸开关不带楼层显示，在昏暗的光线下又不好辨认楼层指示牌，所以走错楼层在所难免，除非你一直在心理默数你上了几层楼，非常不方便。
2.智能三种时长可调式触摸延时开关
（1）人性化的设计
我们设计的这种智能开关可以通过三路触摸来实现三种不同时长的延时效果，通过调节可调电阻还可以更改三种时长，十分方便。LED1、LED2、LED3分别代表短、中、长三种不同时长的工作状态的指示。人们可以根据自身不同的情况自由选择。较传统触摸开关来说，这种智能延时开关设计更加人性化，适用范围更广，符合各个年龄段，不同人群的需求。
（2）楼层提醒功能
本节能开关下面有一个数码管，为了节约电能，在开关不工作的时候它是关闭的，当有人触摸开关后，数码管就会自动被点亮。这对于很多不知身处何处的爬楼人来说非常实用，再也不用担心走错楼层或者走错宿舍了。
（3）定位开关，节能省电
我们设计的这个开关在不工作时，只有一个电源指示灯亮着，由于LED灯寿命长，功耗小，在晚上易于辨别，所以用这个电源指示LED灯来进行触摸屏的定位，借助它的光亮，上楼的人可以准确的摸到自己所需的时长开关，十分方便。
二、开关的设计过程
1、总体设计
因为要实现三种不同时长的延时，所以我们考虑要用三组不同的充电电路给555定时器充电，由于电容充电到2\3VCC的时间不同，所以555的输出端高电平的延时时间就不同。
先介绍一下555定时器的工作原理：555定时器是一种中规模集成电路，外形为双列直插8脚结构，体积很小，使用起来方便。只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以构成单稳态触发器、自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电
路。它在波形的产生与变换、测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛的应用。
555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如图所示：
由555定时器构成的多谐振荡器如图1所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚）和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2的连接处。
由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压u c为低电平，小于（1/3）V cc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出u o为高电平，放电管V T截止。这时，电源经R1，R2对电容C充电，使电压u c按指数规律上升，当u c上升到（2/3）V cc时，输出u o为低电平，放电管V T导通，把u c从（1/3）V cc上升到（2/3）V cc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关。充电时间常数
T充=（R1＋R2）C。
由于放电管V T导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进人第二暂稳态.其维持时间T PL的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数T放＝R2C0随着C 的放电，u c下降，当u c下降到（1/3）V cc时，输出u o。为高电平，放电管V T截止，V cc再次对电容c充电，电路又翻转到第一暂稳态。不难理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，u c 电压总是在（1/3～2/3）V cc之间变化。图1（a）为555定时器构成的多谐振荡器电路，（b）所示为其工作波形。
2、D触发器的使用
考虑到每当开关被触摸后松手，开关处的信号只是一个下降沿，一个上升沿的电位变化，不能够维开关所在的充电电路对电容进行充
电，所以就不能实现延时。由于三路充电电路需要开关来
控制，与传统的延时开关不同（传统延时开关555的阈值
端和放电端是通过电阻和VCC相连，不用考虑通断问题）。
为了解决这一问题，我们想到了使用D触发器。D触发器
的工作原理：SD 和RD 接至基本RS 触发器的输入端，分
别是预置和清零端，低电平有效。当SD=0且RD=1时,不论
输入端D
为何种状
态，都会使Q=1，Q=0，即触发
器置1；当SD=1且RD=0时，触
发器的状态为0,SD和RD通常又
称为直接置1和置0端。我们设
它们均已加入了高电平，不影响
电路的工作。由于D触发器是上升沿触发，在上升沿来临时，输出端Q等于D端的状态，若果开关按下后D的状态为1，那么当脉冲为上升沿时，Q即为。这样既可实现充电电路的一直维持高电平，对电容进行充电，这样就解决了上面遇到的问题。
