触摸开关的研究.doc

江 西 理 工 大 学 南 昌 校 区 毕 业 设 计（论文） 题 目：触摸开关的研究 系 ：信息工程系 专 业：应用电子技术 班 级： 学 生： 学 号： 指导教师： 职称：讲 师 摘 要 市场经济的发展，人们对开关的需求越来越高，开关的种类也因此越来越 齐全。声控开关、机械开关、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；盛开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，方便人们生活。 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。需要开关灯时，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 abstract the development of market economy, people to switch the demand is higher and higher, the types and therefore less switch is complete. sonic switch, mechanical switch, optical switch etc. product has gradually taken into life. but due to mechanical switch belong to have switch components, it has bad contacts, failure rate high, use inconvenience of faults, and friction larger damage easily; blooming switch power resources, serious waste to interfere with the environmental tranquility, optical switch is using the strength of the light to achieve with electric power automatic control of electronic switch, it is so light intensity requirements harsh. in view of the above switch, prompting flaws we seek more ideal switch electrical equipment replacement components, convenient for people to life. corridor delay touch switch is a new type of electronic energy saving switch, can be widely used in multi-storey residential and office corridors outside, vestibular, stair, elevator, corridor in public places, also can be in home installation. this design using analog and digital circuit, in order to direct current voltage-stabilized source circuit, ne555 single state circuit, and relay control circuit as the core design delay touch switch. need to turn off the lights when open fingers switch inductive zone, lights automatic light, delay about a minute, electric automatic extinguished. the operation is simple, use energy-saving, again have no voice sounds light switch has the drawbacks. mainly by ne555 timer, dc voltage circuit and relay control circuit composed. have the following function characteristics: save electric energy, non-contact, clean, safe and reliable. keywords: touch switch；analog circuit；delay；induction；energy conservation 目 录 第一章 设计思路与方案设计.1 1.1 设计思路.1 1.2 方案设计.1 第二章 系统组成与工作原理2 2.1 系统组成的总原理图.2 2.2 系统的工作原理.2 2.1.1 单稳态电路 4 2.2.2 