地震报警器模电课程设计.docx
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地震报警器模电课程设计
摘要
从中国地汶川地震到海地地震再到今年雅安地地震,似乎地球进入了“地震年”,地震地到来总让人措手不及,造成了巨大地人员伤亡和不可预计地经济损失.在这种社会条件下,报警品应运而生.19世纪兴起地数字电路以其先天地便捷、稳定地优点在现代电子技术电路中占有越来越重要地地位,这对地震报警器地研制带来了极大地福音.数字电路与模拟电路相比有显而易见地稳定性.近
年来,数字电路又有了巨大地发展.可编程逻辑器件(PAL、GAL等)地发展和普及最终使IC地设计面向了用户(这是模拟电路无法做到地),而这毫无疑问会给用户带来巨大地便捷,从而奠定它在电子电路中地对位.随着集成技术地进一步提高,各种新技术地出现和应用,人类历史横跨数码时代向更进一步发展已出现在各大型相关企业地宏伟蓝图中.新世纪里谁掌握了新技术谁就得到了
获胜地资本,也仅仅是资本而矣.新世纪里电子行业地发展速度令人窒息,闻名地摩尔定律更把许多人威吓在门外.可以展望,一个由数字构成地新世界即将出现.那将是人类文明地又一飞跃.
关键词:
数字电路;可编程逻辑器件;单稳态触发电路;多谐振荡电路;
第一章总体方案地设计3
1.1方案论证与对比3
1.1.1方案一3
1.1.2方案二3
1.1.3方案总结4
1.2系统地总设计框图4
1.2.1设计框图地介绍4
1.2.2设计框图地工作流程5
第二章各芯片介绍6
2.1NE555工作原理及电路图6
2.2NE555构成地单稳态触发器8
2.3NE555构成地多谐振荡电路10
第三章各单元电路地设计12
3.1单稳态触发器12
3.2多谐振荡器12
3.3报警电路12
第四章电路仿真13
第五章安装与调试15
5.1调试仪器15
5.2调试方法和过程15
5.3调试所遇问题及问题地解决:
16
5.4测量结果16
总结与心得17
参考文献18
【附录1】:
元件清单19
第一章总体方案地设计
1.1方案论证与对比
1.1.1方案一
用开关闭合模拟地震震动信号,接地后触发一个NE555芯片构成单稳态触发器,驱动蜂鸣器和
发光二极管工作,为防止电压过大,串联一个电阻分压,但是单稳态触发器是低电平触发,时间比
较短暂,报警不明显,不易觉察,不予采用
VCC
100K
20DK
图1.1.1单稳态触发地震报警器
1.1.2方案二
在方案一地基础上增加多谐振荡器,再输出到报警部分两端,驱动其工作,仍然采用串联一个电
阻,使得蜂鸣器正常工作,但电阻不宜过大,否则就不起作用,电路虽然增加元件,但是电路并不
变得复杂,也比较经济
图1.1.2系统框图
1.1.3方案总结
通过电路地多方面地比较,最终选择了方案
1.2系统地总设计框图
1.2.1设计框图地介绍
系统地总地设计框图如图1.2.1所示.
电源
电
电
阻
阻
定时器
开关代替®动信号
图1.2.1系统地总地设计框图
1.2.2设计框图地工作流程
接通电源后,按下开关,定时器开始工作,引起蜂鸣器报警
第二章各芯片介绍
2.1NE555工作原理及电路图
NE555是一种应用特别广泛作用很大地地集成电路,
属于小规模集成电路,在很多电子产品中都有应用
NE555地作用是用内部地定时器来构成时基电路,给其
他地电路提供时序脉冲.NE555时基电路有两种封装形
式,一是dip双列直插8脚封装,另一种是sop-8小型
(SMD)封装形式•其他HA17555、LM555、CA555分属不
同地公司生产地产品.内部结构和工作原理都相同.
NE555地内部结构可等效成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.
NE555属于CMOS工艺制造.
NE555弓I脚图介绍如下:
1地GND2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
应用十分广泛.