首先说明我们是用一个三输入与非门和一个量输入与非门来做为触发器的脉冲信号。当三个开关均断开时，与非门输出端为高电平，即脉冲为高电平。当有一个开关被按下时，有一个输入变为低电平，所以输出变为低电平，此时脉冲为下降沿，当开关恢复断开状态时，脉冲为上升沿，此时Q的状态根据D的状态会改变。
这是第一个D触发器，用来控制第一路充电电路。在第一路开关D2或D3都接通时，与非门U2A的两个输入端变均为高电平，此时此时D端为高电平。这是只需第一个开关的一个上升沿信号即可是Q1变为高电平，从而使第一路充电电路对电容进行充电。
3、触发器D端的微分RC积分电路
问题随之而来，因为触摸一个开关时只能由此开关所在的充电电路对555定时器所接电容进行充电，怎样让一路工作（Q1输出为高电平）时另外两路不
工作（Q2、Q3输出为低电平）就成了问题。为此，我们想到用与非门来实现对
D端的控制。我们来看这幅图：
当开关2或3有一个接通时，D端变为低电平后又变为高电平，按照设计要求，此时第一条充电电路的电压应该为0，即Q1要跳变为1，可是当开关按下时，D
端和时钟CP端同时变为低电平，开关弹起时又同时变为高电平，导致最后Q端
仍然是高电平。如下图：
D端和CP端是同时跳变的无法实现“锁门”的效果。此时我们想到利用RC积分电路使D端在向高电平跳变的时候稍微慢一点，此时当脉冲为上升沿时，D端还没有来得及变为高电平，于是Q端就可以根据上升沿时D端为低电平而变为低电平。，这样就起到了“锁门”的作用，波形如图。
在每个D触发器的输入端都前都加入RC积分电路，这样就最后就可以达到按那个开关，那个开关所对应的D触发器的输出端为高电平，其他两个D触发器的输出端为低电平的效果。
4、二极管的使用
一开始我们经过三路电阻直接对电容进行充电，但是仿真时遇到了问题，在电阻差别非常大的时候可以实现延时，在电阻差别很小时电容总是冲不到2/3VCC。这个问题一直困扰着我们，在询问过老师，又仔细研究过后，我们终于发现，当一路Q端为高电平的时候，另外两路的Q端都为低电平，这样电容在充电的同时又会通过那两个回路进行放电，这是导致电容充不上电，555定时器不能正常工作的重要原因。当其他两路电阻非常大的时候，放电电流很小，所以第一路才能正常充电，第一种时长的延时才能正常工作。下面我们就要想办法来是一路为高电平对电容进行充电时另外两路是断开的状态，使电容无法边充电边放电。
为了达到我们想要的效果，我们必须将放电回路阻断，一路充电时，另外两路不能为低电平。为此我们想到使用三态门来控制，如图：
当一路为高电平时，其他两路为低电平，且呈现高阻态。我们尝试用这样的方法来解决电容边充电边放电的问题，但结果不太理想，高阻态电阻不够大，仍然有电路流过两个不工作的回路。
由于高阻态不太理想，而且使用的与非门数量大大增加，所以我们只好另求它路。经过思考，我们想到了二极管单向导电的特性。二极管正向导通压降约为0.5V，而且反向截止，反向漂移电流非常小，应该能满足我们的需要。下图即为改进后的电路：
这样，当第一路Q1为高电平对电容进行充电时，二、三路虽是低电平，但由于二极管反向截止，电容无法通过这两路放电，所以这样就很好的实现了二、三两路与工作的第一一路相隔离。当二或三路工作时，同理可分析。这样三路充电电路互不影响，达到我们预期的效果。我们来看一下在三个开关的控制下555电容端和输出端的电压波形如下图：
延时的工作原理在最前面有介绍，当开关按下时，TR
电容通过T管放电，电路进入复位状态。这段充电时间就是延时时间，这一过程可以在图中清晰地看到。
5、可调电阻的使用
为了应对实际连接电路后出现的Q端电压值与仿真不同等多方面的问题，我们决定将定值电阻改为可调电阻。这样可以更精确的控制延时时间，还可以随时做调整，更加方便更加人性化。
6、加入数码管
我们选择74LS47七段显示译码器来完成
由于74LS47是输入端高电平有效，输出单低电平有效，所以是低电平来驱动数码管。于是我们选择共阳极的数码管。在连接数码管时要加入限流电阻，考虑到如果再共阳极加一个二极管，如果要亮的比划比较多，则数码管会非常暗，甚至不亮。所以我们在每一个管脚和译码器输出端之间都加一只300Ω的电阻（其他发光二极管在连接时都要加上一只约300Ω的电阻）。
在译码器的输入端连接一个四位的拨档开关，我们可以控制开关来决定每个输入端的高低电平，从而达到控制楼层的目的，这样可以自由选择开关所安装的楼层。如图所示：
由于译码器的灭灯端是低电平有效，所以我们把灭灯端与555定时器的输出端相连。这样在555不工作时输出端为低电平；当有人触摸开关555开始定时工作时，输出端为高电平，灭灯端无效，这是数码管正常工作。这样就达到了节约能源的目的。
7、加入指示灯
下面为每一路加上工作指示灯，如图所示：
与非门的一端与触发器输出端Q相连，另一端与555定时电路的输出端相连，来实现只有第一路工作并且555在定时状态时，发光二极管才亮。当一个延时时间结束时，发光二极管自动熄灭，从而实现了每一种不同时长的延时状态的指示。
给电源再加一个指示灯就完成了所有的工作。
注：由于与非门的使用较为简单，所以在文中就没有详细介绍，下面的管脚图供大家参考。
1.74LS00是2输入端四与非门，其逻辑管脚排列如图所示：
逻辑功能表
