防盗报警电路的设计.docx

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防盗报警电路的设计

课程设计任务书

学生姓名：

张博

专业班级：

电信1406

指导教师：

杨媛媛

工作单位：

信息工程学院

题目:

声光防盗报警电路的设计仿真与制作

初始条件：

集成触发器、555定时器、扬声器、led、三极管和必要的门电路或其他器件。

要求完成的主要任务:

（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1、课程设计工作量：

1周内完成声光防盗报警电路的设计、仿真、装配与调试。

2、技术要求：

①双路防盗报警，当常闭开关K1（实际中是安装在窗与窗框、门与门框的紧贴面上的导电铜片）发生盗情时，K1打开，要求延时1～35s发生报警。

当常开开关K2发生盗情而闭合时，应立即报警；

②发生报警时，有两个led交替闪亮，周期为1～2s，并有双音频警笛报警声，频率为f=1.5～1.8Hz；

③确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，分析工作原理。

3、查阅至少5篇近5年参考文献。

按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。

全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。

时间安排：

1）第1-2天，查阅相关资料，学习设计原理。

2）第3-4天，方案选择和电路设计仿真。

3）第4-5天，电路调试和设计说明书撰写。

4）第6天，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

摘要

本报告主要包括三部分。

第一部分，分析讨论防盗报警电路的组成和各部分实现的功能；第二部分，电路的详细设计和说明；第三部分，电路的仿真调试及实物制作。

防盗报警电路主要运用了555芯片组成多谐振荡器，再通过逻辑门电路实现对报警系统的控制。

其次本次实物产品为手工制作的电路板（单面板），其性能良好，满足设计要求。

本文仿真主要依托用Proteus软件实现。

根据实例电路图和已经给定的原件参数，使用Proteus软件模拟电路，并对其进行性能测试，动态分析，计算数据等操作。

关键词：

防盗；报警电路；数字电路；多谐振荡器；Proteus

第3章电路设计5

第4章仿真与制作13

附录555芯片构造及引脚图19

第1章数电课设概述

1.1设计背景

随着经济的发展，各城市的住宅楼日渐增多，防盗问题也愈发重要，一款简单易用的防盗报警器是每一个家庭所需要的。

本次设计的目的是要设计一种低成本的双路声光防盗报警器。

本次设计核心部分是产生周期性的高低电平信号，从而让LED能够闪烁，也让蜂鸣器开始鸣叫，最终达到报警提醒用户可能有盗贼触发了报警器，避免财产损失。

1.2设计目的及意义

1巩固、深化和扩展学生的数电知识与初步的专业技能。

2锻炼学生的动手能力，自学软件的能力及分析问题、解决问题的能力。

3通过课程设计，使学生在理论计算、结构设计、工程绘图、查阅设计资料、标准与规范的运用和计算机应用方面的能力得到训练和提高。

4培养学生工程思维，理论联系实际的能力里，客观认真、实事求是的科学态度和积极探索的钻研精神。

5为今后从事电子技术领域的工程设计打好基础基本要求。

1.3开发环境Proteus介绍

Proteus软件是英国LabCenterElectronics公司出版的EDA工具软件。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。

虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。

在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

第2章课程设计内容

2.1课程设计标准要求

题目：

声光防盗报警电路的设计仿真与制作

课程设计工作量：

1周内完成声光防盗报警电路的设计、仿真、装配与调试。

技术要求：

1、双路防盗报警，当常闭开关K1（实际中是安装在窗与窗框、门与门框的紧贴面上的导电铜片）发生盗情时，K1打开，要求延时1～35s发生报警。

当常开开关K2发生盗情而闭合时，应立即报警；

2、发生报警时，有两个led交替闪亮，周期为1～2s，并有双音频警笛报警声，频率为f=1.5～1.8Hz；

3、确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，分析工作原理

其他要求：

查阅至少5篇近5年参考文献。

按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。

全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。

2.2问题探究与分析

拿到这个课题，首先我要进行的是，明确电路要实现的功能，通过分析，我明确了以下几个主体目标：

1：

开关状态的逻辑输入。

2：

LED控制电路。

3：

蜂鸣器控制电路。

通过各个环节的逻辑推理，再参照给定的初始条件，我明确了声光报警电路工作时的逻辑关系：

图1开关触发响应逻辑图

以下是分析过程的详解：

分析一：

明确以上问题之后，对每一个问题进行分析：

首先要将开关的断和开的物理状态通过逻辑门电路转化为电信号，这对应的就是开关状态判断的门电路。

特别的是，由于对于开关1断开的情况，要有延时报警的功能，所以在开关1于逻辑门之间，我特别设计了RC延时电路，通过对电容充电达到延时的目的，原理简单，故之后不特别说明。

