一种触控面板控制插线板的设计.pdf

78 Vol.40,No.1January,2024第 40 卷第 1 期2024 年 1 月IT REPORT0 引言随着电子信息技术的快速发展，信息传输途径和介质逐渐趋于数字化和智能化，电子产品（包括计算机产品、通信产品、数码家电、网络产品）得到快速普及。而这些电子产品都需要长时间或者临时需要连接市电进行工作，导致日常工作生活中的书桌、办公桌上的插线板总是插满了各种插头或充电器，显得异常杂乱，经常拔插不方便的同时也不安全，如果将插线板收纳在办公桌下，又不方便进行通断电。为了解决这个问题，笔者将尝试对普通的插线板进行改造，通过制作一块触控面板去控制插线板上的各个插孔的通断电，达到分别控制不同用电器工作的目的。然后将插线板收纳起来，桌面只留触控面板进行操作控制，触控面板工作电压低，电流小，能够使桌面整洁的同时安全的控制连接在插线板上的各个用电器。一种触控面板控制插线板的设计黄建宁（广西机电工程学校，广西南宁530001）摘要：本文主要阐述将普通插线板改造成触摸控制的方法。通过对插线板进行一定程度的改造，并制作一块触控面板连接到插线板进行控制。触控面板包含控制电路和触摸键位电路，控制电路由 STC89C52RC 单片机电路、WTC1008BSI 触摸芯片电路、ULN2003 继电器驱动芯片电路构成。当人体触碰到触摸键位电路上的键位时，触摸芯片电路将触摸信号传输到单片机，再由单片机控制继电器驱动电路进行插线板孔位上的状态切换，同时 LED 指示灯显示不同的状态。关键词：插线板；电路；触摸中图分类号：TN602文献标志码：A文章编号：1672-4739（2024）01-0078-03A Design of the Touch Panel Control Plug BoardHUANG Jianning（Guangxi Mechanical and Electrical Engineering School,Nanning 530001,China）Abstract：This paper mainly describes the method of transforming the ordinary plug board into touch control.Through the plug board to a certain extent,and make a touch panel connected to the plug board for control.The touch panel includes the control circuit and the touch key circuit.The control circuit consists of STC89C52RC microcontroller circuit,WTC1008BSI touch chip circuit,and ULN2003 relay driver chip circuit.When the human body touches the key on the touch key circuit,the touch chip circuit transmits the touch signal to the microcontroller,and then the microcontroller controls the relay drive circuit to switch the state on the hole of the plug board,and the LED indicator shows different states.Keywords：plug board；circuit；touch1 设计方法从目标导向出发去倒推整个改造过程，最终触摸控制插线板的具体控制流程是：（1）触碰触控面板灯触摸键位，触摸芯片输出对应键位的电平信号给控制芯片；（2）控制芯片采集到电平信号后进行判别和处理，然后输出控制信号控制继电器和 LED 指示灯在不同的状态（关闭或者开启）之间进行切换，实现控制插线板不同孔位的通电状态1。为了避免浪费，本次改造优先选用现有材料进行，确实无法替代在进行采购。现有材料清单如表 1：表 1 材料清单名称规格（型号）备注单片机STC89C52RC插线板6 个孔位手机充电器5V/1A电阻10k、1k、330电容104、10uF杜邦线4P、6P收稿日期：2023-12-11作者简介：黄建宁（1988.05-），男，壮族，广西崇左人，本科，讲师，研究方向：电子信息。79 Vol.40,No.1January,2024第 40 卷第 1 期2024 年 1 月IT REPORT因此整个改造过程分别进行插线板改造、电路原理图设计、绘制 PCB、制作电路板、电路板装配与调试等工作。