基于555单稳态触发器触摸开关电路设计.docx

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基于555单稳态触发器触摸开关电路设计

 南华大学电气工程学院

《电子技术课程设计》任务书

设计题目：

 基于555单稳态触发器触摸开关电路设计

   专  业：

     本08自动化01班     

学生姓名:

      吴昌林  

学 号:

      20084460119    

起迄日期:

 2011年1月3日~2011年1月14日

指导教师:

     黄智伟 邹其洪      

教研室主任：

《电子技术课程设计》任务书

1．课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：

一、课程设计内容

 题目：

触摸开关

要求：

电源电压AC220V，控制功率>10W，利用触摸控制开关动作（电灯泡亮/不亮）。

注：

可以采用金属片作为触摸传感器，可控硅作为控制开关，电灯泡作为控制对象。

二、课程设计要求

1.综合运用已学习过模拟电路和数字电路等知识，阅读相关集成电路芯片资料和相关文献，了解电子电路设计的有关知识，方法和特点，掌握基本的电子电路设计和芯片使用方法。

2.一人一题，所设计的电路必须制作成功，并且全部或者部分通过计算机仿真。

课程设计必须自己独立完成，不得从网上下载，一经发现该课程成绩记零分。

3.课程设计设计说明书（报告）应包括有：

①电路工作原理分析

②电路元器件参数设计计算

③电路调试说明

④电原理图和PCB图（必须自己画）

⑤元器件装配图（必须自己画）

⑥元器件清单

⑦自己的收获和体会

⑧要求字数不得少于3500字

⑨要求图纸布局合理，符合工程要求，使用Protel等软件绘制电原理图（SCH）、元器件布局图和印制电路板（PCB）。

4.所有的文档和表格必须采用Word形式。

5.同类型的设计题可以组成一个设计组，组员之间可以开展研究与讨论。

雷同者均计0分。

6.阅读有关芯片英文参考资料，理解资料内容。

7.英文资料中的曲线、参数、方框图、引脚端封装等图（不包括电原理图和PCB图）可以直接采用（pdf文档中的图可放大300倍后裁剪到Word文档中），图中的英文可以采用英文（中文）方式翻译在图下。

8.英文资料中的一些词，如果翻译拿不准，可以采用英文（中文）方式标注。

9.设计资料中的有关的公式可以直接采用。

10.课程设计结束，需要交制作的作品、文字稿和电子稿，采用Word文档形式。

11.成绩评定：

①按ABCDE分档，其中：

优秀为A，良好为B，中等为C，及格为D，不及格为E。

②课程设计设计说明书占60%，实物制作占40%。

2．对课程设计成果的要求〔包括图表（或实物）等硬件要求〕：

设计电路，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书,语言流畅简洁，文字不得少于3500字。

要求图纸布局合理，符合工程要求，使用Protel软件绘出原理图（SCH）和印制电路板（PCB）,器件的选择要有计算依据。

3．主要参考文献：

（1）黄智伟．全国大学生电子设计竞赛技能训练[M]．北京：

北京航空航天大学出版社，2007

（2）黄智伟．全国大学生电子设计竞赛制作实训[M]．北京：

北京航空航天大学出版社，2007

（3）黄智伟．全国大学生电子设计竞赛系统设计[M]．北京：

北京航空航天大学出版社，2006

（4）黄智伟．全国大学生电子设计竞赛电路设计[M]．北京：

北京航空航天大学出版社，2006

（5）黄智伟．全国大学生电子设计竞赛常用电路模块制作[M]．北京：

北京航空航天大学出版社，2010

（6）黄智伟等.基于NImultisim的电子电路计算机仿真设计与分析[M]．北京：

电子工业出版社，2007

（7）黄智伟.印制电路板（PCB）设计技术与实践[M]．北京：

电子工业出版社，2009

（8）高吉祥等.电子技术基础实验与课程设计[M]．北京：

电子工业出版社，2002

（9）吴运昌.模拟集成电路原理与应用[M]．广州：

华南理工大学出版社，2001年

（10）谭博学等.集成电路原理及应用[M]．北京：

电子工业出版社，2003

（11）魏立军.CMOS4000系列60种常用集成电路的应用[M]．北京：

人民邮电出版社，1993

（12）杨宝清.实用电路手册[M]．北京：

机械工业出版社.2002

（13）陈有卿.报警集成电路和报警器制作实例[M]．人民邮电出版社1996 

（14）肖景和.红外线热释电与超声波遥控电路[M]．人民邮电出版社.2003

4．课程设计工作进度计划：

序号

起迄日期

工 作 内 容

1.

