單鍵觸摸開關(guān)課程設(shè)計報告書

1、. . . . 1 / 16摘 要隨著時代的進步，社會的發(fā)展，人們對開關(guān)的需求越來越高，各種可供人們選擇的開關(guān)的種類也越來越多。機械開關(guān)、聲控開關(guān)、光控開關(guān)等產(chǎn)品逐步進入生活中。但由于機械開關(guān)屬于有觸點開關(guān)元件，它有接觸不良、故障率高、使用不便等缺點，且摩擦較大容易損壞；聲控開關(guān)嚴重浪費了電力資源，干擾了環(huán)境安寧；光控開關(guān)是采用光線的強弱來實現(xiàn)對用電器電源自動控制的電子開關(guān)，它對光線強弱的要求苛刻。針對以上開關(guān)的各種缺點，促使我們尋求更為理想的開關(guān)電器設(shè)備替代元件，使得人們的生活越來越方便。觸摸開關(guān)是一種新型的電子節(jié)能開關(guān)，可廣泛應(yīng)用于多層住宅和辦公室外的走廊、門廳、樓梯間、電梯間、過道等公共

2、場所，也可以在家庭安裝。本次設(shè)計利用模擬電路和數(shù)字電路，以直流穩(wěn)壓電源電路、NE555 單穩(wěn)態(tài)電路、和繼電器控制電路為核心設(shè)計延時觸摸開關(guān)。需要開燈時，手指觸摸開關(guān)感應(yīng)區(qū)，電燈自動點亮，延時約一分鐘，電燈自動熄滅。該操作簡單，使用節(jié)能，又沒有聲控開關(guān)有聲音就亮的弊端。主要由 NE555 定時器，直流穩(wěn)壓電路和繼電器控制電路組成。具備以下功能特點：節(jié)約電能，無觸點，無污染，安全可靠。關(guān)鍵詞：觸摸開關(guān)；模擬電路；延時；感應(yīng)；節(jié)能. . . . 2 / 16目 錄第一章設(shè)計思路與方案設(shè)計 11.1 設(shè)計思路 11.2 方案設(shè)計 1第二章系統(tǒng)工作原理 22.1 系統(tǒng)總原理圖 22.2 系統(tǒng)的工作原理

3、22.1.1 單穩(wěn)態(tài)電路 42.2.2 對稱雙穩(wěn)態(tài)電路 42.2.3 無穩(wěn)態(tài)電路 5第三章單元模塊電路設(shè)計 73.1 整流電路 73.2 指示燈 73.3 觸發(fā)電路 73.4 觸摸信號輸入電路 7第四章安裝與調(diào)試 94.1 原件安裝與硬件調(diào)試 9總結(jié) 10致 .11參考文獻 12附錄 13. . . . 1 / 16第一章 設(shè)計思路與方案設(shè)計1.11.1 設(shè)計思路設(shè)計思路隨著科技的發(fā)展、社會的進步，人類生活水平的不斷提高，人們對各種開關(guān)的要求也日益提高，為了設(shè)計一款方便使用，簡單可靠的的單鍵觸摸開關(guān)，在供選擇的課程設(shè)計的主題中，我發(fā)現(xiàn)了單間觸摸開關(guān)的，并將之作為課程設(shè)計的課題。單鍵觸摸開關(guān)由觸

4、摸信號輸入電路，IC CD4017 信號處理電路，電子開關(guān)驅(qū)動電路與電源組成。首先由觸摸片把人體的觸摸信號轉(zhuǎn)化成市電同頻的標準的 MOS 電平，然后輸入 ICCD4017 的十進制的計數(shù)器進行信號處理,最后由ICCD4017 處理后的結(jié)果決定是否驅(qū)動電子開關(guān)導通燈泡或其他使用設(shè)備工作。1.21.2 方案設(shè)計方案設(shè)計 按照設(shè)計思想，設(shè)計出如下的結(jié)構(gòu)方案的框圖，根據(jù)思路和方案圖，開始了觸摸開關(guān)的設(shè)計。方案框圖圖 1-1 方案圖觸摸信號輸入電路電子開關(guān)電路電子開關(guān)驅(qū)動電路電源IC CD4017信號處理電路. . . . 2 / 16第二章 系統(tǒng)工作原理2.1 系統(tǒng)總原理圖R4100KR71MR11M