1.1 电源选择限于现有的能够输出直流电压 5V，电流 1A 的手机充电器，所以触控面板的工作电压就使用直流 5V。1.2 插线板改造要想实现一个触摸按键控制一个插线板孔位，就必须要给每个孔位单独配置一个继电器进行控制，因此就选择DC 5V 继电器。桌面插线板单个孔位最大的使用功率不超过 800W，所以选择继电器触点负载电流和切换电流都为 5A 即可满足需求。为了安全起见，触摸面板只接入直流电，强电部分全部留在插线板内，所以继电器只能安装在插线板内部。这就需要对插线板进行改造，才能将继电器固定。受限于插线板内部空间，对继电器的尺寸有要求，只能使用适合高密度安装的型号。固定方法是使用热熔胶进行固定。现有的插线板为 6 个孔位，所以需要 6 个继电器。插线板孔位交流电的通断，通过继电器触点的切换来实现。开关电路按要求是开关要接在对火线上，因此插线板内部接线还需要进行以下调整：（1）将插线板 6 个原始孔位上并联的火线分别断开；（2）将 6 个继电器公共端并联接入火线；（3）将 6 个继电器的常开端分别对应接入插线板上原先接火线的位置，零线和地线不需要进行调整；（4）将 6 个继电器线圈的其中一个接线端并联后引出一根线接触控面板的负极，6 个继电器线圈的另一个接线端分别对应接触控面板的 6 个信号输出端。另外需对插线板侧边外壳进行开孔，触摸面板与插线板内部继电器的连接线束将从这个位置穿过。1.3 触控面板电路原理图设计触控面板电路分为控制电路和触摸键位电路两部分。控制电路主要负责信号的处理和判断，触摸键位电路主要是 6 个触摸键位和 LED 指示灯。1.3.1 控制电路在本设计中触摸芯片输出对应键位的电平信号后，经过控制芯片对该信号进行判别和处理，然后才能产生能够控制继电器的信号。一般能够实现这种功能的电路主要有两种：一是使用双向可控硅、三极管等分立元件设计电路实现。分立元件设计电路的方式电路设计相对复杂，需要的元器件也相对较多，不适合进行后期的功能拓展。二是使用单片机进行控制。单片机控制电路结构简单，方便后期扩展其他的功能。对比以上两种功能电路后，控制电路采用的是单片机控制2。为了方便设计和纠错，将控制电路部分分为单片机电路、触摸芯片电路和继电器驱动电路三个部分。（1）单片机电路单片机采用的是笔者目前手上有的 STC89C52RC 芯片，其工作电压为 3.3V5.5V，通用 I/O 口有 32 个，用户在使用串口载入程序时，可以不需要专门的编程器和仿真器。该单片机主要作用是接收到触摸芯片输出的信号后，判断哪一个触摸键位被触摸，并同时控制与之相对应的继电器和 LED，对插线板孔位电路和指示灯的状态进行切换。使用 I/O 口比较多的该型号单片机也可以方便以后扩展其他功能做准备。例如要想使用无线控制，可以预留单排针座，只需要在单片机 IO 上接入无线接收模块，重新对控制程序进行修改并下载到单片机即可。（2）触摸芯片电路触摸芯片采用的是 WTC1008BSI 八通道电容感应式触摸按键芯片。该触摸感应 IC 是为实现人体触摸界面而设计的集成电路。可替代机械式轻触按键，实现防水防尘、密封隔离、坚固美观的操作界面。一个 WTC1008BSI可实现 3 到 8 个独立按健，用户可根据需要灵活使用。尤其适用于代替显示器、电视机等，广泛应用 A/D 键输入方式的机械按键。WTC1008BSI 使用 16bit 高精度的CDC(数字电容转换器)IC 检测感应盘(电容传感器)上的电容变化来识别人手指的触摸动作，CDC 输出的数据由内嵌的 RISC 处理器用高效可靠的算法进行处理。向外直接输出高阻态/低电平或高电平指示按键动作3。WTC1008BSI 的技术特点是：a）外围电路简单，外围元件少。IC 内部集成了自主设计的专用测试电路、自校准电路和 RISC 处理器；b）用户可以使用间距较小的密集键盘。相邻按键抑制功能可以防止相邻按键的误触动作；c）优良的防水能力。采用特殊的防水设计。键盘不仅可以防溅水、漫水而且可以在完全被水淹没后正常使用，不同于目前一般的感应按键面板溅水、漫水时容易误动，积水后反应迟钝，或手指按下后出现指东打西的误动；d）输出端口最大能够提供 10 毫安的电流驱动能力。因此也无法直接用来驱动继电器工作。根据实际插线板孔位需求，需要使用该芯片的 6 个触摸按键接口和 6 个按键状态输出接口。且该芯片可以通过外部电路的设计来调节触摸灵敏度。（3）继电器驱动电路继电器线圈稳定的工作电流约为 40 毫安,而单片机的通用 I/O 口输出电流不超过 20 毫安，并不能直接驱动继电器，所以就要给继电器增加驱动电路。继电器驱动电路一般使用三极管电路驱动，但是这种电路驱动抗干扰能力弱，如果在这基础上加上光电耦合器成本会增加，电路也会变得复杂。因此采用另外一种方式驱动：使用驱动芯片进行驱动。