触摸开关

目录 一、 目录········································································1 二、 摘要········································································2 三、 引言········································································3 四、 设计任务书····························································4 五、 设计的····················································5 六、 电子设计及相关参数的确定································8 七、 设计方案的确定····················································9 八、 工作原理分析······················································10 九、 心得体会······························································24 一十、 参考文献······························································25 摘要 本课题核心微处理器主要采用MSP430F2274单片机，外围电路主要包括：温度采集模块、湿度采集模块、触摸式按键模块及液晶显示控制模块。湿度模块和温度模块将环境湿度与温度转换成模拟信号，CPU通过A/D将模拟信号转换为数字信号，读出湿度与温度值：CPU再通过液晶驱动器HT1621将湿度与温度值在液晶中显示。人机接口设立四个触摸按键分别为：调时、加、减、设置；触摸式按键主要采用电容式传感器；CPU通过测量电容式传感器充放电时间读出键值，CPU再对相应的键值做出响应。 引言 20世纪60年代以来.人们由技术领域总结来的现代设计方法对电子设计工作起到了极大的推动作用。现代设计是过去长期的传统设计活动的延伸和发展，是随着设计实践经验的积累，由个别到一般、具体到抽象、感性到理性，逐步归纳、演绎、综合而发展起来的。由于科技进步的速度日益增快，特别是计算机的高速发展，人们在掌握事物的客观规律和人的思维规律的同时，运用相关的科学技术原理，进行过去长期以来难以想象的综合集成设计计算，使包括电子产品设计在内的设计工作产生了质的飞跃。 电子开关电路的类型很多种，它可以采用光控、声控、触摸控制等等。电子开关电路较一般手动开关有很多优点，一方而它可以直接避开与应用电路(尤其是高压电路)，使用安全、可靠；另一方而，电子开关电路在很多用电器中起到了节约用电的作用，这也是新世纪电子产品的发展趋向。于是，这次对电子开关电路作简单的介绍。 陕西国防工业职业技术学院电子工程系 毕 业 设 计 任 务 书 专业: 应用电子技术  班级:  电子3102 班      学生签名:          一、 设计题目 触摸开关电路 二、 设计要求和技术参数 触摸开关电路应用十分广泛，要求设计2个完成以下功能的触摸开关电路电路： （1）、短时用照明灯：要求当人手触摸金属片后，照明灯可持续发光2分钟，两分钟后自动熄灭；如果在两分钟内，人手再次触摸金属片，则照明灯熄灭。 （2）、电子门铃：要求当触摸按钮后，铃声持续响8秒。8秒内再次触摸，铃声停止。 （3）、根据所查阅资料，结合自己的研究，自己设计一个可以完成特定功能的触摸开关电路（选做） 三、 设计应完成的技术资料 1．方案论证。 2. 原理框图，电路原理图。 3．电路工作原理说明。 4．写出本次设计的心得体会。 四、 设计考核的主要知识与技能 本课题是数字技术、模拟技术与传感器技术混合的综合性课题，主要考核数字电路、模拟电路等电子专业课程的基本知识掌握和综合应用能力。 六、设计时间: 2012 年  月  日 至 2012 年  月  日 七、指导教师签名:        联系方式：      触摸开关方案设计 原理介绍：     触摸开关的原理是：当手指接触或接近到触摸开关的感应部位时触摸开关将会根据手指接触的不同距离输出幅值不同的电压信号，根据触摸开关输出的不同电压信号来控制其他电路的工作状态.     