5、R2270KR3100KM座座座RGRCLENQ1Q9VDDVSSIC CD 4017V1V2V3V4V5V6V1-V6IN4007*6HDC122UFV79VC3100UFC20.68U FR81MV69013R530KR61K座座VT220V圖 2-1 總原理圖2.2 系統(tǒng)的工作原理用 CD4017 組成的單鍵觸摸開關(guān)，該開關(guān)為單觸摸電極控制方式，每觸摸一次電極，開關(guān)即動作（開或關(guān)）一次，與普通機械相比，使用更方便。電路原理圖中 HD 為管式氖泡，它與光敏電阻 RG 組成“自制光電耦合器” ，并與觸摸電極 M、R1 形成觸摸信號輸入通路。CD4017 的 Q1、Q3、Q5、Q7、Q9 等奇

6、數(shù)輸出端分別接二極管 V2V6，當其中之一輸出高電平時，V8 導通并觸發(fā)雙向可控硅VT 導通，接入插座的負載得電工作，此時 Q2、Q4偶數(shù)輸出端懸空；反之，當偶數(shù)輸出端其中之一為高電平時，V8、VT 均截止，插座負載斷電，該觸摸開關(guān)剛通電時，因 C1、R4 微分作用，CD4017 自動復(fù)位清零，插座為斷電狀態(tài)。首次觸摸 M 后，HD 啟輝發(fā)光，RG 阻值減小，CD4017 的 CL 端變?yōu)楦唠娖?，Q1 輸出高電平；而再觸摸一次 M 后，CD4017 計數(shù)一次，Q1 變?yōu)榈碗娖?，Q2 輸出高電平，依次類推，從而實現(xiàn)觸摸開關(guān)功能，市電兩輸入線分別通過 R7、R8 接至觸摸通路，因此無需分相線、零線

7、，均可保證電路正常工作。采用分立元器件制作的觸摸式電子開關(guān)，它具有簡單易制、使用安全可靠等特點，可用于控制照. . . . 3 / 16明燈、排風扇等家用電器。電路工作原理：該觸摸式電子開關(guān)電路由電源電路、觸發(fā)控制電路和控制執(zhí)行電路 (開關(guān)電路)組成，如圖 2-2 所示圖 2-2電源電路由電源變壓器 T、整流橋堆 UR 和濾波電容器 C 組成。觸發(fā)控制電路由觸摸電極片 Al、A2、晶體管 Vl-V4 和電阻器 Rl-R4 組成，其中 V3、V4 和Rl-R4 組成雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器?？刂茍?zhí)行電路由晶體管 V5、電阻器 R5、二極管 VD、繼電器 K 和發(fā)光二極管 VL 組成。交流 220V 電壓經(jīng)

8、T 降壓、UR 整流與 C 濾波后，為觸發(fā)控制電路和控制執(zhí)行電路提供 9V 直流電壓。在接通電源瞬間，V4 截止，V3 導通，V5 截止，K 處于釋放狀態(tài)，負載不工作。當用手觸摸飽極片 Al 時，人體感應(yīng)信號經(jīng) Vl 放大后使 V4 受觸發(fā)而導通，V3 截止，V5 導通，K 吸合，其常開觸頭將負載的工作電源接通。再用手觸摸一下電極片 A2 時，人體的感應(yīng)信號經(jīng) V2 放大后，使 V3 導通，V4 和 V5 截止，K釋放，將負載的工作切斷。VL 在 K 吸合、負載通電工作時點亮，在 K 釋放時熄滅。元器件選擇：Rl-R5 選用 1/4W 的碳膜電阻器或金屬膜電阻器。C 選用耐壓值為 16V 的鋁

