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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 目目 录录 绪 论 1 第一章 设计思路及方案 2 1 1 设计思路 2 1 2 方案设计 2 第二章 系统组成与工作原理 3 2 1 系统组成的总原理图 3 2 2 系统的工作原理 3 第三章 元件选择与部分元器件作用 5 3 1 元器件选择 5 3 2 指示灯 6 3 3 晶闸管作用 6 第四章 单元电路设计 7 4 1 触摸信号输入电路 7 4 2 整流电路 8 4 3 555 时基电路 8 4 4 电子开关驱动电路 10 4 5 IC CD4017 10 4 5 1 IC CD4017 信号处理电路 10 4 5 2 CD4017 工作原理及应用电路 11 4 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 1 设计思路与方框设计思路与方框 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 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 21 2 方案设计方案设计 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 V T1 V T2 双稳 态触发器 单稳 态触发器 图 1 2 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 ICCD4017 2 2 系统组成与工作原理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 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 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 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 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 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MCRl00 8 2N6565型等小型塑封单向管 VD1 41N4004 1N4007型等硅整流二极管 VD5用12V 1 2W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IN4001 IN4007型等硅整流二极管 VD2选用IN4148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 R1 R4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400 600V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15mm 15mm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 名称 型号 数量 1电阻器1K1 个 2电阻器20K1 个 3电阻器50K1 个 4电阻器910K1 个 5电阻器2 2M1 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 8V1 个 11集成芯片NE555N1个 12JK 触发器74LS1121 个 13信号处理器CD40171 个 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 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 4 单元电路设计单元电路设计 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 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 V6 V1 V6IN4007 6 V6 9013 R5 30K R6 1K VT 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 CD4017 4 5 1 IC CD4017 信号处理电路 电路图如图4 5所示 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 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 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 O0 O9 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 O1 O9 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 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 5 稳压电源稳压电源 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 6 产品安装调试产品安装调试及故障分析及故障分析 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 8V 6V 4 摸铁片 灯泡得电发光 因为所调定发亮时间为 T R4 C2 910K 100 100S 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 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 7 总结总结 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