在处理触摸开关信号时我们可以使用三极管运算放大电路或是用单片机来比较触摸开关输出的电压信号，从而可以达到非接触即可控制电路的功能。 应用介绍：   触摸开关在单片机上的应用通常是对触摸开关输出的电压信号进行AD转换比较正常状态和接触时触摸开关输出的电压信号的数字值来判断开关的闭合。 单片机要对触摸开关的按下和松开判断应知道在触摸开关没有按下的情况下触摸开关输出的电压值和接触时输出的电压值，如果在触摸开关松开状态时输出的电压值也会不停变化时，那么我们就应该每隔一段时间对松开状态的电压进行AD转换并求平均值作为判断触摸开关有无按下的基准值，那么我们应该在那个时刻对按键松开时输出的电压进行采样才是准确值。 触摸开关的按下电压波形如图所示：   从图可以看出我们不能在接触到触摸开关的时候去采样，这样就会使采样数据错误，因此在接触前采样是最理想的方法。那么怎样实现这种方法哪我们从图上可以看到当接触触摸开关时输出的电压会有一个下降的幅度，我们在采样前先判断一下触摸开关输出的电压和前一次采样的输出电压是否下降，是就可以证明是按下或是干扰信号我们就不采样当前值，这样我们就可以把多次的采样值求平均值就可以求的触摸开关松开状态时输出的电压基准值。 因此我们要判断是否按下状态时只要判断当前的采样值和基准值之差的大小就可以判断是否有无按下。 触摸开关软件流程: 注意事项:     软件中的延时时间是为了在稳定的按下或断开状态下对触摸开关进行采样，从而避开大部分的干扰信号，延时时间过长或过短都会影响到触摸开关的灵敏度。软件中的设定值是用来调整触摸开关的灵敏度，当需要触摸开关有很高的灵敏度时只需将设定值调小即可，反之则调大。 在判断触摸开关输出电压是否下降时，应使当前采样的时间和上一次采样的时间差大一点会比较好，这样可以有效的跨过触摸开关按下时的电压下降阶段，从而可以更加准确的计算出触摸开关的基准值。     在求触摸开关基准值的平均滤波算法中，窗口滤波算法能很方便平滑的计算出当前触摸开关的基准值。   电路由输入缓冲器、锁相环、控制逻辑、亮度记忆、相角指针、数字比较器和输出驱动器组成。 其系统框图见图: 触摸开关电路： 触摸式开关电路的基本原理是：利用人体的导电性质，通过金属片把人体感应电压输入电子电路中，再经过放大元件放大，而作用于电路。 常见的放大元件有：集成运放、三极管、场效应管等。 常见的电路如下: M为金属片，(a)图中放大元件为集成运放，属于反相放大器.当用手指接触M时，电流从金属片流向人体，反相放大器负输入端输入负电压，经过放大输出U。其放大系数为：B=R2/R1。 (b)图中放大器元件为两个复合三极管，三极管通过复合可有效提高放大电流。当用手触摸M时，人体感应电动势从M输入，VT的基极得到触发电流，三极管导通，通过放大输出U。   值得注意的是，必须让手指直接触摸金属片才能使电路工作。放大电路可放大倍数越大，电路灵敏度就越高。     触摸式开关被广泛应用到各科关并场合中，如：常见的电灯。它有着无机械噪音、无机械磨损的优点。     触摸式电子开关是新型电子器件中常见重要的组成部分。它有方便快捷、使用简单、低电控制、电路简单、稳定性好等特点。可用作：门灯或楼道内照明控制。电路可以由：分立元件或者集成电路组成.，现在以分立元件组成的触摸式延时照明灯控制电路为例作介绍。 工作原理:     电路图如上图所示，由电源电路和控制电路组成，电源电路由：整流二极管、电阻、发光二极管VL、稳压二极管VS等组成；控制电路由：电极A、电阻R5、晶体管V1、 V2和单向晶闸管VT等组成。 接通电源后，交流220V电压经VD1-VD4整流、R3限流及VS稳压后，产生+12V电压，供给控制电路。此时，晶体管V1、 V2和单向晶闸管VT均处于截止状态，流过照明灯的电流只有2mA左右，不足以使灯变亮。当用手触摸电极A后，人体感应信号使V2导通，V2集电极电压降低，使V1也导通，其集电极输出触发高电平，使单向晶闸管VT导通，照明灯点亮。在V2导通瞬间，电容器C1通过V2集电极与发射极充电至+12V左右的电压。因此，当手离开金属片A后，V2虽然截止，但C2放电使V1维持导通，所以照明灯继续发光，当C1放电结束后，V1截止，使晶闸管VT也截止，照明灯熄灭。 