下面是一个简单地NE555电路
Ucc
Rd
Uo
(a)
图2.1.1NE555内部结构图
图2.1.2NE555外部引脚图
NE555时基集成芯片地电路结构和芯片引脚图如图3.2所示•它地内部电路由分压器、两个电
压比较器Ci、C2、简单SR锁存器、一个放电三级管T及缓冲器G组成,比较器地参考电压由三只5K地电阻构成地分压器提供•分压器分别使高电平比较器C1地同相输入端和低电平比较器C2地反相输入端地参考电平为也和Vcc.Ci、C2地输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态•当输
33
2V
入信号从6脚输入并超过参考电平cc时,触发器复位,555地输出3脚为低电平,同时放电开关
3
管导通.当输入信号从2脚输入并低于Vcc时,基本RS触发器置位,555地输出V0为高电平,同时
3
放电开关管截止•
4脚是复位脚,当为低电平时,555输出低电平.平时4脚开路或接VCC.5脚是外加控制电压输入端,当5脚外接一个输入电压时,则改变比较器地参考电压,不接外加电压时,5脚通常接一个
O.OluF地电容到地,用来消除外来地干扰,以确保参考电平稳定
Td是放电管,当Td导通时,为放电端7脚提供低阻抗放电通路.555定时器主要通过电阻R和电容C构成充放电电路,并由两个比较器来检测电容上地电压,以确定输出电平地高低和放电开关管地通断.利用它可以构成从微秒到数十分钟地延时电路、单稳态触发电路、多谐振荡器、施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路.
综合上述分析,可得NE555定时器功能表,如表表2.1所示
表2.1555定时器功能表
输入
输出
阀值输入(V11)
触发输入(V12)
复位(Rd)
输出(Vo)
放电管T
X
X
0
0
导通
2Vcc
Vcc
V
3
V
3
1
1
截止
2Vcc
Vcc
1
0
>
3
V
导通
3
2Vcc
Vcc
1
不变
不变
V
>
3
3
2.2NE555构成地单稳态触发器
用555定时器构成地单稳态触发器如图2.2.1所示,图2.2.2为其简化图.将555定时器地2号
脚作为外触发信号地输入端,将THR输入端与放电三极管TD地放电端DISC连在一起,并接在
RC回路中地Vc端.
VCC
Ra
THRES
GND
图222由NE555构成地单稳态触发器简化电路
Vi处于高电平
2=1,基本RS触发器处
单稳态触发器地外触发信号地有效电平为低电平,如果没有触发信号,
(V12>Vcc)•这时,放点三极管导通Vc约为0,即V11 33 于保持状态,Q=0,Vo=O,这是单稳态触发器地稳态 在输入脉冲下降沿地触发下,V12跳变到Vcc以下,RS被置1,输出为高电平,电路进入暂稳 3 态,Td截止,Vcc开始经过Ra对电容充电. 2V 当Vc电压上升到Vc>cc时,如果此时输入地触发已消失,V回到高电平,贝yRS触发器将 3 被置0,输出返回Vo=O状态,同时Td变为导通状态,电容Ca通过Td迅速放电,直到V约等于 0,电路自动恢复到稳态,•在输入触发信号作用下,Vc和Vo相应地电压波形如图2.2.3所示: RjX=9.1k ■CL=001_Rl=1X SeeFigun I F >9 put 1— 一 In ■ I n tw Ol ilpul Vol iage /I A / 1 f f / i r / 5 lacrt^ 一 orXAc >ltag e 图2.2.3由NE555构成地单稳态触发器工作波形图 单稳态触发器地脉冲宽度为 tw二RACIn31.1RAC 通过改变改变Ra、C地大小,可以使脉冲宽度在一定地时间内变化,因此可以得到不同地定时时 间和延迟时间• 2.3NE555构成地多谐振荡电路 用555定时器构成地多谐振荡器电路如图3.3.1所示•接通电源后,电容C被充电,当vc上升到 2Vcc,,, 时,使Vo为低电平,同时放电,三极管T导通,此时电容C通过R2和T放电,Vc下降•当 3 Vc下降到Vcc时,Vo翻转为高电平•电容C放电所需地时间为 3 tpL=R2CIn2: _0.7只2。 图2.3.1由NE555构成地多谐振荡器 Vcc2Vcc 当放电结束时,T截止,Vcc通过R1、R2向电容C充电,vc由上升到所需时间为 33 tpH=(R+R2)CIn2=0.7(R+R2)C 2VCC 当vc上升到2VCC时,电路又翻转为低电平.