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触摸开关毕业设计

触摸开关的设计

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。

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、JK触发器电路和继电器控制电路为核心设计触摸开关。

需要开关灯时，手指触摸开关感应区，电灯自动点亮，输出一毫秒脉冲，触发器翻转，电灯自动亮和灭.该操作简单，使用节能,又没有声控开关有声音就亮的弊端。

本设计中电路部分主要由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，无污染，安全可靠。

关键词：

触摸；脉冲；感应

ABSTRACT

Thedevelopmentofmarketeconomy,peopletoswitchthedemandishigherandhigher,thetypesandthereforelessswitchiscomplete.Sonicswitch，mechanicalswitch,opticalswitchetc.Producthasgraduallytakenintolife.

Touchswitchisanewtypeofelectronicenergysavingswitch，canbewidelyusedinmulti—storeyresidentialandofficecorridorsoutside,vestibular,stair,elevator,corridorinpublicplaces，alsocanbeinhomeinstallation.Thisdesignusinganaloganddigitalcircuit，inordertodirectcurrentvoltage-stabilizedsourcecircuit,NE555singlestatecircuit,JKflip-flopcircuitdelaytouchswitchandrelaycontrolcircuitisdesigned。

Needtobeopentoturnoffthelights，fingertouchswitchinductionarea，thelightautomaticlightup，amillisecondpulseoutput，thetrigger,thelightsonandoffautomatically.Theoperationissimple，theuseofenergysaving，andnovoicecontrolswitchthedisadvantagesofavoicetoshine。

MainlybyNE555timer，dcvoltageregulatorcircuitandrelaycontrolcircuit.Hasthefollowingfunctions：

managingelectricenergy，nopollution，safeandreliable。

Keywords：

touch;pulse;induction

引言

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.

触摸开关是一种节能的开关控制器。

轻触开关比较适合楼梯走廊和室内等处的灯光照明控制开关，轻触开关只需轻触以下开关就可控制灯的关和开，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；触摸开关现在也比较普遍，而且使灯光的控制更加方便,触摸开关的发展方向主要是向智能化方向发展.

1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，我特意选择了触摸开关作为我的课程设计课题。

触摸开关由电源电路,单稳态触发器电路，JK触发器电路和继电器驱动电路组成.首先人触摸金属片,接着产生一个干扰脉冲信号，输入555芯片构成的单稳态触发器处理，然后由74LS112翻转，是否输出高电平导通三极管，使灯泡或其他设备工作。

1。

2方案设计

方案设计

图1-2方案图

此方案设计是首先触摸信号输入，给单稳态触发器,就得到1ms脉冲输出，然后得到一个下降沿脉冲给JK触发器,触发器翻转，生成高电平,驱动三极管VT，接着继电器线圈通电，常开触点闭合，照明灯亮。

再摸一次，单稳态触发器又得到1ms脉冲输出，并且把得到的的下降沿脉冲给JK触发器，触发器再次翻转,原来的高电平变成低电平，三极管截止，继电器线圈失电，常开触点断开，灯灭.

单稳态触发器、JK触发器、三极管和继电器都要接控制电源.

2系统组成与工作原理

2。

1系统组成的总原理图

图2-1原理图

2。

2系统的工作原理

每触摸一下金属片M,获得一个尖峰脉冲，就得到一个下降沿，经过JK触发器的翻转,得到一个高电平，三极管导通，线圈得电，开关闭合，灯亮。

再摸一下金属片M,获得一个尖峰脉冲，又得到一个下降沿,经过JK触发器的翻转,原来的高电平变成低电平，三极管截止,线圈失电,开关断开，灯灭。

220V交流电经过C1电容分压,然后经过D1、D2、D3、D4构成的全波整流电路，输出约12的电压，加在滤波电容C2上，进行滤波，经过R1到9V稳压二极管，把大于9V的电压稳定在9V，再经过C3滤除高频率杂波，然后进入三端稳压管W7805,输出稳定的正5V电压,再经C4进一步滤除杂波，给555芯片构成的单稳态触发器和74LS112JK触发器提供稳定的电源.这就是电源模块电路，当这个电路没有故障时，经R2限流分压，电流流过发光二极管D6，此时D6点亮;若该电路出现故障，作为电源指示灯的发光二极管不亮，表明没有电压输出。

