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
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学号: ***********
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
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NI multisim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.CMOS 4000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
资料查找和阅读
1. 2011.1.3~2011.1.4
电路方案选择，电路设计和计算，电路仿真
2 2011.1.5~2011.1.6
材料购买，电路设计和PCB设计
3 2011.1.6~2011.1.7
PCB制作，电路元器件安装
4 2011.1.8~2011.1.9
作品调试
5 2011.1.10~2011.1.11
课程设计设计说明书写作
6 2011.1.12~2011.1.14
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)
2.21 555定时器电路结构、引脚及功能 (10)
2.22 555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：
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Protel 99SE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
图1.5 系统基本框图
电源模块
集成芯片比
较放大电路 555单稳态 触发模块
JK 双稳态 触发电路 显示 模块
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2.1 LM3900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。

2.21 555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（V o) 放电管TD
2.22 555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。

X <2Vcc/3
>2Vcc/3
<2Vcc/3
X <Vcc/3 >Vcc/3 >Vcc/3
0 1 1 1
0 1 0 不变
导通 截止 导通 不变
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，开始对这个东西既陌生又好奇。

刚拿到课题时真的不知所措，后面按老师的要求和指点，自己开始慢慢到处搜集相关资料。

在找资料的过程中发现自己大一大二所学的知识是那么的不扎实，很多数电、模电的知识都忘了，导致花了不少时间复习相关的知识。

这个电路的原理不是很复杂，通过到图书馆和网上收集资料很快找到了所用的主要芯片资料。

接着就开始试着设计方案，经过数次论证和单元仿真终于达到了满意的结果。

触摸开关这个设计主要由三部分电路组成：比较放大电路、单稳态触发电路、双稳态触发电路。

主要应用了集成芯片LM3900，555芯片和集成芯片4027。

通过这次设计，对运放电路，单稳态和双稳态电路进行了复习和更深的认识，对Multisim，Protel等仿真软件有了进一步的熟悉和掌握，对课程设计的步骤和规范有了较多的认识和了解。

其次我们要学会搜集和查阅资料，对于我们接触的许多东西，我们可能是没有学过的，甚至没有见过的，我们要学会从各种渠道去搜集关于这个方面的知识，去学习它，知道怎样来应用它。

对于我们接触到一个任务时，我们要学会将这个任务进行转化，也就是尽量转化到我们熟悉的知识上来。

当我们完成任务的转化后，还要学会分解任务，也就是要清楚，我们要完成这个任务要分为那几个部分，就象这次的设计可以分解为运放、单稳态和双稳态三大模块，然后再各个击破。

对于我们在做事过程中发现的问题要冷静的思考，不要盲目的进行。

在我设计了总方案后对于里面用到的电容电阻进行了多次替换才达到了设计的要求，因此有问题时要好好思考一下时，经过不断地计算和仿真就能找到解决方法。

另外在实际操作的过程中一定要认真细心，比如焊接实物时不能半点马虎否则很容易弄坏芯片。

总的来说，在这次设计过程中所得到的收获，在过去是没有过的，在书本是也是学不到的。

做出实物来之后我很高兴并且对这种小制作也产生了浓厚了兴趣。

我十分珍惜这次课程设计，它使我很好地锻炼了独立思考能力和动手能力。

通过这次课程设计也使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，仅有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

以后不仅要认真学习掌握好书本知识，更要多了解书本外专业相关知识。

参考文献
[1]康华光等.电子技术基础.数字电路部分[M].北京：高等教育出版社，2006.1
[2]康华光等.电子技术基础.模拟电路部分[M].北京：高等教育出版社，2006.1
[3]黄智伟等.基于NI multisim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，2008.1
[4]王彦朋等．大学生电子设计与应用[M].北京：中国电力出版社，2007
[5]张金．电子设计与制作100例[M]．北京：电子工业出版社，2009.10
附录一 PCB图
附录二元器件清单
元件序号型号主要参数数量备注
U1 LM3900 电压范围4～32V 1 比较放大器
U2 555 电压范围5～16V 1 单稳态触发器U3 CD4027 电压范围0.5～18V 1 双稳态触发器Q1 8050 1 开关C1、C2 104 0.1uF 2 电容C3 103 0.01uF 1 电容
C4 1.0uF 1 电解电容R1、R3 1MΩ 1 电阻R2 5.1KΩ 1 电阻
R4 3KΩ 1 电阻。