2011.1.3~2011.1.4

资料查找和阅读

2

2011.1.5~2011.1.6

电路方案选择，电路设计和计算，电路仿真

3

2011.1.6~2011.1.7

材料购买，电路设计和PCB设计

4

2011.1.8~2011.1.9

PCB制作，电路元器件安装

5

2011.1.10~2011.1.11

作品调试

6

2011.1.12~2011.1.14

课程设计设计说明书写作

主指导教师

黄智伟邹其洪

日期：

 2010年11月29日

目  录

前言……………………………………………………………………………1

摘要…………………………………………………………………………2

设计内容要与要求…………………………………………………………………3

1电路原理分析与方案设计………………………………………………4

1.1总体方案设计与选择…………………………………………………4

   1.11总体方案分析…………………………………………………………4

1.2电路原理……………………………………………………………4

1.2.1触摸开关电路原理图………………………………………………5

  1.3各模块方案选择与论证……………………………………………5

     1.31放大电路的选择与论证……………………………………………5

     1.32单稳态电路的选择与论证…………………………………………5

    1.33双稳态电路的选择与论证…………………………………………6

1.4系统组成…………………………………………………………………6

2单元电路分析与设计……………………………………………………7

2.1放大电路的设计…………………………………………………7

2.2单稳态触发部分电路设计…………………………………………10

2.21555定时器电路结构、引脚及功能……………………………10

2.22555定时器组成单稳态触发器…………………………………11

2.3双稳态触发电路设计…………………………………………12

3仿真分析…………………………………………………………………15

3.1放大电路仿真…………………………………………………………15

3.2单稳态触发电路仿真…………………………………………………16

3.3双稳态触发电路仿真………………………………………………16

  3.4总电路图的仿真及其分析…………………………………………17

4心得体会………………………………………………………20

参考文献…………………………………………………………………………21

附录一PCB图………………………………………………………………22

附录二元器件清单………………………………………………………………22

引言

触摸开关是电子取代机械的又一成功应用，科技发展进步的一种新兴产品。

它一般是指应用触摸感应芯片原理设计的一种墙壁开关，是传统机械按键式墙壁开关的换代产品触摸开关没有金属触点，不放电不打火，大量的节约铜合金材料，同时对于机械结构的要求大大减少。

它直接取代传统开关，操作舒适、手感极佳、控制精准且没有机械磨损。

同时，触摸开关更有人性化的关怀，可以自己选择开关上的文字提示，个性化的文字标签呈现出液晶显示的效果，水晶面板发出淡淡的微光，让深夜不再是完全的漆黑，足以让人形成方位和轮廓感。

能实现更智能化、操作更方便的触摸开关有传统开关不可比拟的优势，是目前家居产品的非常流行的一种装饰性开关。

摘要：

根据触摸开关的特性和原理，考虑运用555芯片构成单稳态触发电路。

对各种方案可行性，经济性，可靠性等方面的比较，最后选择主模块为集成芯片LM3900构成一个比较放大电路，集成555定时器构成单稳态电路，4027JK触发器构成一个双稳态电路三个单元电路来实现。

