1、课程设计(论文)题 目 名 称 单键触摸开关设计 课 程 名 称 电子技术课程设计 学 生 姓 名 邓伟 学 号 0941202010 系 、 专 业 电气工程系 09 级自动化 指 导 教 师 刘祥民 2011 年 12 月 15 日目 录绪 论 1第一章 设计思路及方案 .21.1 设计思路 21.2 方案设计 2第二章 系统组成与工作原理 32.1 系统组成的总原理图 32.2 系统的工作原理 3第三章 元件选择与部分元器件作用 53.1 元器件选择 53.2 指示灯 63.3 晶闸管作用 6第四章 单元电路设计 74.1 触摸信号输入电路 74.2 整流电路 84.3 555 时基电路
2、 .84.4 电子开关驱动电路 .104.5 IC CD4017.104.5.1 IC CD4017 信号处理电路 .104.5.2 CD4017 工作原理及应用电路 114.6 晶闸管开关电路 .12第五章 稳压电源 .13第六章 产品安装调试及故障分析 .14第七章 总结 .15参考文献 .16致谢 17 绪论照明开关电子化进程是从公共照明的节电控制开始。适宜于门厅、楼梯和楼道中使用的触摸式、感应式、红外线式和声光控式延时自熄开关，使公共照明基本实现了“人来灯亮、人离灯熄”的自动控制，明显改善了楼房的公共照明效果，还能大幅度节省公共照明用电，照明灯的实际使用寿命也明显延长。这类开关是受到欢
3、迎和推广的。与公共照明开关相比，室内用电子式开关的技术难度较大。研制确有实用价值的电子式室内照明开关市场潜力可能更大。触摸延时开关是一种节能的开关控制器。轻触延时开关：使用时只需轻触一下按钮,开关即导通工作,然后延时一段时间后自动关闭；高亮发光指示,便于夜间使用；无触点电子开关,接通负载的瞬间无冲击电压，延长负载使用寿命。轻触延时开关和声光控制延时开关比较适合楼梯走廊和室内等处的灯光照明控制开关，轻触延时开关只需轻触以下开关就可控制灯的关和开，还具有延时功能，在一段时间内无人触摸的情况下灯会自动熄灭，这样可以起到节能的作用，所以在楼梯和走廊处用的比较多；声光延时开关现在也比较普遍，而且使灯光的
4、控制更加方便，不用动手就可以控制灯光的照明，它通过采集一定分贝的声音或一定亮度的光照信号，再转变成电信号来达到控制的目的。延时开关的发展方向主要是向智能延时开关方向发展。现在的延时开关大多数是不能控制开关延时时间的长短，没有自动识别功能。智能化的延时开关应向以下几个方面发展：1.触摸屏控制方式，双亮度指示灯，在夜晚关灯后可知开关位置。2.电子启动，无触点火花，更安全耐用，精心呵护灯具。3.自动识别功能，停电再来电自动关灯，避免浪费电能。4.单火设计，新装和换装一样方便。5.多款外观风格和面板颜色，给用户更人性化的选择。6.适用所有主流灯具的控制，无需添加外围线路。1. 设计思路与方框1.1 设
5、计思路随着社会的进步，人类生活水平的不断提高，各种电子开关出现，为了设计一款方便使用，简单可靠的的单键触摸开关，我特意选择了单键触摸开关作为我的课程设计课题。单键触摸开关由触摸信号输入电路，ICCD4017 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 方案设计图 1-1 方案图触摸式电子开关基本原理框图如下图 1-2 所示：VT1VT2双稳态触发器单稳态触发器图 1-2 方案图触摸
6、信号输入电路 电子开关电路电子开关驱动电路电源ICCD40172.系统组成与工作原理2.1 系统组成的总体原理图如图 2-1 所示：R4100KR7 1MR11M R2270KR3100KM座座座RGRCLENQ1 Q9VDD VSSIC CD4017V1V2 V3 V4 V5 V6V1-V6IN4007*6HDC122UFV79V C3100UFC20.68UFR8 1MV69013R530KR61K座座VT220V图 2-1 系统总体原理图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，与普通机械开关功能相同
7、，使用非常方便。电路原理如图 2.1 所示，其中 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。NE555构成的单稳态触发器， 74112 为 JK 触发器构成的双稳态触发器， JK 触发器是逻辑功能最完善的触发器，它不仅克服了 RS 触发器存在的约束条件，同时还增加了“翻转”这一功能，在本电路中就是利用了 JK 触发器的翻转功能，来实现此电路触摸开关的功能。NE555 构成脉冲启动型单稳态触发器，它的 2 脚用做触发端，低电平触发有效，R2 、 C1 决定输出脉冲宽度，当电路受触发后，3 脚输出高电平，延时一个脉宽后恢复低电平。集
