通信工程电子线路课程设计.docx
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通信工程电子线路课程设计
《声光报警器》
电子线路课程设计
题目:
声光报警器
专业:
电子信息科学与技术
班级:
摘要
在当今社会上防盗系统越来越受到人们的重视。
但是市场上的报警器大部分都是用于一些大公司财政机构。
价格高昂,一般人们难以接受。
如果设计和生产一种价廉、性能灵敏可靠的防盗报警器,必将在防盗和保证财产安全方面发挥更加有效的作用。
本课程设计主要介绍了简易的声控报警器的电路设计工作的原理和电路板的制作。
该声光报警器电路主要由微弱声音收集电路、二级放大电路、单稳态触发器电路、光敏电阻电路、二极管够成的与门、谐振荡电路构成。
该简易声光报警器工作原理是由咪头收集微弱声音信号,由于声音信号太弱只有几毫伏,必须经过二级放大电路将信号放大一定大,才能驱动触发器启动5秒的定时作用,然后声音信号与光信号同时作用在由二极管够成的与门上,既而在无光信号有声音信号下使多谐振荡振荡,从而驱动使蜂鸣器发声,同时发光二极管不断闪烁。
声光报警器涉及到《模拟电子技术》、《数字电子技术》中的相关知识,特别是对一些电路的分析都涉及到《模拟电子技术》中所讲到的知识以及面对电路时的分析方法、思路。
通过对该设计的模块式的分开分析、设计,把原本复杂的电路简单化、部分化,最后再把每部分有机的结合起来,这样大大提高了工作效率,而且思路是相当明确。
并且该款声光报警器能够很好的用于家庭防盗,而且价格便宜,能够广泛的用于生活。
目录
.概论
2.课程设计任务及要求
2.1课程设计任务3
2.2课程设计要求3
3.理论设计4
3.1方案论证4
3.2系统设计6
3.2.1结构框图及说明6
3.2.1系统原理图及工作原理6
3.3单元电路设计6
3.3.1单元电路工作原理
3.3.2原件参数选择
4.安装调试4
4.1安装调试过程6
5.结论4
6.使用仪器设备清单4
7.体会与收获4
参考文献9
1.概论
在电子科学技术高速发展的今天,电子产品越来越多的应用在我们的日常生活中,各种高档家电产品和贵重物品为许多家庭所拥有,但是由于大部分人防盗意识还不够强,所以偷盗现象屡见不鲜。
因此,越来越多的居民对家庭财产安全问题十分担忧。
声光报警器是我们所要做的课程设计课题,它的电路主要由七个模块构成,分别声音收集器模块俗称咪头、二级放大电路模块、555够成的触发器模块、光敏电阻、二级管构成的与门、555构成的多谐振器和无源蜂鸣器模块。
声光报警器涉及到《模拟电子技术》、《数字电子技术》中的相关知识,特别是对一些电路的分析都涉及到《模拟电子技术》中所讲到的知识以及面对电路时的分析方法、思路。
通过对该设计的模块式的分开分析、设计,把原本复杂的电路简单化、部分化,最后再把每部分有机的结合起来,这样大大提高了工作效率,而且思路是相当明确。
声光报警器又叫声光警号,是为了满足客户对报警响度和安装位置的特殊要求而设置,同时发出声、光二种警报信号。
声光报警器不仅防盗,而且产品专用领域是银行,政府机关,邮政,电信,酒店,大厦,工厂商场商铺、别墅、ATM,周界防越系统及保安服务公司等,是消防火灾自动报警系统中的一个配件产品。
2.课程设计任务及要求
2.1课程设计任务
设计一个简单的电路使其能在无光的情况下利用物体的撞击、行人的脚步声、车辆行驶的震动声作为触发信号,使蜂鸣器发出报警信号,同时LED闪烁。
2.2课程设计要求
要求电路尽量设计得简单明了,使用的元器件尽可能的少,但是要求其功能明显,稳定性高,不易产生误报警。
灵敏度高。
3.理论设计
3.1方案论证
本课程设计在二级放大电路模块就选择集成运放还是TTL放大电路、集成电路与门还是二极管与门和有源的蜂鸣器还是无源的蜂鸣器这三个模块进行了论证。
对于放大电路模块,我们觉得运放比较稳定,并且使整体的电路简单化,而TTL放大电路比较复杂,焊接工艺要求比较好。
所以本设计果断选用集成运放。
对于与门的选这上,集成电路与门的价格比较贵,由二极管构成的与门不仅价格便宜,而且更有利于我们理解二极管的性质和作用。
所以本设计选择的是二极管够成的与门。
对于蜂鸣器的选择,有无源和有源两种,有源蜂鸣器和无源蜂鸣器的根本区别是产品对输入信号的要求不一样;有源蜂鸣器工作的理想信号是直流电,通常标示为VCC、VDD等。
因为蜂鸣器内部有一简单的振荡电路,能将恒定的直流电转化成一定频率的脉冲信号,从面实出磁场交变,带动钼片振动发音。