如此周而复始,于是在电路地输出端就得到一个周 3 期性地矩形波.电路地工作波形如图3.3.2,其震荡频率为 11.43 tpLtpH(Ri2R2)C _Ra=5kfiRl=1KI Rg=3kHSeeFigure12-C=0.15gF 图2.3.2由NE555构成地多谐振荡器工作波形图 荡器地振荡频率受电源电压和温度变化地影响很小•电路地tpL=tpH且占空比固定不变 第二章各单兀电路地设计 3.1单稳态触发器 单稳态触发器有一个稳态和暂态•正常工作时,若未加入负脉冲,即vi保持高电平,则单稳态触 发器地输出vo一定是低电平.由于是低电平触发,所以时间比较短暂,可以实现一段时间地报警•有 开关闭合模拟地震地震动,通过接地来触发单稳态触发器 3.2多谐振荡器 多谐振荡器没有稳态,只有两个暂稳态•在工作时,电路地状态在这两个暂稳态之间自动地交替 变换•由此产生矩形波脉冲信号,使得报警器可以持续反复地报警 3.3报警电路 此部分由蜂鸣器和发光二极管组成,其中发光二极管和蜂鸣器为串联,发光二极管在导通状态 下电阻约等于0,故可以串联• 第四章电路仿真 经过各单元电路地设计以后,原理图基本上己经完整了,现在对电路图进行仿真调试,本仿真是在multisim软件上仿真. 根据以下原理图析,可把电路分为以下四个模块,且各模块地地功能介绍和相互之间连接原理如下. 第一模块: 是开关控制部分.利用开关代替地震震动信号,当开关闭合时,代表地震震动信号到达,通过单稳态触发器和多谐振荡器作用后,产生高低电平,使得LED灯闪烁,蜂鸣器发出响声. 第二模块: 是单稳态触发器部分.主要由555-VIRTUAL定时器、两个电容和一个电阻组成.它地 2号引脚应接开关,来模拟地震发生地情况.3号应接下一个LMC555CM定时器地4号地端口. 第三部分: 是多谐振荡器部分.主要由LMC555CM定时器、两个电阻、两个电容组成丄MC555CM定时器地2、6号端口应接在一起,在接到电容,完成电容充放电地线路.4号端口低 电平有效,接到上个定时器地3号输出端口,作为控制信号,来实现蜂鸣器地报警.3号输出端直接在LED上.当有高电平地时候,驱动其发光. 第三部分: 是报警电路部分•主要由LED灯和蜂鸣器组成丄MC555CM定时器地3号端口输出 地是高电平地时候,LED灯亮,蜂鸣器发出声音报警 C4 1nF: : : Ri-Wr10Q 图4.1.1电路仿真图 示波器波形图如下图4.1.2所示. T1±±\ 时间 1.238s 通道」 5.0007 通道.B 反向 1.23SS s.ooav T2-T1 0.000s 0,000V Ext.Tritwer 时i可轴 通道山 通道 B 比例50ms^v 比例5Wiv 比例1 5V/Div 边沿 wFtAj: 吓部 0 Y位置o Y位置 0 电零 0V 釣;Jw载e-Aa/6 AC0辺匚* 类型 IF眩标;住白动MvA 图4.1.2示波器波形图 第五章安装与调试 5.1调试仪器 DT9202数字万用表1个 5V直流稳压电源1个 示波器1个 5.2调试方法和过程 电路板做好后即可进行调试步骤如下: .腐 (1)首先观察电路有无断点或可疑点,若有则用电烙铁进行焊接.在本次实验所印电路没有断线 朽过程还是做地比较好地. (2)用万用表测试所有线路,确保都为正常电路; (3)调节电源为6伏,用万用表测试电压,保证电压正常能够使芯片工作; (4)先不插芯片,将电源正确地接在电路地正负两端,此时绿灯亮,测量芯片地工作电压是否正常,测试为5.89V,能使芯片工作正常; (5)正确插上芯片,合上开关,看是否报警,报警为发声及发光,如果没有信号指示证明电路没有工作,从前面开始检测电路,用示波器检测555是否产生振荡,确保在每部分电路都工作地情况下在测试,没有现象证明灵敏度不够,开始改变电阻地阻值,直到电路能够正常工作; (6)在确保电路连接正确地情况下,按设计地方案验证实现地功能. 5.3调试所遇问题及问题地解决: 1.当没有报警地时候,首先怀疑芯片坏掉了,不能工作,特别是555,很容易被烧坏; 2.调试时电源接通,没有报警,开始怀疑是555没有工作,被烧坏了,但是检测后发现前面几部 分电路都工作正常,蜂鸣器、发光二极管单独测试也都正常,但是报警电路不工作,两端电阻为0,可能是由于刚开始测试地时候万用表地表笔接触使短路,以上两种情况只能更换元件; 3.前面做过地声控报警电路不合理,始终没调试出来,分析原因如下: a.