通过查阅资料以及联系数电课程所学，要实现开关状态的数字化，我们可以采用，把开关连接在电源（高电平）与地（低电平）之间，将开关两端的电压信号作为门电路的输入。

最终，我采用了常用的非门芯片74hc04和与非门芯片74ls00，构成输入信号电路。

分析二：

由于电路要实现发生报警时，有两个led交替闪亮，周期为1～2s。

那么LED的闪烁周期就要有一个连续的高低电平实现。

由555构成的多谐振荡器就可以提供这一信号，同时还能通过外接电阻电容的大小来控制闪烁的频率。

分析三：

设计要求中要实现双音频警笛报警声，频率为f=1.5～1.8Hz。

这一部分基本原理仍然是555构成多谐振荡器来产生较高频率的信号输出给蜂鸣器，但是难点在于如何产生双音频的警笛声，即多谐振荡器的输出要有连续的高低频信号。

而根据设计要求的说明，高低音变化的频率应为f=1.5～1.8Hz。

这部分电路的设计成为了整个电路中最难的部分，需要一种巧妙的办法，既能让一个多谐振荡器产生两种频率不同的输出信号，还要让这两种信号按照1.5～1.8Hz的频率进行来回变化。

通过回忆多谐振荡器的设计组成，我意识到，振荡器的振荡周期的长短，取决于电容的充放电时间，假如可以让电容的充放电时间改变，就可以实现一个振荡器输出不同频率的信号。

同时控制这种改变其充放电时间的因素，使其按照1.5～1.8Hz的频率变化，就能实现多谐振荡器的高低频的输出也按照1.5～1.8Hz的频率进行变化。

根据原理，由于硬件上电阻电容不可能实时变化从而改变充放电时间（至少依照所需频率自动改变电阻电容的方案难以实现），所以我想到了另一个决定充放电时间的因素：

充放电电压。

假如我可以设置电容所要充到的电压，就可以随心所欲的控制充放电所用的时间，从而改变振荡器的输出频率。

而在555芯片内部，正有这样一个可以改变电容充电电压的输入端：

Vco，555芯片的5脚，参考电压的输入端。

设置这一点的电位高低，就可以实现对电容器充电电压的控制，最终改变输出频率。

得到了实现多谐振荡器输出高低音的方法之后，再往前就是如何实现对5脚输入电压高低变化的频率的控制。

这一部分照猫画虎，用另一个多谐振荡器输出1.5～1.8Hz频率的信号给到下一级的5端即可。

对于这一部分的具体参数设置问题与分析，在后面的详解控制电路部分会一一说明。

第3章课程设计内容

3.1声光防盗报警电路各部分设计

3.1.1开关1延时电路

如图2所示，该电路采用的是电容并联和电阻串联组成的充放电电路，开关断开时电容充电，至稳态电源电压；开关闭合时，电容被短路，瞬间放电。

开关闭合时，74hc04输入低电平，输出高电平；当开关断开后，电容充电达到高电平，74hc04输入高电平，输出低电平。

图2延时电路设计图

上图所示的延时电路简单可靠，易用性强，充电时间根据公式计算：

（3.1.1）

由于74hc04逻辑门在2.6V左右即可改变输出状态，所以可以算出t约为7s，满足设计要求1s-20s。

3.1.2开关2立即报警电路

图3开关2立即报警电路

这一部分的电路非常简单，只需要把开关2串联一个电阻接在电源与地之间即可，同样是将开关两端的电压作为输出。

当开关断开的时候输出高电平，开关闭合时输出低电平。

同时，图中的2输入与非门一个输入接开关2的电位信号，另一个输入接开关1经74hc04非门之后的信号，从而实现只要有一个开关被触发（开关1断开或者开关2闭合），就能产生工作信号。