8、成电路是块双 D 触发器，分别接成一个单稳态电路和一个双稳态电路。单稳态电路的作用是对触摸信号进行脉冲展宽整形，保证每次触摸动作都可靠。双稳态电路用来驱动晶闸管 VS 的开通或关闭。M是触摸电极片，手指摸一下 M，人体泄漏的交流电在电阻 R2 上的压降，其正半周信号进入 A 的 3 脚即单稳态电路的 CP 端，使单稳态电路翻转进入暂态，其输出端 Q 即 1 脚由原来的低电平跳变为高电平，此高电平经 R3 向 Cl 充电，使 4 脚即 R 端电位上升，当上升到复位电平时，单稳态电路复位，1 脚恢复低电平。所以每触摸一次电极片 M，1 脚就输出一个固定宽度的正脉冲。此正脉冲将直接加到 11 脚即双
9、稳态电路的 CP 端，使双稳态电路翻转一次，其输出端 Q 即 13 脚电平就改变一次。当 13 脚为高电平时，VS 的门极通过 R4 获得正向触发电流而开通，即电子开关闭合，电灯点亮发光。这时电容 C3 两端的电压会跌落到 3V 左右，发光管 LED 熄灭，但 A 仍能正常工作。当 13 脚输出低电平时，VS 失去触发电流，当交流电过零时即关断，电灯熄灭。这时 C3两端电压又能恢复到 12V，LED 点亮作弱光指示。CD4017 的 Q1、Q3、Q5、Q7、Q9 等奇数输出端分别接二极管V2V6，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
10、、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。由此可见，每触摸一次电极片 M，就能实现“开”或“关”电灯的动作。元器件选择与制作 A 用 CD4017
11、 型双 D 触发器数字集成电路，采用 14 脚双列直插式塑封包装 OVS 采用 MCRl008 2N6565 型等小型塑封单向管， VD1-41N4004-1N4007 型等硅整流二极管，VD5 用 12V、12W 稳压二极管，如 2CW60 型等。LED 可用红色发光二极管。3 元件选择与部分元器件作用3.1 元器件选择（1）VTH 应采用触发电流较小的 1A、400 600V 小型塑封双向晶闸管，如 MAC94A4、MAC97A6 型等。（2）VT 选用 9013 型等硅 NPN 小功率晶体管，要求 150。(3)VD 选用 IN4001IN4007 型等硅整流二极管，VD2 选用 IN4
12、148 型硅管开关二极管。 (4) VS 最好选用 12V、1W 稳压二极管，如 UZP-12B、IN4742 型等。(5)R1R4 均可用普通 1/8W 碳膜电阻器；R5 为触摸时安全隔离电阻，最好采用 1/4W 金属膜高阻值电阻器，以确保使用者的安全。(6) C1 用耐压 400600V 的聚丙烯电容器，如 CBB-400V、CBB-600V 型等；C2、C3 用耐压 16V 的铝电解电容器；C4 为普通瓷介电容器。(7)M 可用面积为 15mm15mm 左右的镀锡铁皮，用环氧树脂胶将其粘贴在 86 系列开关盒的塑料盖板上，在背面引出导线接电阻 R5。元器件清单如下表 3-1 所示：序号：
13、 名称： 型号： 数量：1 电阻器 1K 1 个2 电阻器 20K 1 个3 电阻器 50K 1 个4 电阻器 910K 1 个5 电阻器 2.2M 1 个6 电容器 47 和 0.01 1 个7 电容器 100 1 个8 普通二极管 4 个9 发光二极管 红光 1 个10 稳压二极管 5.8V 1 个11 集成芯片 NE555N 1 个12 JK 触发器 74LS112 1 个13 信号处理器 CD4017 1 个3.2 指示灯VD1VD4、VS 组成开关的主回路。平时，VS 处于关断状态，灯不亮。VD1VD4 输出 220V 脉动直流电经 R1 限流， VD5 稳压，C2 滤波输出约8V
14、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 晶闸管作用（1）晶闸管的开关作用晶闸管是一种开关组件，广泛的应用在各种电路，以及电子设备中。典型的小电流控制大电流的组件，通过一个电流很小的脉冲触发，当晶闸管处于导通状态时它的电阻变得很小相当于一跟导线。(2) 晶闸管的结构和工作原理晶闸管是四层三端器件，它有 J1、J2、J3 三个 PN 结,可以把它中间的NP 分成两部分，构成一个 PNP 型三极管和一个 NPN 型三极管的复合管。如图图 3-1 所示：图 3-1 等效图4 单元电路设计 4.1 触摸信号输入电路HD 为管式氖泡，它与光敏电阻 RG 组