对称双稳态电路 5 2.2.3 无稳态电路 5 2.3 三种节能触摸开关 .6 2.3.1 无静态功耗电子触摸开关 6 2.3.2 微静态功耗触摸延熄开关 7 2.3.3 无静态功耗触摸延熄开关 8 第三章 单元模块电路设计.9 3.1 整流电路.9 3.3 指示灯11 3.4 触发电路11 3.5 晶闸管的开关作用11 3.6 传感器及元器件的选用 15 3.6.1 触摸信号输入电路 .15 3.6.2 74 ls00 的简介 .17 第 4 章 产品制作安装与调试.19 4.1 产品制作设计19 4.1.1 元件布局规则.19 4.1.2 元件布线规则.19 4.2 元器件检测 20 4.3 原件安装与硬件调试 22 第五章 总 结24 致 谢.25 参考文献.26 附 录.27 江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文） 1 第一章 设计思路与方案设计 1.1 设计思路 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，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 方案框图 图 1-1 方案图 触摸信 号输入 电路 电子开关 电路 电子开关 驱动电路 电源 ic cd4017 信 号处理电 路 江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文） 2 第二章 系统组成与工作原理 2.1 系统组成的总原理图 r4 100k r7 1m r1 1m r2 270k r3 100k m座座座 rg r cl en q1 q9 vdd vss ic cd 4017 v1 v2v3v4v5v6 v1-v6in4007*6 hd c1 22uf v7 9v c3 100uf c2 0.68u f r81m v6 9013 r5 30k r6 1k 座座 vt 220v 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，与普通机械开关功能相同，使用非常方 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 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、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 江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文） 3 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 5mm 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。 江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文） 4 2.1.1 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（稳态） 。给它 一个触发信号（负脉冲）后，电路翻转，变为 vt1 导通，vt2 截止（暂稳态） 。 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。 江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文） 5 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/（21.4rbc）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。 江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文） 6 图 2-5 无稳态电路电路图 2.3 三种节能触摸开关 经过对市场上出现的多种电子开关(包括延熄开关)进行分析测试，笔者发 现这些开关都有六七百毫瓦以上的静态功耗，一年下来每个电子开关静态耗电 就在 5、6 度以上。每个厂家每年都生产出大量这种开关供人们使用，可想而知 有多大的浪费。为此，笔者利用一种很普通的小电流触发晶闸管(具有控制极触 发电流很小的特点，触发电流多小于 200a，目前额定电流为 1a 的这种晶闸 管的售价只有四、五毛钱)，设计制作了三种实用的电子触摸开关，这几种开关 具有电路简单、成本低廉、元件易购、工作可靠、使用方便等特点，更主要的 是没有任何静态功耗或只有极微功耗。使用时无需区分两根引出线，可随便与 电器或电灯串联，只是注意整个开关必须接在交流电火线上。 2.3.1 无静态功耗电子触摸开关 目前，大多数电子触摸开关都需要在开关内部设计一个直流低压工作电源， 这样不仅电路复杂，而且存在静态功耗。本电子触摸开关采用的技术方案是： 由桥式整流二极管、单向晶闸管、三极管、电阻、电容和触摸金属片组成电子 触摸开关，触摸开的控制是通过一个小电流触发晶闸管实现的。