3.1.3LED闪烁控制电路（555多谐振荡器）

图4LED闪烁控制电路

如图5所示，该图为LED灯控制部分的555多谐振荡器电路，4脚为555芯片的使能端，与上一个与非门相连。

4脚输入为1时，555芯片正常工作。

555芯片2、6脚并联，经过C8与地相连，同时与R11、RV4、R12构成充放电电路，7脚接在RV4中间。

工作原理：

图中连接方式构成多谐振荡器，同时设置R11、R12阻值相同，在2、6脚并联点与7脚之间加一个二极管，在2、6脚并联点与R12之间加一个二极管，就可以形成占空比50%的多谐振荡器。

具体工作过程如下分析。

电路接通瞬间，C8两端无电荷，555芯片2、6脚电压均为0，基本RS触发器处于置“1”的工作状况，输出信号Vo为1；555内部晶体管截止，7脚不放电；充电时，电流经R11与RV4上半部分流经二极管D10到电容。

电容继续充电直至电压超过2/3Vcc时，此时RS触发器置“0”，使得输出Vo为0；555内部晶体管导通，电容开始放电。

放电时，电流经R12与RV4下半部分流经二极管D9到7脚放电端。

此后当电压降到1/3Vcc以下时，又回到了最初的情况，从而周而复始，形成振荡，产生矩形脉冲波输出。

我利用二极管的单向导电性是基本的多谐振荡器成为了占空比50%的振荡器，从而使两个交替闪烁的LED所亮时间基本一致。

如果不是50%，可以利用RV4进行微调。

根据三要素法列写输出方波脉冲的频率为：

（3.1.3）

参数选取上，我去R11、R12、RV4分别为20k、20k、2k，取电容C8=47uf，算得频率为0.507Hz，即周期为1.973s，满足设计要求。

3.1.4蜂鸣器鸣叫控制电路（两级多谐振荡器）

图5蜂鸣器鸣叫控制电路

由于蜂鸣器要实现高低音双频输出，同时还要按照1.5～1.8Hz变化，在2.2的分析三中，我说明了为什么要用两级多谐振荡器，同时也大致分析了其控制原理。

接下来我具体分析其工作方式及其参数选择。

上图中的左侧多谐振荡器工作原理与LED控制电路的多谐振荡器完全一致，只是在电阻与电容的选择上大小不同，根据公式2.2.3，要得到1.5～1.8Hz的频率，先大致确定电容约为原来一半，实际选用22uf，然后选择电阻比原来小1/3左右，为13.7k，RV5=1k。

代入公式2.2.3得f=1.120Hz，符合设计要求。

上图中右侧的多谐振荡器是整个电路中的关键部分。

首先在2.2的分析三中我们知道了，其工作时受到了左侧多谐振荡器的输出电压的控制的，根据三要素法列写电容充电时间方程：

（3.1.41）

由上式可得：

=

（3.1.42）

说明当Vco小于2/3Vcc的时候，充电时间在变短；Vco大于2/3Vcc时，充电时间变长。

根据三要素法同样可得放电时间方程：

（3.1.43）

由上式得：

（3.1.44）

说明放电时间与参考电压Vco无关。

通过以上公式我们可以看出，左侧多谐振荡器的输出给到右侧多谐振荡器的5脚参考电压的大小，直接决定了右侧振荡器的振荡周期内，充电时间变长还是变短，从而间接决定了其振荡周期变长还是变短，也就是频率加快还是减慢。

由于左侧多谐振荡器输出低电平时，参考电压一定是低电平，也就是说充电时间缩短，频率加快，而设计要求中希望得到高低频的信号。

所以在左侧多谐振荡器输出高电平时，其参考电压应该略大于2/3Vcc从而使频率降低，最终得到高低频变化的信号，且随着左侧振荡器的频率1.601Hz进行变化。

为了让蜂鸣器声音明显，对右侧振荡器原有频率的设置，我将其设置在了1.35kHz左右，保证声音效果良好。

为了控制左侧输出高电平时，右侧振荡器的5脚电压约比2/3Vcc高一点，在两级之间我加了分压电阻，这个电阻的大小非常重要，过大的话，会让上一级振荡器失去对5脚的控制，因为此时5脚电压主要有Vcc决定，所以就无法产生高低音的效果；过小的话会使充电时间过长，甚至超过了上一级的高电平持续时间，导致频率下降太严重，最终听不到蜂鸣器的声音。