9、電解電容器。VD 選用 IN4001 型硅整流二極管或 2CPlO 型硅普通二極管。UR 選用 lA、5OV 的整流橋堆，也可用 4 只 1N4001 或 2CPlO 橋接后代替。. . . . 4 / 16VL 選用 5mm 發(fā)光二極管。Vl-V4 均選用 Sg013 或 3DG6 型硅 NPN 晶體管;V5 選用 3DGl2 或 S805O 型 NPN晶體管。T 選用 1-3W、二次電壓為 gV 的電源變壓器。K 選用 JRX-13F 型 9V 直流繼電器。若控制較大的功率負載，則可用 K 的常開觸頭通過控制交流接觸器來控制負載。2.2.1 單穩(wěn)態(tài)電路圖 2-3圖 2-3 是典型的單穩(wěn)態(tài)電

10、路。與雙穩(wěn)態(tài)電路相比，電路中的一個耦合電阻Rb1 換成了耦合電容 C1。所以，開機后 VT1 截止，VT2 飽和導通。給它一個觸發(fā)信號后，電路翻轉(zhuǎn)，變?yōu)?VT1 導通，VT2 截止。暫穩(wěn)態(tài)是不會長時間穩(wěn)定存在的，經(jīng)過一定時間 T 后，電路會自動返回原來的狀態(tài)穩(wěn)態(tài)（VT1 截止，VT2 導通） ，也就是電路有一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)維持時間的長短取決于 C1 和 Rb1：T = 0.7RC。2.2.22.2.2 對稱雙穩(wěn)態(tài)電路. . . . 5 / 16圖 2-4圖 2-4 是典型的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。注意圖中的 LED1、LED2 和 Rc12、Rc22只是為了方便觀察 VT1 和 VT2 兩

11、管導通、截止狀態(tài)的附加加電路，它并非雙穩(wěn)電路必須的部分。本圖雙穩(wěn)電路的觸發(fā)方式為計數(shù)觸發(fā)。如果我們按一下 SA 電路就會從一種穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)為另一種穩(wěn)態(tài)，設(shè)電源接通后 VT1 飽和導通（LED1 亮） ，VT2 截止。按下 SA 后，就變成 VT1 截止，VT2 飽和（LED2 亮） 。如果再按一次，電路又變?yōu)?VT1 飽和，VT2 截止?？傊?，每按一下觸發(fā)電路，或者說每收到一個觸發(fā)脈沖，電路的狀態(tài)就翻轉(zhuǎn)一次。這種觸發(fā)方式我們稱之為計數(shù)觸發(fā)。2.2.3 無穩(wěn)態(tài)電路無穩(wěn)態(tài)電路也是由兩管交叉耦合而成，不過，兩只耦合電阻都換成了耦合電容。它沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，所以兩管輪流導通截止。我們常用它來產(chǎn)生方

12、波或脈沖信號源，所以也可以稱這種電路為多諧振蕩電路，其振蕩周期：T = 0.7Rb1C1+0.7R.b2C2 兩管元件數(shù)據(jù)對稱時，公式可簡化為：T = 1.4RbC或者說振蕩頻率：f = 1/（21.4RbC）這里，我們?yōu)榱吮阌谟^察發(fā)光二極管的閃光，所以 R、C 都用得較大。如果振蕩頻率太高，那么看起來兩只發(fā)光管都是亮著的，就看不出翻轉(zhuǎn)的過程了。. . . . 6 / 16圖 2-5 無穩(wěn)態(tài)電路電路圖. . . . 7 / 16第三章 單元模塊電路設(shè)計3.1 整流電路電路中采用四個 IN4007 二極管，互相接成橋式結(jié)構(gòu)。利用二極管的電流導向作用，在交流輸入電壓 U 的正半周，二極管 VD1、

