单键触摸开关课程设计

摘 要 随着时代的进步，社会的发展，人们对开关的需求越来越高，各种可供人们选择的开关的种类也越来越多。机械开关、声控开关、光控开关等产品逐步进入生活中。但由于机械开关属于有触点开关元件，它有接触不良、故障率高、使用不便等缺点，且摩擦较大容易损坏；声控开关严重浪费了电力资源，干扰了环境安宁；光控开关是采用光线的强弱来实现对用电器电源自动控制的电子开关，它对光线强弱的要求苛刻。针对以上开关的各种缺点，促使我们寻求更为理想的开关电器设备替代元件，使得人们的生活越来越方便。 触摸开关是一种新型的电子节能开关，可广泛应用于多层住宅和办公室外的走廊、门厅、楼梯间、电梯间、过道等公共场所，也可以在家庭安装。本次设计利用模拟电路和数字电路，以直流稳压电源电路、NE555单稳态电路、和继电器控制电路为核心设计延时触摸开关。需要开灯时，手指触摸开关感应区，电灯自动点亮，延时约一分钟，电灯自动熄灭。该操作简单，使用节能，又没有声控开关有声音就亮的弊端。主要由NE555定时器，直流稳压电路和继电器控制电路组成。具备以下功能特点：节约电能，无触点，无污染，安全可靠。 关键词：触摸开关；模拟电路；延时；感应；节能 目 录 1 第一章 设计思路与设计 1 1.1 设计思路 1 1.2 方案设计 2 第二章 系统工作原理 2 2.1 系统总原理图 2 2.2 系统的工作原理 4 2.1.1单稳态电路 2.2.2对称双稳态电路 4 5 2.2.3无稳态电路 第三章 单元模块电路设计 7 3.1 整流电路 7 3.2 指示灯 7 3.3 触发电路 7 3.4 触摸信号输入电路 7 9 第四章 安装与调试 4.1原件安装与硬件调试 9 总 结 10 致  谢 11 参考文献 12 附 录 13 第一章 设计思路与方案设计 1.1 设计思路 随着科技的发展、社会的进步，人类生活水平的不断提高，人们对各种开关的要求也日益提高，为了设计一款方便使用，简单可靠的的单键触摸开关，在供选择的课程设计的主题中，我发现了单间触摸开关的，并将之作为课程设计的课题。 单键触摸开关由触摸信号输入电路，IC CD4017信号处理电路，电子开关驱动电路及电源组成。首先由触摸片把人体的触摸信号转化成市电同频的标准的MOS电平，然后输入ICCD4017的十进制的计数器进行信号处理,最后由ICCD4017处理后的结果决定是否驱动电子开关导通灯泡或其他使用设备工作。 1.2 方案设计 按照设计思想，设计出如下的结构方案的框图，根据思路和方案图，开始了触摸开关的设计。 方案框图 图1-1方案图 第二章 系统工作原理 2.1 系统总原理图 图2-1总原理图 2.2 系统的工作原理 用CD4017组成的单键触摸开关，该开关为单触摸电极控制方式，每触摸一次电极，开关即动作（开或关）一次，与普通机械相比，使用更方便。电路原理图中HD为管式氖泡，它与光敏电阻RG组成“自制光电耦合器”，并与触摸电极M、R1形成触摸信号输入通路。CD4017的Q1、Q3、Q5、Q7、Q9等奇数输出端分别接二极管V2～V6，当其中之一输出高电平时，V8导通并触发双向可控硅VT导通，接入插座的负载得电工作，此时Q2、Q4…偶数输出端悬空；反之，当偶数输出端其中之一为高电平时，V8、VT均截止，插座负载断电，该触摸开关刚通电时，因C1、R4微分作用，CD4017自动复位清零，插座为断电状态。首次触摸M后，HD启辉发光，RG阻值减小，CD4017的CL端变为高电平，Q1输出高电平；而再触摸一次M后，CD4017计数一次，Q1变为低电平，Q2输出高电平，依次类推，从而实现触摸开关功能，市电两输入线分别通过R7、R8接至触摸通路，因此无需分相线、零线，均可保证电路正常工作。