首先整流二极 管把交流市电变成单向脉动电，然后经一个单向晶闸管进行电源通断控制，触 摸开控制的小电流触发晶闸管接在起电源通断控制作用的晶闸管的阳极和控制 极之间。触摸开金属片通过限流电阻接在小电流触发晶闸管的控制极上。 本开关可以在无任何静态功耗的情况下，对家用电器特别是照明灯具进行 交流电源触摸通断的控制。 小电流触发晶闸管 vs2 实现触摸开控制，三极管 vt 实现触摸关控制。电容 c2 通过电阻 r2 接在 vs1 的控制极和阴极之间，可使晶闸管 vs1 一旦被触发导 江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文） 7 通后能一直维持导通。平时晶闸管 vs1 和 vs2 均处于关断状态，整个电路没有 任何功耗。当人体(如手指)触摸一下金属片 m 时，人体的感应信号使 vs2 导通， 结果 vsl 得到触发电流也导通，电器得电工作。vs1 导通后，vs2 随即没有工作 电压，此时对应电容 c2 两端电压约为 08v。需要关掉电器电源时，触摸一下 金属片 m，对应三极管 vt 导通，c2 上的电荷被释放，vs2 在交流市电过零时关 断。图中电容 c1 和 c3 起抗干扰作用。由于采用桥式整流，通过晶闸管控制， 可确保流过电器电流是正弦波，因此适用于各种电器的电源控制。 2.3.2 微静态功耗触摸延熄开关 此触摸延熄开关具有静态功耗极微的特点。静态电流约 55a，静态功耗 约 12mw，一年下来静态耗电仅约 01 度，比现有触摸延熄开关降耗 98以上。 电路如图 5 所示，vs1、vs2 为单向晶闸管。其中 vs2 为小电流触发晶闸管。交 流电经二极管 vd1vd4 桥式整流后变成脉动直流电，一路直接加到 vs1 的阳、 阴极之间，另一路通过电阻 r1 加到 vs2 的阳极。由于无触发信号，vs1 和 vs2 均处于关断状态。当人体(如手指)触摸一下金属片 m 时，人体的感应信号使 vs2 导通，结果 vs1 也导通，对应电灯得电发光。由于 c2 的作用，vs1 将一直 保持导通状态，这是本开关的一个独特之处。二极管 vd5 起提升电容 c2 上电压 的作用。vs1 导通后，对应 c2 两端电压实测约为 16v。此电压经电阻 r3 向电 容 c4 充电。一定时间后，对应三 极管 vt1 导通，结果 c2 上的电荷被释放， vs1 关断，电灯熄灭。 三极管 vt2 为电容 c4 提供放电回路，当延熄结束后，vs1 截止，220v 的直 流脉动电压通过电阻 r1、r7 加到 vt2 基极，vt2 饱和导通，c4 上电荷被快速释 放，为再次的延熄做好准备。此触摸延熄开关所带负荷的大小由 vs1 和 vd1vd4 二极管决定。vs1 采用 1a600v，vd1vd5 采用 1n4007，对应灯泡功 率在 100w 以内。vs2 采用小型的 mcr00-6。r1r8 电阻阻值分别为 100k、22k、220k、15m、15m、22k、39k、39k，功率均为 116w。c1、c3 为瓷片电容，容量分别为 01 和 001。c2、c4 为电解 电容，分别为 4725v 和 47016v。 2.3.3 无静态功耗触摸延熄开关 此触摸延熄开关没有任何静态功耗。电路中的 r8 处串联了一个耐压 400v 以上的小容量电容 c5，平时没有任何静态电流。每次延熄过程中，此小容量电 容通过 r8、r9 放电；延熄结束后，200 多伏脉动直流电向此小容量电容快速充 电。由于 vt1、vt2 导通后，c4 上电压会快速降到 06v 左右，要把 c5 上不多 的电荷放掉，对于所串联的此小容量电容只要几千皮法即可，c5 为 3900pf500v。三极管 vt1、vt2 构成模拟单向晶闸管，一旦导通，就快速进入 江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文） 8 饱和状态，对应 c2 上的电荷快速被释放，结果 vs1 快速关断。由于采用了模拟 单向晶闸管，触发电流极小，不到 1a，因此 r3 阻值可以取得很大，对应 c4 容量可以很小，让 c4 电荷放掉的 r8 支路电流也可相应降低。如果三极管 vt3 电流放大倍数大于 50，c5 容量还可减小。经实验，c5 取 2200pf，r8 取 33m，也能正常工作。r3 取 15m，c4 取 100f，延熄时间为 68 秒。 江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文） 9 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： (1)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“” 、为“”时应有电流流 入点，为“” 、为“”时应有电流流出点；因而和点均应分别 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 (2).工作原理 设变压器副边电压，u2为其有效值。tuusin222 当2为正半周时，电流由 a 点流出，经过 v1、rl、d3流入 b 点，因而负载 电阻 rl上的电压等于变压器副边电压，即，v2和 v4管承受的反响电压为2uuo u2。当 u2为负半周时，电流由 b 点流出，经 v2、rl、v4流入 a 点，负载电阻 rl上的电压等于u2，即，v1、v3承受的反向电压为 u2。