调试与安装: 发光代极管串联在+12V的电源电路中，安装在金属片A的位置，可以作为夜间指示灯。另外，R1、 R2和C1的数值决定着照明灯的延迟时间，可以通过改变R1的阻值来改变延迟时间。 延时开关电路： 延时电路被广泛应用于延时电灯、洗衣、，微波炉等电器中，使电器的使用更加方便。精确度高的电路被用于秒级控制的电器中。 常用的简单延时电路的基本原理是利用电容的充电放电功能来实现延时功能，并与各类电子元件相互组合实现不同的延时控制。延时电路可实现延时开启和延时关闭等控制。 电容与其它电子元件的组合使用有如下几种： 1. 电容与放大电路，其电路图如下：     图(a)与(b)在有电压U输入时，三极管基极有电流通过，电路导通，同时电容C被快速充电。U停止输入后，电容放电使三极管继续保持导通，延时开始，直到电容放电为完毕，三极管截止，延时结束。图(b)中加入了电磁继电器，当三极管导通时，电磁继电器吸合，可实现低压控制高压的延时。 2.电容与晶闸管，电路简图如下： 当有U输入时，晶闸管V导通，同时C正向充电，当没有U输入后，电容放电使晶闸管VS保持导通，使工作电路运作。当C放电完毕，VS因没有触发电流而截上，延时结束。延时时间由C的电容量和R的大小决定. 2. 电容与光电藕合电器，电路简图如下: 当有电压U输入时，电容C充电，左端电路通过光电藕合器，使工作电路启动，并实现延时控制.光电耦合器和电磁继电器一样可实现隔离控制。     4.电容与单结晶体管，电路简图如下:   当开关S闭合后，电容C缓慢充电，过一段时间后，C上极的电势高于VT的峰值电压，单结晶体管突然导通，发出一个正脉冲，使晶闸管V突然导通，工作电路开始工作。此电路可实现延时启动的功能。 光控开关电路: 使用光控电路可实现用电筒等光源来控制电灯的开启与关闭。并能实现电路的自动动作。如：常见的路灯控制电路就是此类电路。 光控电路的其中原理是应用光敏元件来实现光线对其影响。 常见的光敏元件有：光敏二极管、光敏三极管和光敏电阻等。 常见的一些控制电路简图如下: 图(a)中所使用的感光器件为光敏三极管，当光敏三极管受光照射时，VT2导通，使VT1导通，电磁继电器吸合，工作电路接通，实现光控开启。     图(b)中由光敏电阻与晶闸管V构成控制电路，当白天自然光线较强时，光敏电阻呈低电阻，与R1分压后使晶闸管VS门电极外于低电平，V关断。当光线较暗时，R2呈高阻，使V门电极处于高电平，V获得正向触发电压而导通，灯L亮。     光控电子开关可采用功率开关集成电路制作，光控电子开关也可采用555时基集成电路制作，可以用手电筒的照明光进行控制。该光控开关可广泛应用到照明灯及各类家用电器的电源开关中。       光控电子开关，它的“开”和“关”是靠可控硅的导通和阻断来实现的，而可控硅的导通和阻断又是受自然光的亮度的强弱所控制的。该装置适合作为街道、宿舍走廊或其它公共场所照明灯，可以起到日熄夜亮的控制作用，以节约用电。 工作原理:       电路如上图所示，220V交流电通过灯泡H及整流全桥后，变成直流脉冲电压，作为正向偏压，加在可控硅VS及R支路上。白天，亮度强于一定程度时，光敏二极管D呈现低阻状态<=1k，使三极管V截止，其发射极无电流输出，单向可控硅VS因无触发电流而阻断。此时流过灯泡H的电流<=2.2mA。灯泡H不能发光。电阻R1和稳压二极管DW使三极管V偏压不超过6.8V，对三极管起保护作用。夜晚，亮度弱于一定程度时，光敏二极管D呈现高阻状态>=100K,使三极管V正向导通，发射极约有0. 8v的电压，使可控硅VS触发导通灯泡H发光。RP是清晨或傍晚实现开关转换的亮度选择元件。 安装与调试：     安装时将装焊接好的印制电路板放入透明塑料盒并固定好将它与受控电灯H串联，并让它正对着天幕或房子采光窗前较明亮的空间，避免3米以内夜间灯光的直接照射。调试宜傍晚时进行，调节 RP阻值的大小，使受控电灯H在适当的亮度下始点亮。     当然，运用这个电路可以作为很多家用电器的控制电路，方便、适用。比如利用这个电路设计一款光控自动窗帘，利用环境光线的照射来实现窗帘的自动开合(窗帘在清晨能自动拉开，在傍晚能自动关闭)。 声控开关电路：   使用声控电路可实现电路的智能化控制，实现无接触式开启、关闭。被广泛运用于各种智能化控制电路中。如：智能化控制的照明系统。只要拍拍手就可以让电路自动开启，有着无比的方便性。 