静态时，LM3900输出高电平，集成555定时器的3脚输出为低电平。

当触摸接触片时，人体感应电使LM3900输出为低电平，从而触发555单稳态电路，输出一个触发脉冲，使JK触发翻转，改变开关状态。

经过Multisim，Protell仿真，较好的达到了设计目的。

做出的电路板实物也达到了预期的结果。

关键词：

集成芯片LM3900；555单稳态触发器；4027JK触发器；仿真。

设计内容与要求

1.设计内容：

触摸开关

2.设计要求：

 电源电压AC220V，控制功率>10W，利用触摸控制开关动作（电灯泡亮/不亮）。

1电路原理分析与方案设计

1.1总体方案设计

题目要求设计利用触摸控制开关（电灯泡亮/不亮），这其实是我们常用的墙壁开关模型。

触摸开关实际上就是一个触摸式电子开关，它利用人体的电阻或杂散电信号，将触摸过程变成开关信号输出来驱动电灯的关和断。

方案一：

直接将触摸片接单稳态触发电路，控制BJT的导通和截止。

方案二：

将触摸信号进行放大，来驱动单稳态触发电路控制BJT的导通和截止。

方案三：

将触摸信号经行放大后接单稳态触发电路再接双稳态触发电路，来驱动BJT的导通和截止。

方案一和方案二精确度不够，稳定性不高，且不能很好实现触摸来控制开和关；方案三精确度高，稳定性强，可行性和可操作性强能很好的符合要求，因此选择方案三来实现。

整个系统主要可分为几个模块。

模块框图如图1.1所示：

电源模块

显示模块

双稳态触发模块

单稳态触发模块

放大模块

图1.1

1.11总体方案分析

本设计主要利用放大电路和单稳态、双稳态电路设计并制作触摸开关装置。

本设计将研究组成触摸开关装置的整个电路的性质和基本概况，学习单元电路的在整体电路中的作用及其基本原理。

对此次设计做出概括分析，并进行改进处理，利用电路图绘制软件，绘制电路图，设计出PCB电路板，并通过书籍教材及网络信息查找相关资料。

单元电路包括放大电路、单稳态触发电路和双稳态电路。

对该报警器使用的元器件的内部构造和使用进行了分析，对各元器件在电路中的作用进行分析研究；同时在各个单元学习之后，进行了电路的绘制。

本设计使用了Protel99SE软件设计电路板，进行PCB板的结构布局，元器件安置和正确布线。

通过此次设计制作，了解触摸开关的制作过程。

1.2电路原理

 电路主要由三分部组成：

集成芯片LM3900构成一个比较放大电路，集成定时器555构成单稳态电路，4027JK触发器构成一个双稳态电路。

静态时，LM3900输出高电平，集成定时器555的3脚输出为低电平，JK触发器输出低电平，BIT不导通，发光二极管不亮。

当触摸接触片时，由于人体电位与大地相同，当人触及图中引线端子时，会产生一个负脉冲，利用该负脉冲信号使LM3900I输出为低电平，这个低电平做单稳态触发器的触发信号，使单稳态触发器输出一个脉冲去触发双稳态触发器，再用双稳态触发器去控制Q1的导通和截止，以达到用触摸来控制灯亮灭效果。

1.21触摸开关电路原理图

图1.2触摸开关电路原理图

1.3 各模块方案选择与论证

1.31比较电路的选择与论证

方案一：

用运算放大器对人体触摸脉冲进行放大。

方案二：

用比较放大器对人体触摸脉冲进行放大。

由于要使系统静态时输入为高电平，人触摸时输入为低电平，因此选择方案二比较放大器。

1.32单稳态电路的选择与论证

方案一:

由555定时器组成单稳态触发模块（如图1.3），单稳态触发器正常工作时，若未加输入负脉冲，即Vi保持高电平，则单稳态触发器的输出Vo一定是低电平。

方案二:

由两个与非门或者或非门组成单稳态触发模块（如图1.4），这种单稳态触发器在电路中广泛地用于对脉冲信号的延时、展宽和整形等。

图1.3 由555构成的单稳态触发器

图1.4 或非门组成的单稳态触发器

方案选择：

根据触摸开关设计要求，设计的简单和先进性，选择555芯片构成单稳态触发电路。

555也是应用很广泛的芯片很容易买到且经济。

1.33双稳态电路的选择与论证

方案一：

采用RS触发器构成双稳态电路。

方案二：

采用JK触发器构成双稳态电路。

由于RS触发器的使用必须遵循SR=0的约束条件，并且目前生产厂家罕有专门的SR触发器芯片提供，市场上很难买到，因此选择JK触发器实现双稳态功能。

1.4系统组成

系统的基本框图如图1.5所示

电源模块

显示

模块

JK双稳态

触发电路

555单稳态

触发模块

集成芯片比

较放大电路

图1.5系统基本框图

2单元电路分析与设计

2.1放大电路的设计

1）LM3900内部逻辑图和电路结构如图2.1所示，国际逻辑符号如图2.2所示。

图2.1LM3900的逻辑图和电路结构

图2.2国际逻辑符号

2）LM3900的绝对最大额定值和电学特性

图2.3 LM3900的绝对最大额定值和电学特性.