通过仿真，我选定耦合电阻在7.5k，此时可以保证听到清晰的高低音。

3.1.5LED闪烁电路

图6LED闪烁电路

该部分电路原理简单，两个与非门的一个输入端并联接到开关的触发与非门的输出端，另一个输入端并联接到LED闪烁控制电路的3脚（多谐振荡器输出端），为了实现交替闪烁，所以给其中一路额外加一个非门输入，从而让两者工作时的状态相反。

由此就可以实现LED灯的交替闪烁。

由于LED闪烁控制电路部分，我设置了占空比50%，所以在这里就可以得到两个灯等时长交替闪烁。

3.2声光防盗报警电路整体电路图

声光防盗报警电路主要是由多个多谐振荡器组成的系统。

首先根据设计要求的确定系统逻辑关系和振荡频率。

依此为核心，辅以逻辑门电路，成功实现所有要求的功能。

该电路组成简单，可靠性高，并且有着良好的实用性。

在现实情况中，可以用一根金属丝代替开关1，固定在窗户上。

一旦被破坏，就会延时报警。

开关2，可以设置在屋内，手动开启，阻吓可能的危险。

也可以用于紧急情况发信号求救。

图7声光防盗报警电路整体电路图

第4章仿真与制作

4.1仿真过程

4.1.1延迟仿真结果

图8延迟时间截图

图9灯光交替闪烁截图

初始状态开关1闭合，开关2断开。

点击开始仿真并立即断开开关1，在听到蜂鸣器工作的瞬间按下暂停。

计时器显示时间为7’53，考虑到手动的延迟，预计实际仿真情况，延时在6s多，满足设计要求，并且与预期计算值基本吻合。

继续仿真后，两路灯光交替闪烁，蜂鸣器高低音交替报警，系统工作正常。

在重回初始状态后，闭合开关2，报警系统立即工作，系统工作正常。

在重回初始状态后，闭合开关1后，在延迟时间内接着闭合开关2，报警系统立即工作，系统正常。

通过各种情况的测试仿真，系统均能正常工作，设计成功。

4.1.2三个多谐振荡器输出图像

图10大分度值下图像

图11中等分度值下波形图

图11小分度值下波形图

通过观察图像可以看到，仿真结果与我们预期图像完全一致，波形1仿真结果为1.73s，与预期结果相近，并且满足设计要求；波形2的仿真频率为1.207Hz，与预期结果基本一致，并且满足设计要求；波形3在波形2低电平时频率加快，在波形2高电平时，频率减慢，与预期结果一致，能够产生高低音警笛声，满足设计要求。

4.2实物制作

图12声光防盗报警电路实物图

实践证明，新安装的电路板往往难以达到预期的效果，这是因为我们在设计的时候不可能周全地考虑元件的误差、器件参数的分散性、寄生参数等各种各样的客观因素。

此外，电路板的安装中仍存在有可能没有查出来的错误。

通过电路板整体测试与调整，可发现和纠正设计方案中的不足，并查出电路安装中的错误然后采取措施加以改进和纠正，就可以使之达到预定的技术要求。

元件的安装:

1.元件焊接部位上锡。

2.将电阻器,芯片插入印制板的相应位置上，要注意，电解电容器的极性和芯片的引脚不要插错。

3.焊接元器件时保留元器件引线的适当长度,焊点要光滑,防止虚焊和搭锡。

电路安装完毕后，必须对电路板进行认真细致的检查，以便纠正安装错误。

检查应特别注意，电源的正负、负极性有没有接反，正、负极之间有没有短路现象，电源线、地线是否接触良好，元器件引脚之间有无短路。

焊接的过程更是对我们电工实习课技能的考验，被电烙铁烫了多次，手指也被芯片的引脚扎破。

经历了一天一夜的辛苦努力之后，板子终于焊接完毕。

当接通电源的时候，预期效果顺利的呈现出来。

第5章心得体会

在这次设计中，让我们确实遇了很多难以解决的问题，同时也学到了很多知识。

掌握了数字电路的设计与制作基本思想和一些条件利用的小技巧，掌握了555芯片构成多谐振荡器的原理，并能加以熟练运用。

以及如何去检查电路中的错误与线路是否导通，进一步熟练万用表的使用。

更让我深刻体会到，学以致用到底应该怎么做，我们的课堂学习距离实践到底有多远。

这次课程设计让我深刻的明白了“书到用时方恨少”的含义。

从一开始拿到课题毫无头绪，到一知半解，再到有了主体思路，再到理解原理，最终到设计出合适的电路并做成实物。

这一步步都是通过不断的查阅资料，反复思考，与同学交流才获得的宝贵成果。

电路的设计过程是一次理论结合实践的过程，很多书本上的知识在需要用的时候才发现，要想深刻的理解剖析清楚电路的运作原理，则完全是“绝知此事要躬行”。

理论知识的运用正确是关键所在。

更重要的是，实际模型中，要考虑到许多书本上简化之后的模型中，没有考虑进去的一些因素，比如耦合，比如门电路的跳变电压等等，不然很有可能对于电路的响应无法做出清楚的分析。