13、VD3導通，VD2、VD4截止，在負載 RL上得到上正下負的輸出電壓；在負半周，正好相反，VD1、VD3截止，VD2、VD4導通，流過負載 RL的電流方向與正半周一致。因此，利用四個二極管，使得在交流電源的正、負半周，整流電路的負載上都有方向不變的脈動直流電壓和電流。橋式整流電路：單相橋式整流電路的組成單相橋式整流電路由四只二極管組成，其構(gòu)成原則就是保證在變壓器副邊電壓 u2正、負半周正確引導流向負載的電流，使其方向不變。設(shè)變壓器副邊兩段分別為 a 和 b，則 a 為“” 、b 為“”時應(yīng)有電流留出 a 點，a 為“-” 、b為“”時應(yīng)有電流流入 a 點；相反，a 為“” 、為“”時應(yīng)有電流流

14、入點，為“” 、為“”時應(yīng)有電流流出點；因而和點均應(yīng)分別接兩只二極管，以引導電流；如圖 3-1 所示。圖 3-1 橋式整流原理3.2 指示燈VD1VD4、VS 組成開關(guān)的主回路。平時， VS 處于關(guān)斷狀態(tài)，燈不亮。VD1VD4輸出 220V 脈動直流電經(jīng) R1限流，VD5穩(wěn)壓，C2濾波輸出約 8V 左右的直流電供 VT3使用。此時 LED 發(fā)光，指示開關(guān)位置，便于夜間尋找開關(guān)。. . . . 8 / 163.3 觸發(fā)電路觸摸燈的觸摸開關(guān)是通過人體接觸后產(chǎn)生的電流泄露而工作的。當用手觸摸一下觸摸開關(guān)的電極片 M 時，人體泄漏電流使 VT3 導通。此時，電容 C2 開始充電，VT2、VT1 隨即導

15、通，晶閘管門極得到正向觸發(fā)電流導通。 （其中泄露的電流十分微小，只有多少微伏。而人體本身帶的靜電都有幾千幾萬伏。所以觸摸開關(guān)對人體的影響是微乎其微的幾乎沒有） 。3.4 觸摸信號輸入電路HD 為管式氖泡，它與光敏電阻 RG 組成“自制光電耦合器” ，并與觸摸電極 M、R1 形成觸摸信號輸入通路, 人體帶電與市電同頻，當人體接觸觸摸片時，經(jīng)輸入電阻和 HD 管式氖泡與光敏電阻 RG 后成為標準的 MOS 電平。觸摸持續(xù)時間大于 32 毫秒、小于 332 毫秒時，控制邏輯部分控制電路呈開關(guān)工作狀態(tài)。當觸摸持續(xù)時間大于 332 毫秒時，控制邏輯部分控制電路呈調(diào)光工作狀態(tài)，輸出觸發(fā)脈沖相位角在 411

16、59之間連續(xù)周期變化，并根據(jù)人眼的感受力，分為快、慢和暫歇三個過程。當觸摸結(jié)束時，亮度記憶對該時相位角進行記憶，若再施與大于 32 毫秒、小于 332 毫秒的觸摸，電路呈關(guān)狀態(tài)時，相位角仍由該部分記憶，保證電路在下一次開狀態(tài)時，保持原選定相位角，光源保持原亮度。觸發(fā)脈沖與市電的同步，由鎖相環(huán)保證電路的工作時鐘，也均由其產(chǎn)生。電路圖如下：R4100KR71MR2270KR3100KRCLENQ1Q9VDDVSSIC CD 4017V1C122UFV79VC3100UFC20.68U FR81M座座220V圖 3-2 觸摸信號輸入電路圖. . . . 9 / 16第四章 安裝與調(diào)試4.1 原件安裝