2uuo 这样，由于 v1、v3和 v2、v4两对二极管交替导通，致使负载电阻 rl上在 江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文） 10 u2的整个周期内都有电流通过，而且方向不变，输出电压。如tuuosin22 图 3-2 所示为单相桥式整流电路各部分的电压和电流的波形。 图 3-2 桥式整流电路电流、电压波形 (3).输出电压平均值 uo(av)和输出电流平均值 io(av) 根据图 3-2 中所示 uo的波形可知，输出电压的平均值 )(sin2 1 2 0 )(ttduuavo 解得 2 2 )(9 . 0 22 u u uavo 由于桥式整流电路实现了全波整流电路，它将 u2的负半周也利用起来，所 以在变压器副边电压有效值相同的情况下，输出电流的平均值（即负载电阻中 的电流平均值） ll avo avo r u r u i 2)( )( 9 . 0 在变压器副边电压相同、且负载也相同的情况下，输出电流的平均值也是 半波整流电路的两倍。 根据谐波分析，桥式整流电路的基波 uoim的角频率是 u2的 2 倍，即 100hz，。故脉动系数 2 22 3 2 u uoim 江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文） 11 67 . 0 3 2 )( avo oim u u s 与半波整流电路相比，输出电压的脉动减小很多。 3.3 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 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。 3.4 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） 。 3.5 晶闸管的开关作用 (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 3-3 所示： 图 3-3 等效图 当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导通，必须使承受反向电压的 pn 结 j2失去阻挡作用。每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极 电流。因此是两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门极电流 ig 流入时，就 会形成强烈的正反馈，造成两晶体管饱和导通。 江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文） 12 设 pnp 管和 npn 管的集电极电流分别为 ic1和 ic2，发射极电流相应为 ia 和 ik，电流放大系数相应为 1=ic1/ia 和 2=ic2/ik，设流过 j2结的反相漏电流为 ico，晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和： (1)(1) cok cocc +iiia+ = +i+i=ii 21 21 若门极电流为 ig，则晶闸管阴极电流为： gakiii 得出晶闸管阳极电流为： (2)(2) )(121 gcoii i 硅 pnp 管和硅 npn 管相应的电流放大系数 1和 2随其发射极电流的改变 而急剧变化。当晶闸管承受正向阳极电压，而门极未接受电压的情况下，式(2)(2) 中 ig=0，(1+2)很小，故晶闸管的阳极电流 iaico，晶闸管处于正向阻断 状态；当晶闸管在正向门极电压下，从门极 g 流入电流 ig，由于足够大的 ig流 经 npn 管的发射结，从而提高放大系数 2，产生足够大的集电极电流 ic2流过 pnp 管的发射结，并提高了 pnp 管的电流放大系数 1，产生更大的集电极电流 ic1流经 npn 管的发射结，这样强烈的正反馈过程迅速进行。 当 1和 2随发射极电流增加而使得(1+2)1时，式(2)(2)中的分母1- (1+2)0，因此提高了晶闸管的阳极电流 ia。这时，流过晶闸管的电流完 全由主回路的电压和回路电阻决定，晶闸管已处于正向导通状态。晶闸管导通 后，式(2)(2)中1-(1+2)0，即使此时门极电流 ig=0，晶闸管仍能保持原来的 阳极电流 ia 而继续导通，门极已失去作用。在晶闸管导通后，如果不断地减小 电源电压或增大回路电阻，使阳极电流 ia 减小到维持电流 ih以下时，由于 1 和 2迅速下降，晶闸管恢复到阻断状态。 (3).晶闸管的工作条件 晶闸管承受反向阳极电压时，无论门极承受何种电压,晶闸管都处于关断 状态。 晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才 导通。 晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压,无论门极电压如何， 晶闸管保持导通,即晶闸管导通后，门极失去作用。 晶闸管在导通情况下，当主回路电压或电流减小到接近于零时，晶闸管 江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文） 13 关断。 (4).晶闸管的管脚鉴别 单、双晶闸管的判别： 先任测两个极，若正、反测指针均不动（r1挡） ，可能是 a、k 或 g、a 极 （对单向晶闸管）也可能是 t2、t1或 t2、g 极 （对双向晶闸管） 。若其中有一 次测量指示为几十至几百欧，则必为单向晶闸管。且红笔所接为 k 极，黑笔接 的为 g 极，剩下即为 a 极。若正、反向测批示均为几十 至几百欧，则必为双向 晶闸管。再将旋钮拨至 r1或 r10挡复测，其中必有一次阻值稍大，则稍大 的一次红笔接的为 g 极，黑笔所接为 t1极，余下是 t2极。 图3-4 晶闸管管脚 性能的差别： 将旋钮拨至 r1挡，对于16a 单向晶闸管，红笔接 k 极，黑笔同时接通 g、a 极，在保持黑笔不脱离 a 极状态下断开 g 极，指针应指示几十欧至一百欧， 此时可控硅已被触发， 且触发电压低（或触发电流小） 。然后瞬时断开 a 极再 接通，指针应退回位置，则表明可控硅良好。 对于16a 双向晶闸管，红笔接 t1极，黑笔同时接 g、t2极，在保证黑笔 不脱离 t2极的前提下断开 g 极，指针应指示为几十至一百多欧（视晶闸管电流 大 小、厂家不同而异） 。然后将两笔对调，重复上述步骤测一次，指针指示还 要比上一次稍大十几至几十欧，则表明晶闸管良好，且触发电压（或电流）小。 若保持接通 a 极或 t2极时断开 g 极，指针立即退回位置，则说明晶闸管 触发电流太大或损坏。可按图2方法进一步测量，对于单向晶闸管，闭合开关 k，应发亮，断开 k 灯仍不息灭，否则说明晶闸管损坏。 对于双向晶闸管，闭合开关 k，灯应发亮，断开 k，灯应不息灭。然后将电 池反接，重复上述步骤，均应是同一结果，才说明是好的。否则说明该器件已 损坏。 三极管： （1）共射电流放大系数 和 江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文） 14 在共射极放大电路中，若交流输入信号为零，则管子各极间的电压和电流 都是直流量，此时的集电极电流 ic 和基极电流 ib 的比就是三极管的放大倍数 （=ic/ib, 表示变化量）， 称为共射直流电流放大系数。 当共射极放大电路有交流信号输入时，因交流信号的作用，必然会引起 ib 的变化，相应的也会引起 ic 的变化，两电流变化量的比称为共射交流电流放大 系数 。 上述两个电流放大系数 和 的含义虽然不同，但工作在输出特性曲线 放大区平坦部分的三极管，两者的差异极小，可做近似相等处理，故在今后应 用时，通常不加区分，直接互相替代使用。 由于制造工艺的分散性，同一型号三极管的 值差异较大。常用的小功率 三极管， 值一般为 20100。 过小，管子的电流放大作用小， 过大，管 子工作的稳定性差，一般选用 在 4080 之间的管子较为合适。 （2）极间反向饱和电流 icbo 和 iceo 集电结反向饱和电流 icbo 是指发射极开路，集电结加反向电压时测得的集 电极电流。常温下，硅管的 icbo 在 na（10-9）的量级，通常可忽略。 集电极-发射极反向电流 iceo 是指基极开路时，集电极与发射极之间的反向 电流，即穿透电流，穿透电流的大小受温度的影响较大，穿透电流小的管子 热稳定性好。 （3）极限参数 集电极最大允许电流 icm 晶体管的集电极电流 ic 在相当大的范围内 值基本保持不变，但当 ic 的 数值大到一定程度时，电流放大系数 值将下降。使 明显减少的 ic 即为 icm。为了使三极管在放大电路中能正常工作，ic 不应超过 icm。 集电极最大允许功耗 pcm 晶体管工作时、集电极电流在集电结上将产生热量，产生热量所消耗的功 率就是集电极的功耗 pcm。功耗与三极管的结温有关，结温又与环境温度、管 子是否有散热器等条件相关。功耗线的左下方为安全工作区，右上方为过损耗 区。手册上给出的 pcm 值是在常温下 25时测得的。硅管集电结的上限温度为 150左右，锗管为 70左右，使用时应注意不要超过此值，否则管子将损坏。 反向击穿电压 ubr（ceo） 反向击穿电压 ubr（ceo）是指基极开路时，加在集电极与发射极之间的最 大允许电压。使用中如果管子两端的电压 uceubr（ceo），集电极电流 ic 将 急剧增大，这种现象称为击穿。管子击穿将造成三极管永久性的损坏。三极管 电路在电源 ec 的值选得过大时，有可能会出现，当管子截止时， 江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文） 15 uceubr（ceo）导致三极管击穿而损坏的现象。一般情况下，三极管电路的电 源电压 ec 应小于 1/2 ubr（ceo）。 （4）温度对三极管参数的影响 几乎所有的三极管参数都与温度有关，因此不容忽视。温度对下列的三个参 数影响最大。 对 的影响： 三极管的 随温度的升高将增大，温度每上升 l， 值约增大 0.51，其结果是在相同的 ib 情况下，集电极电流 ic 随温度上升而增大。 对反向饱和电流 iceo 的影响： iceo 是由少数载流子漂移运动形成的，它与环境温度关系很大，iceo 随温 度上升会急剧增加。温度上升 10，iceo 将增加一倍。由于硅管的 iceo 很小， 所以，温度对硅管 iceo 的影响不大。 