3）电路原理图

图2.4 集成芯片LM3900比较电路原理图

2.2单稳态触发部分电路设计

单稳态触发器只有一个稳定状态，在外加脉冲的作用下，单稳态触发器可以从一个稳定状态翻转到一个暂态，该暂态维持一段时间又回到原来的稳态。

2.21555定时器电路结构、引脚及功能

 555定时器的内部电路由分压器、电压比较器C1和C2、简单SR锁存器、放电三极管T以及缓冲器G4组成。

其内部结构及引脚排列如图2.5所示。

三个5KΩ的串联组成分压器，为比较器C1、C2提供参考电压。

当控制电压端（5）悬空时，比较器C1和C2的基准电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。

图2.5 555定时器的电路结构和引脚排列

1地GND      2触发 

3输出       4复位 

5控制电压     6门限（阈值） 

7放电       8电源电压Vcc 

               表1 555定时器功能表

输入

输出

阈值输入（VI1）

触发输入（VI2）

复位（RD）

输出（Vo）

放电管TD

X

<2Vcc/3

>2Vcc/3

<2Vcc/3

X

>Vcc/3

>Vcc/3

0

1

1

1

0

1

0

不变

导通

截止

导通

不变

2.22555定时器组成单稳态触发器

1.电路组成

图2.6用555定时器构成的单稳态触发器

　　如图2.6所示，其中R、C为单稳态触发器的定时元件，它们的连接点Vc与定时器的阀值输入端（6脚）及输出端Vo'（7脚）相连。

单稳态触发器输出脉冲宽度tpo=1.1RC。

 Ri、Ci构成输入回路的微分环节，用以使输入信号Vi的负脉冲宽度tpi限制在允许的范围内，一般tpi>5RiCi，通过微分环节，可使Vi'的尖脉冲宽度小于单稳态触发器的输出脉冲宽度tpo。