采用分立元器件制作的触摸式电子开关，它具有简单易制、使用安全可靠等特点，可用于控制照明灯、排风扇等家用电器。 电路工作原理： 该触摸式电子开关电路由电源电路、触发控制电路和控制执行电路 (开关电路)组成，如图2-2所示 图2-2 电源电路由电源变压器T、整流桥堆UR和滤波电容器C组成。触发控制电路由触摸电极片Al、A2、晶体管Vl-V4和电阻器Rl-R4组成，其中V3、V4和Rl-R4组成双稳态触发器。 控制执行电路由晶体管V5、电阻器R5、二极管VD、继电器K和发光二极管VL组成。交流220V电压经T降压、UR整流及C滤波后，为触发控制电路和控制执行电路提供9V直流电压。在接通电源瞬间，V4截止，V3导通，V5截止，K处于释放状态，负载不工作。 当用手触摸饱极片Al时，人体感应信号经Vl放大后使V4受触发而导通，V3截止，V5导通，K吸合，其常开触头将负载的工作电源接通。再用手触摸一下电极片A2时，人体的感应信号经V2放大后，使V3导通，V4和V5截止，K释放，将负载的工作切断。 VL在K吸合、负载通电工作时点亮，在K释放时熄灭。 元器件选择： Rl-R5选用1/4W的碳膜电阻器或金属膜电阻器。 C选用耐压值为16V的铝电解电容器。 VD选用IN4001型硅整流二极管或2CPlO型硅普通二极管。 UR选用lA、5OV的整流桥堆，也可用4只1N4001或2CPlO桥接后代替。 VL选用φ5mm发光二极管。 Vl-V4均选用Sg013或3DG6型硅NPN晶体管;V5选用3DGl2或S805O型NPN晶体管。 T选用1-3W、二次电压为gV的电源变压器。 K选用JRX-13F型9V直流继电器。若控制较大的功率负载，则可用K的常开触头通过控制交流接触器来控制负载。 2.2.1单稳态电路 图2-3 图2-3是典型的单稳态电路。与双稳态电路相比，电路中的一个耦合电阻Rb1换成了耦合电容C1。所以，开机后VT1截止，VT2饱和导通。给它一个触发信号后，电路翻转，变为VT1导通，VT2截止。暂稳态是不会长时间稳定存在的，经过一定时间T后，电路会自动返回原来的状态——稳态（VT1截止，VT2导通），也就是电路有一个稳态和一个暂稳态。暂稳态维持时间的长短取决于C1和Rb1：T = 0.7RC。 2.2.2对称双稳态电路 图2-4 图2-4是典型的双稳态触发电路。注意图中的LED1、LED2和Rc12、Rc22只是为了方便观察VT1和VT2两管导通、截止状态的附加加电路，它并非双稳电路必须的部分。本图双稳电路的触发方式为计数触发。如果我们按一下SA电路就会从一种稳态翻转为另一种稳态，设电源接通后VT1饱和导通（LED1亮），VT2截止。按下SA后，就变成VT1截止，VT2饱和（LED2亮）。如果再按一次，电路又变为VT1饱和，VT2截止。总之，每按一下触发电路，或者说每收到一个触发脉冲，电路的状态就翻转一次。这种触发方式我们称之为计数触发。 2.2.3无稳态电路 无稳态电路也是由两管交叉耦合而成，不过，两只耦合电阻都换成了耦合电容。它没有稳态，只有两个暂稳态，所以两管轮流导通——截止。我们常用它来产生方波或脉冲信号源，所以也可以称这种电路为多谐振荡电路，其振荡周期：T = 0.7Rb1C1+0.7R.b2C2两管元件数据对称时，公式可简化为：T = 1.4RbC 或者说振荡频率：f = 1/（2π•1.4RbC）这里，我们为了便于观察发光二极管的闪光，所以R、C都用得较大。如果振荡频率太高，那么看起来两只发光管都是亮着的，就看不出翻转的过程了。 