对发射结电压 ube 的影响： 和二极管的正向特性一样，温度上升 1，ube 将下降 22.5mv。 综上所述，随着温度的上升， 值将增大，ic 也将增大，uce 将下降，这 对三极管放大作用不利，使用中应采取相应的措施克服温度的影响。 3.6 传感器及元器件的选用 3.6.1 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 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，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： 江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文） 16 r4 100k r7 1m r2 270k r3 100k r cl en q1 q9 vdd vss ic cd 4017 v1 c1 22uf v7 9v c3 100uf c2 0.68u f r81m 座座 220v 图 3-5 触摸信号输入电路图 （1）cd4017 工作原理及应用电路图如下: 图 3-6 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、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 江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文） 17 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cp1 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c p1 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 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。ic cd4017 的引脚图如下： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 12 13 14 15 16 17 18 19 20g 1q 1d 2d 2q 3q 3d 4d 4q gn d oe 5q 5d 6d 6q 7q 7d 8d 8q vcc 5.08mm 7.62mm 25.4mm 74ls373 图 3-7 74ls373 的引脚图 （2）74ls373的功能说明 74ls373 是一种 8d 锁存器，具有三态驱动输出，该锁存器由 8 个 d 门组成， 有 8 个输入端 1d 8d，八个输出端 1q 8q，2 个控制端（g 和 oe） ，使能端 g 有效时，将 d 端数据打入锁存器中 d 门，当输出允许端有效时，将锁存器中 锁存的数据送到输出端 q。 当使能端 g 为高电平时，同时输出允许端 为低电平，则输出 q 等于输入 d；当使能端 g 为低电平，而输出允许端也为低电平时，则输出 q=qo(原状态， 即使能端 g 由高电平变为低电平前，输出端 q 的状态，这就是“锁存”的意义)： 当输出允许端 为高电平时，不论使能端 g 为何值。输出端 q 总为高阻态。 3.6.2 74 ls00 的简介 74ls00 为四组 2 输入端与非门，其主要电特性的典型值如表 3-8 所示 表 3-8 74ls00 主要特性 tplhtphlpd 9ns10ns9mw （1）逻辑门 74ls00 芯片的引脚排列如图 3-9 所示 江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文） 18 a1 1 b1 2 y4 8 y2 6 a2 4 b2 5 y1 3 vcc 14 a3 13 b3 12 y3 11 a4 10 b4 9 gnd 7 74ls00 . . . . 图 3-9 74ls00 芯片的引脚图 （2）74ls00 芯片的接线图如图 3-10 所示 . 1 2 3 a . . a 1 2 3 4 5 6 78 9 10 11 12 13 14 a a a a b bb b y y y y gnd v . 1 2 3 a . 1 2 3 a 1 2 3 a 74ls00 1 1 2 3 4 1 2 2 3 3 4 4 cc . . . . 图 3-10 74ls00 芯片的接线图 （3）74ls00 芯片逻辑符号图如图 3-11 所示， 1 2 3 a 74ls00 . . . . 图 3-11 74ls00 逻辑符号图 江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文） 19 第 4 章 产品制作安装与调试 4.1 产品制作设计 4.1.1 元件布局规则 (1) 按电路模块进行布局，实现同一功能的相关电路称为模块，电路模块中的 元件应采用就近集中原则，同时数字电路和模拟电路分开。 (2) 定位孔、标准孔等非安装孔周围 1.27mm 内不得贴装元件，螺钉等安装孔周 围 3.5mm 内不得贴原器件。 (3) 卧装电阻、电感、电解电容等元件的下方避免布过孔，以免波峰焊后过孔 与元件壳体短路。 (4) 元器件的外侧距板边的距离为 5mm。 (5) 贴装元件焊盘的外侧与相邻插装元件的外侧距离大于 2mm。 (6) 金属壳体元件与金属件不能与其他壳体相碰，不能紧贴印制线、焊盘，其 间距应大于 2mm；定位孔、紧固件安装孔、椭圆孔及板中其他方孔外侧距 板边的尺寸应大于 3mm。 (7) 发热元件不能紧邻导线和热敏元件；高热器件要均匀分布。 (8) 电源插座要尽量布置在印制板的四周，电源插座与其相连的汇流条接线端 应布置在同侧。 (9) 所有 ic 元件单边对齐，有极性元件极性标示明确，同一印制板上极性标示 不得多于两个，出现两个方向时，两个方向互相垂直。 (10) 板面布线应疏密得当，当疏密差别太大时应以网状填充，网格大于 8mil； (11) 贴片焊盘上不能有通孔，以免焊膏流失造成元件虚焊。 (12) 贴片单端对齐，字符方向一致，封装方向一致。 (13) 有极性的器件在以同一板上的极性标示方向一致。 4.1.2 元件布线规则 (1) 画定布线区域距 pcb 板边1mm 的区域内，以及安装孔周围 1mm 内，禁止 布线。 (2) 电源线应尽可能的宽，不应低于 18mil；模拟信号线宽不应低于 12mil；cpu 入出线不应低于 10mil；线间距不应低于 10mil。 (3) 正常过孔的焊盘不应低于 30mil；孔径不低于 14mil。 (4) 双列直插：焊盘 60mil；孔径 40mil。 (5) 注意电源线与地线应尽可能呈放射状，以及信号线不能出现回环走线。 江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文） 20 4.2 元器件检测 (1) 三极管的判别方法： 基极的确定：先用任意一支万用表笔， 设为黑点 ， 任某个电极不动，再用另一支表笔红色分别去点其它两个极，如果分别 点测两次中，其阻值相同，则黑表笔点的为基极；若只有一次有阻值，或两 次都没有阻值，说明急木找到； 在确定基极过程中，两次测量阻值中， 两次测量阻值不相等，阻值大的为发射极，阻值小的为集电极。 (2) 电子元器件的极性：电解电容上标有白色箭头的一极是负极；玻璃封装二 极管上标有黑色环的一端，塑料封装二极管上标有白色环的一端为负极；某 些三极管的管脚上非标准排列，在其外壳的柱面上用红色点表示发射极等； (3) 发光二极管的判测：由于“二极管”挡能够提供 3v、1ma 的电源，所以 可直接测光管（led）的正向导通压降，一般显示在 2v 以下，同时管子 会发出微光；反向显示为“1” 。红色 led 导通压降约为 1.759v 橙色 led 为 1.686v，绿色 led 为 1.767v。指针式万用表由于使用 1.5v 电池，故不 能测量发光二极管。 (4) 电位器的检测：检查电位器时，首先要转动旋柄，看看旋柄转动是否平滑， 开关是否灵活，开关通、断时“喀哒”声是否清脆，并听一听电位器内部接 触点和电阻体摩擦的声音，如有“沙沙”声，说明质量不好。用万用表测试 时，先根据被测电位器阻值的大小，选择好万用表的合适电阻挡位，然后 可按下述方法进行检： a 用万用表的欧姆挡测“1”、 “2”两端，其读数应为电位器的标称阻值，如万 用表的指针不动或阻值相差很多，则表明该电位器已损坏。 b 检测电位器的活动臂与电阻片的接触是否良好。用万用表的欧姆档测“1”、 “2”(或“2”、 “3”)两端，将电位器的转轴按逆时针方向旋至接近“关”的位置， 这时电阻值越小越好。再顺时针慢慢旋转轴柄，电阻值应逐渐增大，表头 中的指针应平稳移动。当轴柄旋至极端位置“3”时，阻值应接近电位器的标 称值。如万用表的指针在电位器的轴柄转动过程中有跳动现象，说明活动 触点有接触不良的故障。 (5) 电源变压器的检测： a 直接测量法。将次级所有绕组全部开路，把万用表置于交流电流 (500ma)，串入初级绕组。当初级绕组的插头插入 220v 交流市电时， 万用表所指示的便是空载电流值。此值不应大于变压器满载电流的 1020。一般常见电子设备电源变压器的正常空载电流应在 100ma 左右。如果超出太多，则说明变压器有短路性故障。 江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文） 21 b 间接测量法。在变压器的初级绕组中串联一个 10/5w 的电阻，次级仍全 部空载。把万用表拨至交流电压挡。加电后，用两表笔测出电阻 r 两端的 电压降 u，然后用欧姆定律算出空载电流 i 空，即 i 空=u/r。 c 一般小功率电源变压器允许温升为 4050，如果所用绝缘材料质量 较好，允许温升还可提高。 d 检测判别各绕组的同名端。在使用电源变压器时，有时为了得到所需的次 级电压，可将两个或多个次级绕组串联起来使用。采用串联法使用电源变 压器时，参加串联的各绕组的同名端必须正确连接，不能搞错。否则，变 压器不能正常工作。 e 电源变压器短路性故障的综合检测判别。电源变压器发生短路性故障后的 主要症状是发热严重和次级绕组输出电压失常。通常，线圈内部匝间短路 点越多，短路电流就越大，而变压器发热就越严重。检测判断电源变压器 是否有短路性故障的简单方法是测量空载电流(测试方法前面已经介绍)。 存在短路故障的变压器，其空载电流值将远大于满载电流的 10。当短路 严重时，变压器在空载加电后几十秒钟