若输入信号的负脉冲宽度tpi本来就小于tpo，则微分环节可省略。

 定时器复位输入端

（4脚）接高电平，控制输入端Vm通过0.01uF接地，定时器输出端Vo（3脚）作为单稳态触发器的单稳信号输出端。

2.工作原理

 当输入Vi保持高电平时，Ci相当于断开。

输入Vi'由于Ri的存在而为高电平Vcc。

此时，①若定时器原始状态为0，则集电极输出（7脚）导通接地，使电容C放电、Vc=0，即输入6脚的信号低于2/3Vcc，此时定时器维持0不变。

②若定时器原始状态为1，则集电极输出（7脚）对地断开，Vcc经R向C充电，使Vc电位升高，待Vc值高于2/3Vcc时，定时器翻转为0态。

结论：

单稳态触发器正常工作时，若未加输入负脉冲，即Vi保持高电平，则单稳态触发器的输出Vo一定是低电平。

单稳态触发器的工作过程分为下面三个阶段来分析，图2.7为其工作波形图

图2.7 工作波形

①触发翻转阶段：

 输入负脉冲Vi到来时，下降沿经RiCi微分环节在Vi'端产生下跳负向尖脉冲，其值低于负向阀值

（1/3Vcc）。

由于稳态时Vc低于正向阀值

（2/3Vcc），固定时器翻转为1，输出Vo为高电平，集电极输出对地断开，此时单稳态触发器进入暂稳状态。

②暂态维持阶段：

 由于集电极开路输出端（7脚）对地断开，Vcc通过R向C充电，Vc按指数规律上升并趋向于Vcc。

从暂稳态开始到Vc值到达正向阀值

（2/3Vcc）之前的这段时间就是暂态维持时间tpo 。

③返回恢复阶段：

 当C充电使Vc值高于正向阀值

（2/3Vcc）时，由于Vi'端负向尖脉冲已消失，Vi'值高于负向阀值

（1/3Vcc），定时器翻转为0，输出低电平，集电极输出端（7脚）对地导通，暂态阶段结束。

C通过7脚放电，使Vc值低于正向阀值

（2/3Vcc），使单稳态触发器恢复稳态。

2.3双稳态触发电路设计

CD4027是包含了2个相互独立的、互补对称的J－K主从触发器的单片集成电路。

每个触发器分别提供了J、K置位、复位和时钟输入信号及经过缓冲的Q和Q输出信号，输入输出引出端排列与CC4013双D型触发器相似。

CC4027可用于性能控制、寄存器和触发器等电路。

加在J、K输入端的逻辑电平通过内部自行调整来控制每个触发器的状态，在时钟脉冲上升沿改变触发器状态，置位和复位功能与时钟无关，均为高电平有效。

 从图可知，内部含有两套相同的JK触发器，

（1）和

（2）为输出端，（3）脚为前级时钟输入，（4）和（7）脚分别是复位和更新脚，本电路要将其接低电平，（5）和（6）脚为JK端，需接高电平。

从

（1）脚输出的信号既是所需要的1HZ方波。

1）CD4027的逻辑图和引脚图如图2.8所示。

                       （a）

          （b） 

图2.7 集成双稳态触发器CD4027

（a）引脚图       （b） 逻辑图

2）集成双稳态触发器CD4027的绝对最大额定值和电学特性如图2.8所示。

图2.8 集成双稳态触发器CD4027的绝对最大额定值和电学特性

3仿真分析

3.1放大电路仿真

 电路中设计放大电路的目的是为了将人体触摸脉冲进行放大，提高工作电压，保证555定时器组成的单稳态触发器正常工作。

图3.1为集成芯片构成的比较放大电路的仿真电路图。

图3.1 集成芯片LM3900构成的比较放大电路的仿真电路图。

在Multision10.0环境下设计集成芯片LM3900构成的比较放大电路仿真电路图。

由信号发生器产生峰值为5mv，频率为50HZ的矩形波，用示波器观察输入、输出波形和电压由图3.2可以看出，仿真开始波形稳定后，输出波形峰值为8.0V左右。

能触发555定时器组成的单稳态触发器正常工作，达到了设计的要求。

图3.2 示波器仿真波形

3.2单稳态触发电路仿真

在Multision10.0环境下设计由555组成的单稳态触发器电路仿真电路图如图3.3所示。

仿真结果如图3.4所示。

由信号发生器产生峰值为8V，频率为0.5HZ，占空比为80%的矩形波，用示波器观察输入、输出波形由图3.4可以看出，仿真开始波形稳定后，当V2输入低电平，电路输出状态由低电平跳变为高电平，电路进入暂稳态，当电容充电至2/3Vcc时电路输出电压由高电平翻转为低电平，电路返回稳定状态。

输出电压脉宽tw，tw=RCln3≈1.1RC。

电路中R=1MΩ，C=1uF，则tw≈1.1s。

用示波器测得的脉宽也是1.1s左右，仿真达到了设计的要求。

图3.3 集成芯片LM3900构成的比较放大电路的仿真电路图。

图3.4 示波器仿真波形

3.3双稳态触发电路仿真

在Multision10.0环境下设计由集成芯片CD4027组成的稳态触发器电路仿真电路图如图3.5所示。

仿真结果如图3.6所示。

由信号发生器产生峰值为5V，频率为1HZ，占空比为50%的矩形波，用示波器观察输入、输出波形由图3.7可以看出，仿真开始波形稳定后，加在J、K输入端的逻辑电平通过内部自行调整来控制每个触发器的状态，在时钟脉冲上升沿改变触发器状态，实现翻转，置位和复位功能与时钟无关，均为高电平有效，仿真达到了设计的要求。

图3.3 集成芯片4027双稳态触发电路的仿真电路图。

图3.4 示波器仿真波形

3.4总电路图的仿真及其分析

在Multision10.0环境下设计总的电路图，如图3.5所示。

         图3.5 触摸开关仿真总电路图

仿真分析：

用信号发生器产生峰值为5mv，频率50HZ，占空比为50%的矩形波。

仿真开始，电路稳定后可以看出每隔1.0s左右发光二极管交替熄灭和发光。

用信号发生器产生的矩形波代替人体的触摸动作。

在静态时即触摸前对应矩形波输入高电平，则集成芯片LM3900比较器输出高电平，555定时器组成的单稳态触发器处于稳定的低电平状态，4027双稳态触发器也输出低电平，BJT截止，发光二极管不亮。

当人体触摸时对应矩形波输出低电平，使555组成的单稳态触发器输出高电平，并且延时1.0s左右。

555输出的高电平使4027双稳态触发器发生翻转，使BJT导通，发光二极管发亮。

并且维持发光，只有当再次触摸即下一个上升沿输入4027时才能使它翻转使BJT截止，发光二极管熄灭。

仿真波形如图3.6，3.7，3.8所示。

图3.4 555单稳态触发器两端示波器仿真波形

图3.4 4027双稳态触发器两端示波器仿真波形

  图3.4 发光二极管输入示波器仿真波形

4心得体会

本次课程设计是我的第一个设计，并且是每人一题，开始对这