人体是带静电的，当人体触碰金属片M,C5电容值受到干扰，干扰瞬间有个低电平脉冲，使由555芯片构成的单稳态触发器翻转输出高电平，此时触发器进入暂态，然后使555芯片内部的三极管导通，使与芯片第7脚相连的电容C6开始放电，使该脚电位拉低，第六脚电位也随之被拉低，芯片里的三极管突然截止，然后电流通过R6开始向C6充电，充电的时间约等于1。

1倍R6乘以C6,在这里充电时间约为1毫秒，C6充满电时第6脚电位升高，单稳态触发器输出翻转，这个时候得到一个下降沿脉冲，这个脉冲进过限流电阻R4传到74LS112的一个JK触发器，2CP时钟信号端，由于该触发器第11脚2J和第12脚K端接高电平,该触发器为T’'触发器，它只具有翻转功能。

为了提高稳定性，第10脚2SD和第15脚2RD接高电平强制置1，使T’触发器具有可靠的翻转功能。

当2CP时钟信号端,得到一个下降沿信号，JK触发器2Q输出端信号翻转，由R5限流降压后输入到三极管导通或截止，图中的K1继电器的线圈得电或者失电。

当线圈得电，常开触点闭合；当线圈失电,常开触点断开,从而使接在220V的交流电灯泡发光或者熄灭。

3元件选择

（1）Q1选用9013型等硅NPN小功率三极管,要求β≥150。

（2）整流桥D1、D2、D3、D4选用IN4007型等硅整流二极管。

（3）D5最好选用9V、1W稳压二极管。

（4）R1用金属电阻500欧；R2—R4为1000欧碳膜电阻,R5为500欧碳膜电阻。

（5）C5为触摸时安全隔离电容，以确保使用者的安全.C1为分压电容。

C2、C6为电解电容,耐压值均为16V；电容值均为220微法；C3、C4为104瓷片电容，C7为103瓷片电容。

C1用耐压400～600V的聚丙烯电容器,如CBB—400V、CBB—600V型等；

（6）M可用面积为15mm×15mm左右的镀锡铁皮。

元器件清单如下表所示：

表3—1元器件清单

序号

名称

型号

数量

1

电阻

1k

6个

2

瓷片电容

104

2个

3

电解电容

16V220uF

2个

4

聚丙烯电容

CBB—-600V

1个

5

整流二极管

IN4007

4个

6

稳压二极管

9V

1个

7

三极管

NPN型9013

1个

8

继电器

5V

1个

9

集成芯片

NE555N

1个

10

JK触发器

74LS112

1个

11

照明灯

220V

1个

4单元电路设计

4。

1电源电路

此电源电路由整流二极管、分压电容、电解电容、稳压二极管、三端稳压器、瓷片电容、电阻等组成，主要作用是给555芯片构成的单稳态触发器、74LS112JK触发器、继电器提供稳定的电源。

图4—1电源电路

4.1.1整流电路

整流二极管；它是一种具有单向传导电流的电子器件。

在半导体二极管内部有一个PN结两个引线端子，这种电子器件按照外加电压的方向，具备单向电流的转导性。

一般来讲，二极管是一个由p型半导体和n型半导体烧结形成的p-n结界面。

在其界面的两侧形成空间电荷层，构成自建电场。

当外加电压等于零时，由于p-n结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态，这就是常态下的二极管特性。

　外加正向电压时，在正向特性的起始部分，正向电压很小，不足以克服PN结内电场的阻挡作用，正向电流几乎为零，这一段称为死区。

这个不能使二极管导通的正向电压称为死区电压.当正向电压大于死区电压以后，PN结内电场被克服，二极管导通，电流随电压增大而迅速上升。

在正常使用的电流范围内，导通时二极管的端电压几乎维持不变，这个电压称为二极管的正向电压.