图2-5无稳态电路电路图 第三章 单元模块电路设计 3.1 整流电路 电路中采用四个IN4007二极管，互相接成桥式结构。利用二极管的电流导向作用，在交流输入电压U的正半周内，二极管VD1、VD3导通，VD2、VD4截止，在负载RL上得到上正下负的输出电压；在负半周内，正好相反，VD1、VD3截止，VD2、VD4导通，流过负载RL的电流方向与正半周一致。因此，利用四个二极管，使得在交流电源的正、负半周内，整流电路的负载上都有方向不变的脉动直流电压和电流。 桥式整流电路： 单相桥式整流电路的组成 单相桥式整流电路由四只二极管组成，其构成原则就是保证在变压器副边电压u2正、负半周内正确引导流向负载的电流，使其方向不变。设变压器副边两段分别为a和b，则a为“＋”、b为“－”时应有电流留出a点，a为“-”、b为“＋”时应有电流流入a点；相反，a为“＋”、ｂ为“－”时应有电流流入ｂ点，ａ为“－”、ｂ为“＋”时应有电流流出ｂ点；因而ａ和ｂ点均应分别接两只二极管，以引导电流；如图3-1所示。 图3-1 桥式整流原理 3.2 指示灯 VD1～VD4、VS组成开关的主回路。平时，VS处于关断状态，灯不亮。VD1～VD4输出220V脉动直流电经R1限流，VD5稳压，C2滤波输出约8V左右的直流电供VT3使用。此时LED发光，指示开关位置，便于夜间寻找开关。 3.3 触发电路 触摸灯的触摸开关是通过人体接触后产生的电流泄露而工作的。当用手触摸一下触摸开关的电极片M时，人体泄漏电流使VT3导通。此时，电容C2开始充电，VT2、VT1随即导通，晶闸管门极得到正向触发电流导通。（其中泄露的电流十分微小，只有多少微伏。而人体本身带的静电都有几千几万伏。所以触摸开关对人体的影响是微乎其微的几乎没有）。 3.4触摸信号输入电路 HD为管式氖泡，它与光敏电阻RG组成“自制光电耦合器”，并与触摸电极M、R1形成触摸信号输入通路, 人体带电与市电同频，当人体接触触摸片时，经输入电阻和HD管式氖泡及光敏电阻RG后成为标准的MOS电平。触摸持续时间大于32毫秒、小于332毫秒时，控制逻辑部分控制电路呈开关工作状态。当触摸持续时间大于332毫秒时，控制逻辑部分控制电路呈调光工作状态，输出触发脉冲相位角在41°～159°之间连续周期变化，并根据人眼的感受力，分为快、慢和暂歇三个过程。当触摸结束时，亮度记忆对该时相位角进行记忆，若再施与大于32毫秒、小于332毫秒的触摸，电路呈关状态时，相位角仍由该部分记忆，保证电路在下一次开状态时，保持原选定相位角，光源保持原亮度。触发脉冲与市电的同步，由锁相环保证电路的工作时钟，也均由其产生。电路图如下： 图3-2触摸信号输入电路图 第四章 安装与调试 4.1原件安装与硬件调试 原件安装 元器件安装时采用电烙铁手工焊接方法将元件按电路图焊接，安装时应注意：本设计中的照明电路，整流电路，指示灯，延时电路以及触发电路中的元件都应合理布局。避免焊接时交叉短路以及确保电路板美观程度。焊接时不要直接焊接芯片，注意锡的用量、确保焊点光滑整洁，节约资源以及焊接时间不要太长，以免烧坏元器件。 硬件调试 万能线路板元件连接成功后，发现本电路出现以下故障： 故障一：人体触摸后电路没有反应，电灯不亮。 分析：用万用测量各点电压，发现各点电压均正常，怀疑触发信号过小电路无法触发工作。 解决方案：在555的2脚加入C1815的三极管（放大人体触发电流）后电路触发能工作，电灯发亮。 故障二：排除故障一后，发现人体触摸触发端，电路延时一分钟左右后继电器有动作，但是电路仍然工作，电灯依然发亮。 