我们采用的继电器驱动芯片为 ULN2003。它是一个高耐压、大电流的达林顿晶体管阵列的集成电路，有七个NPN 复合晶体管组成，每一路达林顿管串联一个 2.7K 的基极电阻，在 5V 的工作电压下可直接与 TTL/CMOS 电路连接，输入兼容 TTL/CMOS 逻辑信号。并且内部每个输出端口都有一个续流二极管，因此它可以直接驱动继电器、灯泡、显示器驱动器等驱动电路。80 Vol.40,No.1January,2024第 40 卷第 1 期2024 年 1 月IT REPORT1.3.2 触摸键位电路触摸键位电路有 6 个键位和 6 个 LED 指示灯，主要的作用是给用户触摸进行控制，并通过 LED 指示灯的亮灭提示电路的控制状态。为了更好的稳定性，需要根据触摸芯片对触摸键位的要求进行设计，比如键位的间距、触摸面积等。再者针对改造的插线板规格是 6 个孔位，分两排排列，为了更好的使用体验，触摸键位电路的 6 个键位也分两排。（1）触摸键位的要求为了保证触摸面板电路上的 6 个触摸点的触摸效率，根据触摸控制芯片的技术要求：如果使用 PCB 铜箔当作触摸点，那么其平面面积要达到一定的要求，推荐采用PCB 铜箔为圆形且半径不小于 6mm；布局时触摸点要尽可能的靠近 WTC1008B，两者之间的连接线的宽度也要足够细（0.10.5mm）；感应盘表面要平整，间距不能小于 0.5mm，并且每一个触摸点的面积应尽量保持相同；因为使用的是电容感应式触摸按键芯片，所以触摸点要与触摸面板密贴不能隔空隙。（2）LED 指示灯电路每一个触摸键位对应一个 LED 指示灯，就安装在触摸键位正上方。这些 LED 指示灯主要的作用是提示触摸键位对应的插线板孔位是否正在通电工作。指示灯亮表示正在通电工作，否则已经断开停止工作。为了触摸面板的整体美观性，使用常用封装尺寸为0805 的贴片 LED 当作触摸指示灯。电路中必须使用一个电阻与 LED 指示灯进行串联，以保证其能稳定工作。1.4 绘制 PCB在开始设计 PCB 前，需要先将电路原理图绘制出来，为了方便后续的制作电路板，使用打样厂家规定的软件绘制。因为电路原理图使用了一部分新的元器件，所以在设计 PCB 板的过程中需要根据使用元器件的尺寸重新绘制它的封装。1.5 制作电路板绘制完成 PCB 板后一般有两种方式完成电路板的制作：一是采用感光法印制电路板后进行蚀刻。一般个人制作通常使用感光法进行，主要经过打磨覆铜板、涂油墨、固化油墨、反色打印菲林纸、曝光、显影、蚀刻、去膜等步骤，需要准备的材料、工具较多。二是将绘制完成的PCB文件交给专业的生产厂家代为打样。让厂家代为打样，方便省心的同时成品的质量会更好，但需要使用厂家规定的软件进行绘制，现在厂家在一定的数量要求下会免费为客户打样，所以这是目前个人制作使用最为广泛的方式。1.6 电路板的装配与调试电路板的制作成功后，严格遵从焊接的基本要求将元器件装配在相应的位置，完成电路板的装配并再次检查元器件安装情况以及是否存在短路情况，如有异常则进行相应的故障排除，以备通电调试。调试时需要用到单片机程序，程序的基本控制流程为：系统上电后，都必须先进行初始化程序，包含触摸键位信号输入端口、LED 指示灯控制端口和继电器驱动信号输出端口的初始化等。其次系统会一直监听触摸信号输入端口，当触摸键位被触摸后，为了防止误触摸操作，系统会自动延时约 1s。如果 1s 后触摸键位还处于触摸的状态，那么相应的继电器驱动端口与 LED 指示灯端口的状态会马上被改变，继电器的常开触点就会吸合，并且 LED 指示灯由暗变亮，反之同理。2 推广应用目前还有很多家庭、办公场所在使用普通插线板，而且它们基本上都是被长时间放在以上场合中的某一个位置，上面的有些孔位使用的频率也非常高。通过以上的改造既可以将杂乱的各种电源线归整收纳，又可以安全方便的使用，同时也可以更方便的切断那些不需要长时间待机的用电器的电源，践行节能低碳理念。但此改造方法需要有一定的专业能力和动手操作能力，借此也希望有商家能够开发出质优价廉且易改装的产品。3 结论本系统可以在控制成本的情况下使用更低功耗的芯片，且该触控面板需要有一个外壳进行固定、保护，防止出现短路等意外事故。为了更容易区分触控键位，可以根据不同的使用功能“定制”键位的图样或文字。功能扩展上，使用处理能力更强的 MCU，后期可以加上电源管理、WiFi 控制和带显示屏等等。另外，既然可以对插线板进行改造，那么家庭中使用的 86 型开关插座应该也可以通过这种方式进行。参考文献：1 汪世波,李莉,苗志浩等.基于 STM32 的自动取药系设计J.计算机与网络,2020,46(04):68-71.2敖强.一种电阻式触摸屏驱动芯片的设计研究D.辽宁大学,2012.3余德均,曾卿卿.多功能插线板的系统设计J.仪器仪表用户,2017,24(04):41-43.