　　反向性

　　外加反向电压不超过一定范围时，通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成反向电流,由于反向电流很小，二极管处于截止状态。

这个反向电流又称为反向饱和电流或漏电流，二极管的反向饱和电流受温度影响很大。

　　击穿

　　外加反向电压超过某一数值时,反向电流会突然增大,这种现象称为电击穿。

引起电击穿的临界电压称为二极管反向击穿电压。

电击穿时二极管失去单向导电性.如果二极管没有因电击穿而引起过热，则单向导电性不一定会被永久破坏，在撤除外加电压后，其性能仍可恢复，否则二极管就损坏了。

因而使用时应避免二极管外加的反向电压过高。

　　二极管是一种具有单向导电的二端器件,有电子二极管和晶体二极管之分，电子二极管现已很少见到，比较常见和常用的多是晶体二极管.二极管的单向导电特性，几乎在所有的电子电路中,都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。

总而言之,整流二极管具有单向导电性，反向击穿电压高,工作过程中不被击穿,正向压降低，适用于整流电路。

本设计电路中采用四个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D1、D3导通，D2、D4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，D1、D3截止，D2、D4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。

图4-1。

1整流电路

整流之后得到电压电流如下波形:

图4—1。

2整流后的电压电流波形图

4。

1.2滤波电路

利用储能元件电容器C两端的电压不能突变的性质，把电容C与整流电路的负载R并联或串联，就可以将整流电路输出中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电。

图4—1。

2滤波电路

4。

1。

3稳压电路

稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管,其V—A特性曲线与普通二极管相似，但反向击穿曲线比较陡。

稳压二极管工作于反向击穿区，由于它在电路中与适当电阴配合后能起到稳定电压的作用，故称为稳压管.稳压管反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小。

当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然增大,稳压管从而反向击穿,电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压的变化却相当小，利用这一特性，因此稳压管在电路到起到了稳压的作用.

稳压管与其普通二极管不同之处在于反向击穿是可逆性的。

当去掉反向电压稳压管又恢复正常，但如果反向电流超过允许范围，二极管将会发热击穿，所以，与其配合的电阻往往起到限流的作用。

三端稳压器是一种集成稳压电路,具有体积小,重量轻，安装调试方便,可靠性高等优点,由采样电路、基准电压、比较放大器、调整管部分组成,而且还含有过流保护、过热保护等附加保护电路.它有输入、输出、公共（地）三个引出端

下面这个图具体是这样实现功能的：

由R1来的9V电压经过稳压二极管，把大于9V的电压稳定在9V，再经过C3滤除高频率杂波,然后进入三端稳压管W7805,输出稳定的正5V电压,再经C4进一步滤除杂波，给555芯片构成的单稳态触发器和74LS112JK触发器提供稳定的电源。

图4-1.3稳压电路图

当电网电压或负载电流发生变化时，滤波电路输出的直流电压的幅值也将变化。

因此，稳压电路的作用是将使整流滤波后的直流电压基本上不随交流电网电压或负载的变化而变化.

4。

2指示灯

电源电路输出5V电压，加在电源指示灯电路上，经过电阻R2分压限流后,流经发光二极管D6，指示灯亮，表明电源电路正常。

灯应该叫发光二极管LED，并指出颜色

图4—2指示灯电路

4.3单稳态触发器电路

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,R6、C6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—块触发器，形成一个单稳态电路。

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.M是触摸电极片,手指摸一下M，人体泄漏的交流电在c5上的压降，3脚输出一个脉冲，进入JK触发器。

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R6向c6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，3脚就输出一个固定宽度的正脉冲。

图4.3555芯片电路

4。

474LS112触发器电路

74LS112电路从单稳态触发器获得下降沿脉冲信号，就翻转一次，变成高电平，三极Q1导通,灯H亮，再获得一次下降沿脉冲信号，又翻转一次,变成低电平三极管Q1截止，灯H灭。

应该强调JK触发器的接法属于T一撇触发器，他的逻辑功能表

74LS112双J—K触发器的逻辑符号和J—K触发器引脚功能分别如图4—4。

1，图4—4.2所示：

图4—4。

1双J—K触发器逻辑符号图4—4。

2J—K触发器引脚功能

图4—4.374LS112电路图

4。

5继电器驱动电路

该电路为触摸开关的驱动电路由一个电阻R5及一个三极管和一个继电器组成。

当74LS112翻转输出高电平能驱动三极管导通以驱动继电器线圈得电，常开触点吸合，这样就可以使灯泡或其他电器设备正常工作了。

图4-5继电器驱动电路图

（1）电磁继电器的工作原理和特性

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。

只要在线圈两端加上一定的电压,线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合.当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合.这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的.