声控电路的基本原理是利用话筒来接收外界声音，把声音信号转化成电信号，在经过放大处理作用于电路的工作。 一些简易的电路控制图如下: 图(a) 、(b)中B为话筒，图(a)工作原理：当B接受到声音信号时，B将声音信号变成电信号，并经过电容C耦合触发晶闸管，使其导通，工作电路导通。晶闸管导通后，保持导通状态。     图(b)为声音信号的放大电路，当B接受到声音信号时，B将声音信号变成电信号，并经三极管VT1、VT2两级放大，再经过耦合电容C3把信号输入到下一级电路。经过放大器件将声音信号放大可增强声控电路的灵敏度。 声控电路包括：电源、谐振放大部分及触发器。电源部分通过电容降压、整流及稳压提供声控电路所需的直流电压，谐振放大部分包括多极三极管放大，话筒接在第一级放大三极管的基极上并由电容耦合，一个由电感和电容构成的振荡电路接在末级放大三极管的基极上，放大后的信号影响触发器的翻转，并最终控制可控硅的控制极的电位。 工作原理： 电路图如上图所示，220V交流电通过灯泡H及整流全桥后，变成直流脉动电压，作为正向偏压，加在可控硅VS及R支路上。声控电路由传感器BM，晶体管V和IC内电路（与非门）组成。当有脚步声或拍手声时，则该声音信号经过传感器BM转换为电信号后，再经过电容C2加至V的基极，使V瞬间截止，V的集电极突变为高电平，使可控硅VS触发导通，灯泡H发光。 安装与调试： 声控电路在安装的时候需要考虑一个重要的技术指标，那就是噪声，为了避免噪声对电路的影响，除了选择合适的声音传感器外，还需要在声控电路中加入消除噪声电路，本文不做详细讲解。声控电路也可以用于很多日常生活的电路中去，而且方便，安装简单。 通过对上述常用的功能电路的简单分析，我决定利用功能组合的方法设计一个简单的电灯控制电路。 工作原理说明： 电路的基本工作原理为：人体带电与市电同频，当人体接触触摸片时，经输入缓冲级的削波、放大、整形，成为的MOS电平。触摸持续时间大于3 2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度-159度之间连续周期变化，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3 2毫秒、小于332毫秒的触摸，电路呈关闭状态时，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。同时，电路还具有遥控(即远端触发)功能和渐暗（即由亮至暗，最后关闭）功能，其延续时间由外电路设置。 管脚排列及功能说明： 管脚1一Vss一5 V脉冲触发。 管脚2一Doze一渐暗功能。导通角最大（1 5 9度）时，施于83士3个脉冲，导通角从159度连续变至40度，最后截止（不输出触发脉冲）. 管脚3一Cap一锁相环。外接滤波电容（0 .47uF）。 管脚4一Syn一同步信号（市电频率）输入端。 管脚5一Sen 2一触摸片。人体触摸点，低电平触发。 管脚6一Sala一遥控点。高电平触发。 管脚7一VDD一0 V。 管脚8一Out一输出触发脉冲。 主要技术指标： 电源电压：5V；电源电流：1.5一2 .5mA；输出脉宽：4 0 m s；输出驱动电流：>=2 .5mA；输出触发脉冲导通角：4 1度~1 5 9度；输出触发脉冲幅度：Vss一3V；调光周期（从最亮到最亮）：4 .2 s；渐暗脉冲：8 3士3。   触摸开关电路如图所示，图中虚线右部为普通电源布线，左部为触摸式灯开关线路。开关主回路由VD1一VD4和VS组成，集成块A等组成开关的控制回路。R51VD5和C3组成简单的电阻降压稳压线路，输出12V左右的直流电供控制回路等用电。LED为弱光指示，用于夜间指示触摸开关的位置，方便使用。如不需要弱光指示，用导线将LED的正负引脚焊点短接即可。集成电路A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，双稳态路用来驱动晶闸管VS的开通或关闭。M是触摸极片，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，使单稳电路翻转进入暂态，其输出端Q即1脚山原来的低电平跳变为高电平，此高电平经R3、向C1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。