分析：继电器动作，但是电路仍然工作，说明继电器有动作，但断开后有继续闭合，怀疑继电器断开瞬间产生的很大电磁干扰，促使触发端，接收到高频信号触发，555输出端继续输出高电平。 解决方案：在触发端至地，接一个几十皮发的电容，触摸后，延时一分钟左右电路断开，电灯熄灭，电路正常工作。 总 结 对于模拟电子和数字电子的学习，那是去年的学习内容了，但是那时候只是简单地学习书本上的知识，对于自己亲手实践甚至于设计一款由模拟电子和数字电子组合而成的产品，更是那时候想都没想到的事情。其实触摸开关早就在市场上流通了，只是之前对于其工作原理等相关知识了解甚少，通过本次课程设计，在网上查找资料、图书馆翻阅书籍，掌握了部分关于触摸开关的资料。感知到模拟电子、数字电子的应用范围原来如此广阔，身边的用到的很多东西原来都与所学的这些知识息息相关。 在对触摸延时开关分析、制作的过程中，很好的巩固了之前学到的模拟电子相关知识。重新学习了整流电路的相关内容，对全波整流电路、滤波电路、稳压电路有了更深刻的认识，不仅会熟练的运用计算公式，而且通过软件仿真技术观察各阶段电路的变化，对各阶段电路的波形有更形象的体会和掌握。与此同时，此电路用到了晶闸管的门极触发原理，在之前对晶闸管方面的学习只是皮毛，楼道触摸开关电路的设计之中又用到了晶闸管的控制机理。经过查阅大量的资料，现在掌握了晶闸管的基本结构、工作原理、以及管脚判别方法，对以后的电路设计等有关知识的学习中有很大的帮助。为了使触摸开关电路的设计更为直观，在设计过程中用到了很多次计算机仿真技术。从对系统整体电路的仿真，到各单元电路的仿真，都做了详细的数据、波形、效果。经过计算机仿真对电路功能的实现，做出了触摸开关的实际产品，对动手实践方面有了很大的提高。 但是基于所学知识、能力和水平所限，在本次触摸开关的设计过程中可能存在很多疏漏、欠妥和错误之处，希望通过以后更深一步的学习能够纠正这些不妥之处。总的来说，这次的课程设计的研究还是算比较成功的，在这次的设计中，我们都学到了很多在书本上学不到的东西，对于动手实践能力方面，也得到了一定程度的练习，希望在以后的学习中能一步步的得到提升。 致  谢 通过维持两周的努力，这次课程设计终于得以顺利完成。说真的，此次课程设计中遇到了很多的困难，对于知识的了解程度不够、不熟练，动手实践能力差等等。这份来之不易的成果，离不开是指导老师的帮助、指导和不断的鼓励，同时也离不开同学们辛苦努力的合作。 首先，我要特别感谢我的指导老师们，给我提供了极大的帮助和指导。从开始选题到中期的研究设计纠正，再到最终的完成，老师给我提供了许多宝贵建议。老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物和为人处世的道理。   其次，感谢我的合作伙伴，因为有你们的帮助，我们的课程设计整个过程才得以顺利完成。同学们互相交流学习经验，拓宽了大家的知识层面，弥补了之前的学习中的不足之处。其实，一个人的力量是薄弱的，团体的力量才是巨大的。 平常只学书本知识，抽象且枯燥，并不动脑去完成，这次让我明白了有时想是没用的，还必须去考察，去学习，去实践，另外心态问题也是很重要的，有好的心态就会努力，做事效果也是事半功倍。还要扎实的理论知识，在操作时知道自己的目的，使学到的理论知识得到验证。只有这样才能有实质的进步，还要和同学们共同讨论，解决各种困难，在困难中能了解更多的非课本的知识，还能在找到错误的同时锻炼你的观察力，所以我知道了很多小元件的作用，并了解到什么样的现象是哪块的电路出了错误，小小的成功给了我很大的动力，也感受到探索的乐趣，最后由衷感谢老师给我们锻炼的机会以及提供给了我们很大的帮助，我们受益匪浅。   