（2）三极管特性

三极管工作在饱和导通状态（发射结和集电结都是正偏置）时，其c-e极间电压很小，比PN结的导通电压还要低（硅管在0.5V以下）,c-e极间相当于“短路”，即呈“开”的状态。

三极管在截止状态（发射结、集电结都是反偏置）时，其c-e极间的电流极小（硅管基本上量不到）,相当于“断开（‘关’）”的状态。

5PCB板电路制作

在已经完成的原理图里，进行ERC电器规则检查，然后从PCB封装库里找出所用原件的封装名称，填写在每个元件属性的Footprint选项里，如果没有具体封装，可以自己新建一个PCB元件进行编辑。

新建PCB原理图后，在Design里，导入Netlist网络表，在保证所有封装正确的情况下，生成如图PCB初始图。

第二步是对元件的布局进行调整，可以利用软件本身自带的自动布局进行排布,也可以手动进行排版.

第三步是布局完成后,接下来是对元件的连线，连线前可对PCB板层进行设置，在界面中右击“规则"选项,单击RoutingLayers项，选择单层布线、双层布线或者更多，Protel中最多可设置为32层布线，在这个设计中，禁止了顶层布线，只留出了底层供布线使用。

最后对已布局好的元件布线，得到图如下：

图5。

1PCB图

做完PCB图之后，利用软件生成PCB背面组线图，图如下:

图5.2PCB背面组线图

用软件生成的3D图如下：

图5.3PCB正面图

用软件生成打印图，然后将这个图打印在纸上，把它剪成合适的尺寸，然后裁出一块相应大小的电路板，把打印好的图纸放到电路板上，对齐,压好,用电熨斗打印纸上的图案转印到覆铜板上，待冷却后把图纸轻轻撕开,这时候转印纸上的图案完全转移到了覆铜板上。

此时图上的图案也如下图所示。

把这块覆铜板已备好的腐蚀液里腐蚀,这时候就能腐蚀成一块电路板,但是这块电路板还没有打孔,需要拿去打孔工作。

打孔的时候要用钻孔机来钻孔，钻孔的大小应该容得下元件引脚。

此时,电路板生成。

图5.4转印图

6仿真测试

6。

1系统电路仿真

触摸延时开关电路的仿真测试，是基于Multisim环境下进行仿真（元件选取如附录所示），对系统做软件仿真可以进一步加深对系统功能的认识.以下主要对系统电路，以及输入信号、变压、整流、滤波、稳压电路仿真.

各功能电路仿真测试，图5—2.1为输入信号仿真波形，输入信号为完整的正弦波.经过变压、整流、滤波、稳压后,波形依次如图6—1。

1、6-1.2、6-1.3、6-1.4、6-1.5所示

图6—1.1输入电压仿真波形

图6—1。

2变压电路仿真波形

图6—1。

3整流电路仿真波形

图6-1。

4滤波电路仿真波形

图6-1。

5稳压电路仿真波形

7产品制作安装与调试

7。

1产品制作设计

7。

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。

7。

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.

7.2元器件检测

（1）三极管的判别方法：

①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；②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）稳压二极管的检测方法：

稳压二极管的外形与普通小功率整流二极管的外形基本相似。

当其壳体上的型号标记清楚时，可根据型号加以鉴别。

当其型号标志脱落时,可使用万用表电阻挡很准确地将稳压二极管与普通整流二极管区分开来。

具体方法是：

首先利用万用表R×1K挡，按前述方法把被测管的正、负电极判断出来。

然后将万用表拨至R×10K挡上，黑表笔接被测管的负极，红表笔接被测管的正极，若此时测得的反向电阻值比用R×1K挡测量的反向电阻小很多，说明被测管为稳压管;反之,如果测得的反向电阻值仍很大，说明该管为整流