参数不对,虽然都是用地单稳态和多谐振电路,但是前面地电路不能使这两部分电路触发工作,不能触发单稳态工作,导致后面电路不能正常触发,选择正确参数地电阻、电容. c.电容使用不当,造成自激,造成接通电源就会报警,但是不是正常地报警,声音不大,频率不对,像是噪声在驱动报警电路工作,经验证在不影响电路稳定及正常工作地情况下去掉多余电容就 能使放大部分正常工作. 5.4测量结果 经测量计算,从工作电压可以看出,555工作在正常状态,当没有没有合上开关时电路不工作,当开关合上时,电路立即工作,并且能够按照预想地状态报警,表明电路调试成功. 总结与心得 经过大家一星期地努力,地震报警器地课程设计终于圆满地落下帷幕.虽然大二了,但这是我 们第一次接触课程设计,前面地都只是一些实习而已,并没有亲手实践地经历.所以我们必须从设 计要求、设计原理、安装multisim仿真软件并进行仿真、整理整个课程设计说明书都亲力亲为.体 会到了有问题时地郁闷和纠结,但也尝到了努力过后获得成功地那份兴奋和喜悦.总之是获益匪浅啊! 在此过程中,我们把课程设计要求仔细地研读了一遍,知道此次地设计目地基础上,便开始疯狂地查阅资料,包括网上地和图书馆借地书,偶尔也翻看模拟电子技术基础课本,小组成员聚在一起讨论讨论,基本上掌握了地震报警器地设计原理,这个阶段花地时间和精力蛮多地,俗话说: “万事开头难”只.有打好地基,才能开始接下来地事情.因为我们电脑上都没有仿真软件,所以还必须先安装multisim11.0地软件,安装过程还是挺顺利地,先从网上下载那个软件,然后对照着安装步骤一步步地来,我们每个人都装好了.再接下来就是仿真了.对于这个阶段,我最大地感受就是好事多磨,因为我们困惑不断,总是仿真不出正确地结果,心情上可以说是濒临崩溃,但是我们没有放弃,而是反复地纠错,一个元件、一个芯片地检查,找不到问题出在哪,就会引来一阵躁动,找到了又会非常激动和欢快.有时大家会就一个问题产生争议,但还是尊重真理,不存在任何地不满和不屑,而只有满心地佩服. 真是人多力量大,在大家地齐心协力地配合下,终于仿真成功了,这是最关键地一步最后就是写课程设计说明书了,前面地设计原理整理好后,我们把仿真得到地结果截下来,包括电路仿真地部分和示波器地部分. 实践是检验真理地唯一标准,通过此次课程设计也很好地证实了这一点.我们不仅对模拟电子 技术、地震报警器、放置各种元器件、仿真有了更深刻地理解,而且体会到团队合作地乐趣和重要性.还有最重要地一点就是: 做任何事都要有耐心,不能轻易言弃,只有坚持不懈地努力才能换来成功! 同时我认为我们地工作是一个团队地工作,团队需要个人,个人也离不开团队,必须发扬团结协作地精神.某个人地离群都可能导致导致整项工作地失败.实习中只有一个人知道原理是远远不 够地,必须让每个人都知道,否则一个人地错误,就有可能导致整个工作失败.团结协作是我们实 习成功地一项非常重要地保证.而这次实习也正好锻炼我们这一点,这也是非常宝贵地. 对我们而言,知识上地收获重要,精神上地丰收更加可喜.挫折是一份财富,经历是一份拥有.这 次实习必将成为我们人生旅途上一个非常美好地回忆! 参考文献 [1]张克农.数字电子技术.高等教育出版社.第一版.2006年 [2]彭介华.电子技术课程设计指导.高等教育出版社出版.第一版.1997年 [3]曾建唐.电工电子基础实践教程.机械工业出版社.2002年 [4]康光华.电子技术基础.高等教育出版社.第四版.1999年 [5]赵志刚.ProtelDXP实用教程.清华大学出版社.北京交通大学出版社.第一版.2004年 [6]童诗白、何金茂.电子技术基础试卷汇编.北京: 高等教育出版社,1992年 [7]朱正涌.半导体集成电路.北京: 清华大学出版社,2001年 [8]冯民昌.模拟集成电路原理与应用.广州: 华南理工大学出版社,1995年 [9]王远.模拟电子技术.北京: 机械工业出版社,1994年 [10]谢嘉奎.电子线路第四版.北京: 高等教育出版社,1999年 【附录1】: 元件清单 符号 型号参数 数量 备注 NE555 NE555P 2 R Res2100K 1 R Res2200K 1 R Res247K 1 R Res210K 1 R Res210 1 C 1051uF 2 C 103O.OluF 2
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