15、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 41159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
16、，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：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。）触摸电路如图 4-1 所示。图 4-1 触摸电路4.2 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
17、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。桥式整流电路原理图如 4-2 所示：图 4-2 桥式整流原理4.3 555 时基电路555 时基电路 A 也接成单稳态工作模式，平时 555 处于稳定态，其 3 脚输出低电平，VTH 截止，灯 EL 不亮。电路如图 4-3 所示：图 4-3 555 时基电路延时开关可以单独由分
18、立元件实现，在本设计中我选择 555 定时器来制作多点控制触摸延时开关电路，由 555 时基电路、电源电路、晶闸管开关电路及触摸电路等几部分组成。本开关触摸电路由晶体管 VT 放大电路完成，用它来取代触摸式照明灯延迟开关（1）中的二极管 VT2，电路的其他部分均一样。555 时基电路 A 也接成单稳态工作模式，平时 555 处于稳定态，其 3 脚输出低电平，VTH 截止，灯 EL 不亮。当有人触摸电极片 M 时，经人体泄漏的50Hz 工频信号由高阻电阻器 R5 注入晶体管 VT 的基极，经 VT 放大，信号的负半周足以使 VT 导通，555 时基电路 2 脚即获得低电平触发信号，电路翻转进入暂
19、态，3 脚输出高电平，经 R2 加到 VTH 的控制极，使 VTH 开通，EL 点亮发光。约经 t=.1R3C3，暂态结束，555 时基电路翻回稳态，3 脚恢复低电平，VTH 因失去触发电流当交流电过零时即关断，照明灯 EL 熄灭。4.4 电子开关驱动电路V2 V3 V4 V5 V6V1-V6IN4007*6V69013R530KR61KVT图 4-4 电子开关驱动电路该电路为触摸开关的驱动电路由 5 个二极管 R5、R6 及一个三极官和一个可控硅管组成。当 IC CD4017 输出高电平能驱动二极管后则在二极管和R5、R6 的限压和限流的作用下给三极管基极电流和电压及可控硅管以驱动三极管和可
20、控硅管导通这样就可以使灯泡或其他电器设备正常工作了。4.5 IC CD40174.5.1 IC CD4017 信号处理电路电路图如图 4-5 所示：R4100KR7 1MR2270KR3100KRCLENQ1 Q9VDDVSSIC CD4017V1C122UFV79V C3100UFC20.68UFR8 1M座座220V图 4-5 cd4017 信号处理电路4.5.2 CD4017 工作原理及应用电路方框图如下图 4-6 所示：图 4-6 cd4017 原理应用电路十进制计数分频器 CD4017，其内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是O0、O1、O2
21、、O9 依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。CD4017 有 10 个输出端（O0O9）和 1 个进位输出端O5-9。每输入 10个计数脉冲，O5-9 就可得到 1 个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。CD4017 有 3 个输入（MR、CP0 和CP1），MR 为清零端，当在 MR 端上加高电平或正脉冲时其输出 O0 为高电平，其余输出端（O1O9）均为低电平。CP0 和CP 1 是 2 个时钟输入端，若要用上升沿来计数，则信号由 CP0 端输入；若要用下降沿来计数，则信号由CP1 端输入。设置 2 个时钟输入端，级联时比较方便，可驱动更多二极管发光。 由此可见，当