这次实践不但巩固了学过的知识，而且其他的对所学知识进行实践论证，及时的发现了存在的许多不足。

通过本次课程设计初步了解了一些专业软件的使用，如Proteus的软件的使用。

在接电路的过程中要仔细并且得有耐心，在检查错误时要更耐心，当出现错误时，首先检查线接对了没有，如果没有错误就看是不是元件存在问题，遇见错误要一步一步的来，不能急躁，也不能灰心丧气总之检测电路是要有耐心，更要动脑。

此外这次课程设计，更让我对数电有了更加深层次的认识。

模块化的组件，各司其职又互相协调，才能达到最终的目标。

同时对于电路中的信号有了新的理解和认知。

还有是此前没有留意过的耦合电阻，它给在隔离、控制电压方面起到了至关重要的作用，这是此前我所不知道的。

总之，这次课程设计让我明白了，要想做好一件事情，首先不能恐惧，要敢于承担；其次更要虚心学习，勤于钻研。

所谓成就感，就是做到了自己不曾做到的事情时才会有的感受。

在今后的学习中，也更加充满动力，同时明白了自主学习的策略和方法！

附录555芯片构造及引脚图

附图1555芯片内部构造图

附图2555芯片引脚图

555的内部结构可等效成23个晶体三极管、17个电阻、两个二极管，组成了比较器、RS触发器等多组单元电路。

特别是由三只精度较高5k电阻构成了一个电阻分压器，为上、下比较器提供基准电压，所以称之为555。

555属于cmos工艺制造，其管脚介绍如下：

1脚：

外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。

2脚：

低触发端TR。

3脚：

输出端Vo。

4脚：

是直接清零端。

当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。

5脚：

VC为控制电压端。

若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。

6脚：

高触发端TH。

7脚：

放电端。

该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。

8脚：

外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。

一般用5V。

参考文献

[1]张庆双.555应用电路精选[M].北京：

机械工业出版社，2011.

[2]李响初.数字电路基础与应用[M].北京：

机械工业出版社，2012.

[3]杨达飞，覃日强.电工电子技术应用[M].北京：

北京理工大学出版社，2011.

[4]刘玉兰，亓玉丽，高荣华.电子技术应用案例[M].天津：

天津大学出版社，2013.

[5]刘德全.Proteus8[M].北京：

清华大学出版社，2014.

致谢

此次是我第二次做课程设计，对于此次设计的成功，要感谢老师的指导和支持，也特别感谢室友的大力帮助。

在遇到不懂的问题的时候能给我以帮助，从而顺利的完成了电路设计和制作。

再次特别向各位的大力支持表示感谢。

本科生课程设计成绩评定表

姓名

张博

性别

男

专业、班级

电信1406班

课程设计题目：

声光防盗报警电路的设计仿真与制作

课程设计答辩或质疑记录：

1：

LED闪烁的频率是如何控制的？

答：

LED报警灯部分的频率是依托第一个555芯片构成的多谐振荡器来实现的，它的频率取决于2、6脚并联后与地之间串联的电容大小和与7脚之间的电阻、与Vcc之间的电阻阻值的大小。

具体参数以设计要求中的频率为目标，按照设计报告第三章的相关公式进行选定。

2：

前两个555芯片的5脚与地之间的电容是做什么用的？

答：

这个电容可有可无，但最好加上，加上它是为了去除地线可能的干扰。

3：

蜂鸣器的高低音是如何产生的？

答：

是由第二个多谐振荡器输出高低电平，通过分压电阻之后，接到第三个555芯片的5脚，也就是控制电压端，从而改变电容的充电电压，进而改变其振荡频率，使得第二个多谐振荡器输出高低电平时，对应第三个多谐振荡器输出低频和高频的信号。

最终通过蜂鸣器，就能听到高低音报警。

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年月日