此正脉冲将直接到11脚即双稳态电路的CP端，使双稳态电路翻转一次，其抽出端Q即13脚电平就改次。当13脚为高电平时，VS的门极通过R4获得正向触发向触发电流而开通，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。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CD4013型双D触发器数字集成电路，它采用14脚双列直插式塑封包装；VS采用MCR100---8 2N6565型等小型塑封单向晶闸管；VD1-4用1N4004-1N4007型等硅整流二极管，VD5用12V，1/2W稳压极管，如2CW60型等。LED可用红色发光二极管。 单键触模式灯开关电路图： R5最好采用划-1W型金属膜电阻器，其余电阻均用RTX-1/8W型碳膜电阻器。C1、C2可用CT4型独石电容器，C3用CD11-16V型电解电容器。开关壳体采用86系列开关面板制作，为确保使用者绝对安全，可在触模电极片与电阻R1之间再串接一只2M阻电阻，此开关接入照明线路，接法与普通开关样，按图所示即相线进开关，如将相零线位置接反，电路不能正常工作。电路装好后不用调试，通电后就能正常工作。摸一下M，灯亮；再摸一下，灯灭。 介绍一种用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。电路原理如附图所示，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。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，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...偶数抽出端悬空；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。 元件选择：C2和VT的耐压应大于400V； VT的规格可根据负载的功率而定；HD的启辉电压应低于100V；V8可用9013；β>=60即可；RG的亮度应不低于20K，暗度应大于2MΩ；其余元件可按图示数据选用。 该开关只要元器件良好、焊接正确无误，无需调试即可正常工作。整个电路可装在一只100mm X 70mm X 50mm的塑料盒中，并将其固定在室内墙壁的适当位置处，触摸电极可采用10mm X 10mm。的铜片或印制板的边角料制作。 心得体会：     通过对本次设计的学习，激发了我们的积极性和主动性，培养了我们的创新意识和综合素质。这门课程的开设，推动了高校的教学改革，尤其是实践教学改革和实验室建设。目前学生实验课还存在一些问题，比如：验证性实验多，而自主设计的实验少，单科实验多而综合性实验少。为了使教育思想改革更好地贯彻到教学体系和教学内容的改革中去，加强人才培养的针对性、应用性和实践性，开设此类课程显得非常有用。同时，通过对各种电子仪器仪表的使用，并了解电子产品设计与制作的工艺和流程，提高个人基本能力、实验及设计能力和独立工作能力，基本知识更加牢固，会看图，会画PCB板，会焊接安装，会测量，会查资料，会写文档，为以后走向工作岗位打下了坚实的基础。     电子设计与制作要求我们有牢固的基础理论知识。对于模拟电路而言要掌握基本的半导体知识及各种基本放人器的工作机理和应用，比如：运算放大器、比较器、各种振荡器、电源等；对于数字电路则要切实巩固各种组合逻辑电路和时序逻辑电路的应用与基本的设计思想等。这也是将基础理论知识运用到实际中的重要一步。而对于我们所学的电子专业来说，电路设计也许就是我们以后的工作，因此，认真学好这门课程，将对以后的工作起到很重要的作用。 参考文献 [1] 曾广鑫.仪表技术[D].上海：上海交通大学电子信息与电气工程学院，2002。 [2] 魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京航空航天大学出版，2002。 [3] 胡大可.MSP43O系列FLASH型超低功耗16位单片机[M].北京:北京航空航天大学出版杜，2001。 [4] Http: //www.mcu.comWWW.YJMCU.COM [5] Http://www.dz3w.com/sch/rc/0075072.html [6] Http://www.hqew.com