电子技术单间触摸开关

1、课程设计(论文) 题 目 名 称 单键触摸开关 课 程 名 称 电子技术课程设计 学 生 姓 名 学 号 系 、专 业 指 导 教 师 2011 年 12 月 18 日 邵阳学院课程设计（论文）评阅表 学生姓名 学 号 系 电气工程系 专业班级 电气工程及 题目名称 单键触摸开关的设计 课程名称 电子技术课程设计 一、学生自我总结 通过此次的课程设计，我学会了很多，特别是独立思考能力和动手实践能力。这次的课程设 计对之前所学习的数字电子、模拟电子技术知识都能起到一定的巩固作用，同时也让我学会了用 protues绘画硬件图，并进行仿真和调试。但是同时在此次的课程设计中也发现了自己很多的不足， 特

2、别是硬件设计方面，不知道如何去设计硬件以及外部接线图。不过我会在以后的学习中好好努 力，把自己没学好的方面学好，弥补之前的不足之处。 学生签名： 年 月 日 二、指导教师评定 评分项目平时成绩论文答辩综合成绩 权 重304030 单项成绩 指导教师评语： 指导教师（签名）： 年 月 日 注：1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后 面； 2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。 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

3、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

4、，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 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 系统工作原理.2 2.1 系统总原理图.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 .4 2.2.3 无稳态电路 .5 第三章 单元模块电路设计.7 3.1 整流电路.7 3

5、.2 指示灯.7 3.3 触发电路.7 3.4 触摸信号输入电路.7 第四章 安装与调试.9 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 1.11.1 设计思路设计思路 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

6、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 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 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 第二章 系统工作原理 2.1 系统总原理图 R4 100K R7 1M R1 1M R2 270K R3 100K M座座座 RG R CL EN Q1 Q9 VDD VSS I

7、C 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

8、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、

9、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

10、 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

11、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。 2.2.1 单稳态电路 图 2-3 图 2-3 是典

12、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。 2.2.22.2.2 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

13、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。

14、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。 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，VD

15、2、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“” 、为“”

16、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 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 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

17、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

18、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： 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

19、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。

20、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

21、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，

22、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。 但是基于所学知识、能力和水平所限，在本次触摸开关

23、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，离不开是指导老师刘祥明老师的帮助、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

24、大的帮助和指导。从 开始选题到中期的研究设计纠正，再到最终论文的完成，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

25、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，最后由衷感谢刘祥明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

26、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（上下册）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=66.35V,Pzm=500mW, 05Z7.5Y 硅稳压二极管 Vz=7.347.70V,Pzm=500mW, 05Z13X 硅稳压二极管 Vz=12.413.1V,Pzm=500mW, 05Z15Y 硅稳压二极管 Vz=14.415.15V,Pzm=500mW, 05Z18Y 硅稳压二极管 Vz=