17、與硬件調(diào)試原件安裝原件安裝元器件安裝時采用電烙鐵手工焊接方法將元件按電路圖焊接，安裝時應(yīng)注意：本設(shè)計中的照明電路，整流電路，指示燈，延時電路以與觸發(fā)電路中的元件都應(yīng)合理布局。避免焊接時交叉短路以與確保電路板美觀程度。焊接時不要直接焊接芯片，注意錫的用量、確保焊點光滑整潔，節(jié)約資源以與焊接時間不要太長，以免燒壞元器件。硬件調(diào)試硬件調(diào)試萬能線路板元件連接成功后，發(fā)現(xiàn)本電路出現(xiàn)以下故障： 故障一：人體觸摸后電路沒有反應(yīng)，電燈不亮。分析：用萬用表測量各點電壓，發(fā)現(xiàn)各點電壓均正常，懷疑觸發(fā)信號過小電路無法觸發(fā)工作。 解決方案：在 555 的 2 腳加入 C1815 的三極管（放大人體觸發(fā)電流）后電路觸發(fā)

18、能工作，電燈發(fā)亮。故障二：排除故障一后，發(fā)現(xiàn)人體觸摸觸發(fā)端，電路延時一分鐘左右后繼電器有動作，但是電路仍然工作，電燈依然發(fā)亮。 分析：繼電器動作，但是電路仍然工作，說明繼電器有動作，但斷開后有繼續(xù)閉合，懷疑繼電器斷開瞬間產(chǎn)生的很大電磁干擾，促使觸發(fā)端，接收到高頻信號觸發(fā)，555 輸出端繼續(xù)輸出高電平。 解決方案：在觸發(fā)端至地，接一個幾十皮發(fā)的電容，觸摸后，延時一分鐘左右電路斷開，電燈熄滅，電路正常工作。. . . . 10 / 16總 結(jié)對于模擬電子和數(shù)字電子的學習，那是去年的學習容了，但是那時候只是簡單地學習書本上的知識，對于自己親手實踐甚至于設(shè)計一款由模擬電子和數(shù)字電子組合而成的產(chǎn)品，更是

19、那時候想都沒想到的事情。其實觸摸開關(guān)早就在市場上流通了，只是之前對于其工作原理等相關(guān)知識了解甚少，通過本次課程設(shè)計，在網(wǎng)上查找資料、圖書館翻閱書籍，掌握了部分關(guān)于觸摸開關(guān)的資料。感知到模擬電子、數(shù)字電子的應(yīng)用圍原來如此廣闊，身邊的用到的很多東西原來都與所學的這些知識息息相關(guān)。在對觸摸延時開關(guān)分析、制作的過程中，很好的鞏固了之前學到的模擬電子相關(guān)知識。重新學習了整流電路的相關(guān)容，對全波整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路有了更深刻的認識，不僅會熟練的運用計算公式，而且通過軟件仿真技術(shù)觀察各階段電路的變化，對各階段電路的波形有更形象的體會和掌握。與此同時，此電路用到了晶閘管的門極觸發(fā)原理，在之前對晶閘管方

20、面的學習只是皮毛，樓道觸摸開關(guān)電路的設(shè)計之中又用到了晶閘管的控制機理。經(jīng)過查閱大量的資料，現(xiàn)在掌握了晶閘管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、以與管腳判別方法，對以后的電路設(shè)計等有關(guān)知識的學習中有很大的幫助。為了使觸摸開關(guān)電路的設(shè)計更為直觀，在設(shè)計過程中用到了很多次計算機仿真技術(shù)。從對系統(tǒng)整體電路的仿真，到各單元電路的仿真，都做了詳細的數(shù)據(jù)、波形、效果記錄。經(jīng)過計算機仿真對電路功能的實現(xiàn)，做出了觸摸開關(guān)的實際產(chǎn)品，對動手實踐方面有了很大的提高。但是基于所學知識、能力和水平所限，在本次觸摸開關(guān)的設(shè)計過程中可能存在很多疏漏、欠妥和錯誤之處，希望通過以后更深一步的學習能夠糾正這些不妥之處?？偟膩碚f，這次的課程設(shè)計