2. 74LS10 是3输入端3与非门，其逻辑管脚排列如图所示：
三、连接电路
1、元件的准备
统计元件清单，去实验室将所需的元器件准备齐全，没有的需要到中发去购
2、用面包板的使用
上面的五个横着的小孔是连通的，中间的是五个竖着的小孔是连通的，相邻的竖排是不连通的。
3、元件的安插及连接线的制作
元件的安插需要根据有一个整体的规划，将电路的某一部分放在某个地方，比如，我们将开关和指示灯放在最上面，中间放各种门电路，第三排是555定时器，第四排是数码管。
连接线的制作非常重要，好的连接线可以是线路整齐，后期检查调试也比较方便。我们自己研究出了一种连接线的制作方便，十分方便快捷。首先将金属导线从导线皮中抽出，然后根据所连线路，一端插在起点，贴着板面比划道重点的
位置将导线轻轻弯折。取下导线，可以根据两处弯折的位置来剪切导线皮的长度，将切好的导线皮套回导线上，然后将导线另一头弯折剪短即做成了一只合适的连接线，这样看上去既整齐，又不会裸露太多导线在外面，防止短路。
这样一根完美的连接线就做好了。
4、线路的连接
我们在连接线路时非常仔细，一块儿一块儿的连接。每连完一条导线就用铅笔在图纸上把相应的导线描一遍，这样能确保每一天导线都连接无误，对后期的调试大有好处。
四、检查电路并上电调试
1、检查线路连接
对照图纸，用万用表检查每条连线是否都通，如果确定连通，就用红笔在电路图上描画。
我们在检查线路时发现了一个很严重的问题，我们的VCC和地是短路的，在经过反复的插拔导线，测量通断之后，我们终于发现问题所在。原来面包板的横排可以分为三组，左边三个是连通的，右边三个是连通的，中间四个也是连通的，但这三组是不互相连通的。我们一致认为横排每一个都不是连通的，所以用导线把它们跨接起来，导致VCC对地短路。
在改完线路后，再次检查，确认无误后开始调试。
2、上电调试
刚开始通电调试的时候，电路不是正常工作的，只有第一路的指示灯亮，而且按一下开关指示灯和数码管同时闪一下，按其他开关，其他路的指示灯都不亮。
由于我们连接和检查电路都较为仔细，所以在再次检查电路连接完好还是无法排除故障时，我决定一步一步的检查电路每一块儿的电压，来确定电路是否一步一步工作正常。按照仿真的结果，在按下第二个或者第三个开关的时候，第一个开关所连接的触发器的D端应该变为低电平，松手后Q1端应该按照D1端的状态翻转成低电平才对。可是实际是Q的状态一直是高电平，没有翻转。再查阅了D1触发器74LS74芯片的资料后我发现，电平和高电平的阈值是1.3V，而在我按下开关后，电容放电放到最低是的电压是1.33V，这个电压对于Q端来说仍然属于高电平，所以触发器的输出端Q1并没有翻转成低电平。
为了解决这个问题，我换用更大的电阻，发现电压没有改善。于是我又换用更小的电阻，当我把积分电路的电阻换成10KΩ的时候，再次监测开关按下时D1端的电压为0.8V<1.3V。当松开开关后，测得Q1端的电压为0.1V。再测其他两个触发器Q端的电压，发现只有开关被按的那一路的Q端为高电平，其余均为低电平。这就证明触发器能共成功翻转，实现单路充电。
再看看电路板，数
码管正常延时发光，但
延时工作指示灯只有第
一路发光。再将这几个
发光二极管更换后，问
题得到了很好的解决。
电路工作正常，所有功
能都能成功实现。我们
终于完成了课程设计，
能够交出一份满意的答
卷。
五、课设成果展示
1、效果展示
在触摸第一个开关后，LED发光和数码管显示“三层”，在延时40s之后，二极管和数码管熄灭。（R1=253Ω，C=47uF）
在触摸第二个开关后，LED发光和数码管显示“二层”，在延时71s之后，二极管和数码管熄灭。（R1=400Ω，C=47uF）
在触摸第三个开关后，二极管发光和数码管显示“七层”，在延时90s之后，二极管和数码管熄灭。（R1=541Ω，C=47uF）
调节三个电阻即可调节三条电路的延时时间，更方便，更人性化。
具体视频演示请登录：https://www.doczj.com/doc/da18888046.html,/v_show/id_XNDIxNTg3NDg4.html查看
完整电路图：
五、总结：
通过这次课程设计，我们学到了一个电路的步骤，一些基本元件的使用方法。在不断的遇到问题和解决问题的过程中，我们充分开动脑筋，通过讨论，集思广益，一次又一次的寻找到解决问题的办法，并通过不断改进使电路更加简化，更加人性化。
在连接电路时我们一起动手，一起设计电路的连接，使线路更加简洁美观。我们的团队合作能力得到了进一步的提高。在遇到困难时我们互相鼓励，互相帮助。虽然我们有时候会分工明确来提高效率，但多数时间都是我们在一起努力。课设最后得到预期的结果看似非常简单，但这中间凝结了很多我们的汗水，多少个不眠的夜晚，多少个没有吃早餐的早晨只有我们自己知道。我们在动手实践的过程中快乐着，自己的动手能力在不断地提高，同时我们还学到了许多课本上根本学不到的东西。最后的结果证明了我们的努力没有白费，我们成功了，但成功的背后却离不开老师的耐心知道和支持，不论是仿真阶段还是实物制作阶段，没有老师的支持，我们或许还要走更多的弯路才能获得成功，最后我想对老师表示由衷的感谢，谢谢您的支持，我们会走的更远。