参考文献 [1] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础(第四版).北京:高等教育出版社.2009. [2] 彭介华.电子技术课程设计指导.北京:高等教育出版社.2001. [3] 刘守义，钟苏.数字电子技术(第二版).西安:西安电子科技大学.2003. [4] 江学文等.光电技术.科学出版社. 2009.1 [5] 张克农主编.数字电子技术基础.西安交通大学电子学教研组.2003. [6] 黄贤武、曲波、刘文杰.传感器实际应用电路设计.电子科技大学出版社，1997. [7] 高文焕,刘润生编.电子线路基础[M].北京:北京高等教育出版社,1997. [8] 王世昌编.电子线路辅导和题选[M].上海:上海科学技术文献出版社,1999. [9] 王远编.模拟电子技术基础学习指导书北[M].北京:清华大学出版社,1998. [10] 邱关源主编.电路（上﹑）[M].第四版.北京:高等教育出版社,1999. 附 录 整流二极管的参数 05Z6.2Y 硅稳压二极管 Vz=6~6.35V,Pzm=500mW, 05Z7.5Y 硅稳压二极管 Vz=7.34~7.70V,Pzm=500mW, 05Z13X硅稳压二极管 Vz=12.4~13.1V,Pzm=500mW, 05Z15Y硅稳压二极管 Vz=14.4~15.15V,Pzm=500mW, 05Z18Y硅稳压二极管 Vz=17.55~18.45V,Pzm=500mW, 1N4001硅整流二极管 50V, 1A,(Ir=5uA,Vf=1V,Ifs=50A) 1N4002硅整流二极管 100V, 1A, 1N4003硅整流二极管 200V, 1A, 1N4004硅整流二极管 400V, 1A, 1N4005硅整流二极管 600V, 1A, 1N4006硅整流二极管 800V, 1A, 1N4007硅整流二极管 1000V, 1A, 1N4148二极管 75V, 4PF,Ir=25nA,Vf=1V, 1N5391硅整流二极管 50V, 1.5A,(Ir=10uA,Vf=1.4V,Ifs=50A) 1N5392硅整流二极管 100V,1.5A, 1N5393硅整流二极管 200V,1.5A, 1N5394硅整流二极管 300V,1.5A, 1N5395硅整流二极管 400V,1.5A, 1N5396硅整流二极管 500V,1.5A, 1N5397硅整流二极管 600V,1.5A, 1N5398硅整流二极管 800V,1.5A, 1N5399硅整流二极管 1000V,1.5A, 1N5400硅整流二极管 50V, 3A,(Ir=5uA,Vf=1V,Ifs=150A) 1N5401硅整流二极管 100V,3A, 1N5406硅整流二极管 600V,3A, 1N5407硅整流二极管 800V,3A, 1N5408硅整流二极管 1000V,3A 晶闸管的参数 型号 参数 3CT1 3CT3 3CT5 3CT10 3CT20 额定通态平均电流/A 1 3 5 10 20 断态重复峰值电压/V 30~3000 30~3000 30~3000 30~3000 30~3000 反向重复峰值电压/A 30~3000 30~3000 30~3000 30~3000 30~3000 维持电流/mA 20 40 40 60 60 门极出发电压/V 2.5 3.5 3.5 3.5 3.5 门极触发电流/mA 20 50 50 70 70 门极最大允许正向电压/V 10 10 10 10 10 触摸信号输入电路 电子开关驱动电路 IC CD4017信号处理电路 电子开关电路 电源