21、的研究還是算比較成功的，在這次的設(shè)計中，我們都學到了很多在書本上學不到的東西，對于動手實踐能力方面，也得到了一定程度的練習，希望在以后的學習中能一步步的得到提升。. . . . 11 / 16致 通過維持兩周的努力，這次課程設(shè)計終于得以順利完成。說真的，此次課程設(shè)計中遇到了很多的困難，對于知識的了解程度不夠、不熟練，動手實踐能力差等等。這份來之不易的成果，離不開是指導老師的幫助、指導和不斷的鼓勵，同時也離不開同學們辛苦努力的合作。首先，我要特別感我的指導老師們，給我提供了極大的幫助和指導。從開始選題到中期的研究設(shè)計糾正，再到最終論文的完成，老師給我提供了許多寶貴建議。老師淵博的專業(yè)知識，嚴謹?shù)?/p>

22、治學態(tài)度，精益求精的工作作風，誨人不倦的高尚師德，樸實無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠。不僅使我樹立了遠大的學術(shù)目標、掌握了基本的研究方法，還使我明白了許多待人接物和為人處世的道理。 其次，感我的合作伙伴，因為有你們的幫助，我們的課程設(shè)計整個過程才得以順利完成。同學們互相交流學習經(jīng)驗，拓寬了大家的知識層面，彌補了之前的學習中的不足之處。其實，一個人的力量是薄弱的，團體的力量才是巨大的。平常只學書本知識，抽象且枯燥，并不動腦去完成，這次讓我明白了有時想是沒用的，還必須去考察，去學習，去實踐，另外心態(tài)問題也是很重要的，有好的心態(tài)就會努力，做事效果也是事半功倍。還要扎實的理論知識，在操作時知道自

23、己的目的，使學到的理論知識得到驗證。只有這樣才能有實質(zhì)的進步，還要和同學們共同討論，解決各種困難，在困難中能了解更多的非課本的知識，還能在找到錯誤的同時鍛煉你的觀察力，所以我知道了很多小元件的作用，并了解到什么樣的現(xiàn)象是哪塊的電路出了錯誤，小小的成功給了我很大的動力，也感受到探索的樂趣，最后由衷感老師給我們鍛煉的機會以與提供給了我們很大的幫助，我們受益匪淺。 . . . . 12 / 16參考文獻1 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版).:高等教育.2009.2 介華.電子技術(shù)課程設(shè)計指導.:高等教育.2001.3 守義，鐘.數(shù)字電子技術(shù)(第二版).:電子科技大學.2003.4 江學文等

24、.光電技術(shù).科學. 2009.15 克農(nóng)主編.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).交通大學電子學教研組.2003.6 黃賢武、曲波、文杰.傳感器實際應(yīng)用電路設(shè)計.電子科技大學，1997.7 高文煥,潤生編.電子線路基礎(chǔ)M.:高等教育,1997.8 王世昌編.電子線路輔導和題選M.:科學技術(shù)文獻,1999.9 王遠編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)學習指導書北M.:清華大學,1998.10 邱關(guān)源主編.電路（上下冊）M.第四版.:高等教育,1999. . . . 13 / 16附 錄整流二極管的參數(shù)05Z6.2Y 硅穩(wěn)壓二極管 Vz=66.35V,Pzm=500mW,05Z7.5Y 硅穩(wěn)壓二極管 Vz=7.347.70V,Pzm=500mW,05Z13X 硅穩(wěn)壓二極管 Vz=12.413.1V,Pzm=500mW,05Z15Y 硅穩(wěn)壓二極管 Vz=14.415.15V,Pzm=500mW,05Z18Y 硅穩(wěn)壓二極管 Vz=17.5518.45V,Pzm=500mW,1N4001 硅整流二極管 50V, 1A,(Ir=5uA,Vf=1V,Ifs=50A)1N4002