22、 CD4017 有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态，故可直接用作顺序脉冲发生器。ICCD4017 的引脚图如下图 4-7 所示：图 4-7 CD4017 的引脚图4.6 晶闸管开关电路当有人触摸电极片 M 时，经人体泄漏的 50Hz 工频信号由高阻电阻器 R5注入晶体管 VT 的基极，经 VT 放大，信号的负半周足以使 VT 导通，555 时基电路 2 脚即获得低电平触发信号，电路翻转进入暂态，3 脚输出高电平，经R2 加到 VTH 的控制极，使 VTH 开通，EL 点亮发光。约经 t=.1R3C3，暂态结束，555 时基电路翻回稳态，3 脚恢复低电平，VTH 因失去触发电流当
23、交流电过零时即关断，照明灯 EL 熄灭。晶闸管开关电路如图 4-8 所示：图 4-8 晶闸管开关电路5.稳压电源电源是整机能源的提供者，稳定的电源是提高系统性能指标的前提条件，为了保证电源部分不对性能指标造成影响。首先，是采用性能优良的集成稳压电路；其次，是采用大小功率电路分开供电。从实质上把两者的相互牵制或不良耦合减小到最低程度。电路还具有电压短路保护功能和工作状态指示。具体电路如图 5-1 所示：图 5 线性稳压电源6 产品安装调试及故障分析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
24、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。硬件调试打开电源，给系统加上激励信号（触摸铁片），观察灯泡1.亮和按时灭。2.时，利用万用表测得经稳压管提供给 NE555N 的工3.压为 5.8V6V.4.摸铁片，灯泡得电发光，因为所调定发亮时间为T=R4*C2910K*100100S。经对表测试时间准确。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：用万用表测量各点电压，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 C1
25、815 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。故障三：在开始的试验中，一经接上电源，不须触摸灯泡马上通电发亮，分析：经用万用表检查分析后得到，双向可控硅的选择参数错误，更改后，功能得到实现。在单元电
26、路中，经过计算分析，原支路需要用到的 240K 电阻需要改为 50K 才能提供各个分路所需要的电流。在其它故障分析中粗查是否有短路，断路和元件错焊等情况。在焊接中观察是否有漏焊，虚焊或者元件相接短路等情况出现造成该电路不能达到最终的结果。试验效果：接通 220V/50HZ 的交流电源，用手触摸铁片后放开，LED 红灯发光，经过 100S 后 LED 红光灯熄灭。达到节能效果。7.总结触摸开关已经在早些年就服务于大众了，但是对于相关知识了解甚少。在本次的开关设计中，充分运用所学的模拟电子技术基础知识、以及搜集的大量资料。明白了触摸开关的基本原理，并且用所学知识对一些电路图改进，使其性能更加优良。
27、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。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
28、真，都做了详细的数据、波形、效果记录。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。因为所学知识、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，希望能够多加指正，以便以后不断改进。参考文献1 陈有卿. 新颖实用分立组件电子制作 138 例. 人民邮电出版社 .20012 章卫国. 杨向忠，模糊控制理论与应用 . 西北工业大学出版社 .2000；3 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 .20094 彭介华.电子技术课程设计指导.北京:高等教育出版社 .20015 李明生，电子测量仪器与应用.北京:电子工业出版社 . 2005；6 唐赣，聂典.Multisim 10 原理图仿真与 PowerPCB 5.0.1 印刷制电路板设计.北京:电子工业出版社.2009;致谢本课题是在刘老师的悉心指导和亲切关怀下完成的。从最初论文的选题到最终的审阅定稿都凝聚了刘老师大量的心血。老师严谨的治学态度，高深的学术水平，科学的思维方法永远是我学习的榜样，在此向他致以衷心的感谢。