但是某些有源蜂鸣器在特定的交流信号下也可以工作,只是对交流信号的电压和频率要求很高,此种工作方式一般不采用。
而无源蜂鸣器没有内部驱动电路,可以根据需要设定驱动形成矩形脉冲,从而使蜂鸣器发生。
由于报警的声音需要可调节,本课程设计选择无源的蜂鸣器为发声装置。
3.2系统设计
3.2.1结构框图及说明
图1结构框图
该声光报警器电路主要由驻极体声音采集电路、二级放大电路、单稳态触发器电路、光敏电阻电路、二极管与门电路、多谐谐振荡电路构成。
该简易声光报警器工作原理是由咪头收集微弱声音信号,由于声音信号太弱只有十几毫伏左右,必须经过二级放大电路将信号放大,才能驱动触发器启动5秒的定时作用,然后声音信号与光信号同时作用在由二极管够成的与门上,既而在无光信号有声音信号下使多谐振荡振荡工作,从而驱动使蜂鸣器发声,同时发光二极管不断闪烁。
3.2.2系统原理图及工作原理
图2系统原理图
声光报警电路是一种防盗装置,本设计中,在光线较暗,且检测到有声音时,通过指示灯闪光和蜂鸣器鸣叫,实现报警功能。
1、声音采集器采用驻极体,由于其输出电压很小,约为10mv左右,因此需将驻极体输出电压放大。
2、放大电路采用两级运放,将驻极体输出电压放大,使三极管导通。
3、延时电路采用555单稳态触发器,当三极管导通时,555的
端(2脚)产生下降沿,触发单稳态触发器执行延时功能。
4、光照强度检测电路由光敏电阻组成,由分压原理区分不同的光照强度。
5、与门由两个二极管组成,使当光线较暗且检测到有声音时,蜂鸣器才发声。
6、脉冲发生电路采用555多谐振荡器,产生一定频率的脉冲信号。
7、报警电路由蜂鸣器和发光二极管组成,实现既有声音提示也有光信号提示。
3.3单元电路设计
3.3.1单元电路工作原理
1、声音采集电路
图3 声音采集电路
驻极体原理:
基本结构由一片单面涂有金属的驻极体薄膜与一个上面有若干小孔的金属电极(背称为背电极)构成。
驻极体面与背电极相对,中间有一个极小的空气隙,形成一个以空气隙和驻极体作绝缘介质,以背电极和驻极体上的金属层作为两个电极构成一个平板电容器。
电容的两极之间有输出电极。
由于驻极体薄膜上分布有自由电荷。
当声波引起驻极体薄膜振动而产生位移时;改变了电容两极板之间的距离,从而引起电容的容量发生变化,由于驻极体上的电荷数始终保持恒定,根据公式:
Q=CU所以当C变化时必然引起电容器两端电压U的变化,从而输出电信号,实现声—电的变换。
由于实际电容器的电容量很小,输出的电信号极为微弱,输出阻抗极高,可达数百兆欧以上。
因此,它不能直接与放大电路相连接,必须连接阻抗变换器。
通常用一个专用的场效应管和一个二极管复合组成阻抗变换器。
电容器的两个电极接在栅源极之间,电容两端电压既为栅源极偏置电压
Ucs,Ucs变化时,引起场效应管的源漏极之间Idc的电流变化,实现了阻抗变换。
一般话筒经变换后输出电阻小于2千欧。
R为漏极负载电阻,在一定范围内,R越大,UO越大,C起隔直通交作用。
2、放大电路
图4放大电路
该放大电路由两个LM324集成运算放大器组成,每一级均为同相比例运算电路,电压放大倍数约为10,两级级联之后,总的电压放大倍数约为200。
由该电路将电压由10mv左右放大到几伏,从而使三极管导通,在三极管集电极产生一个下降沿,触发延时电路。
同相比例运算电路的比例系数为
。
3、延时电路
图5延时电路
该延时电路由555单稳态触发器构成,其工作原理为:
(1)无触发信号输入时电路工作在稳定状态
当电路无触发信号时,Ui(2脚)保持高电平,电路工作在稳定状
态,即输出端(3脚)Uo保持低电平,555内放电三极管TD饱和导通,
管脚7“接地”,电容电压Vc为0V。
(2)Ui下降沿触发
当Ui下降沿到达时,555触发输入端(2脚)由高电平跳变为低电
平,电路被触发,Uo由低电平跳变为高电平,电路由稳态转入暂稳态。
(3)暂稳态的维持时间
在暂稳态期间,555内放电三极管TD截止,VCC经R向C充电。
其充
电回路为VCC→R→C→地,时间常数τ1=RC,电容电压Vc由0V开始增
大,在电容电压Vc上升到阈值电压之前,电路将保持暂稳态不变。
(4)自动返回(暂稳态结束)时间
当Vc上升至阈值电压时,输出电压vO由高电平跳变为低电平,555
内放电三极管TD由截止转为饱和导通,管脚7“接地”,电容C经放电
三极管对地迅速放电,电压vC由迅速降至0V(放电三极管的饱和压降),
电路由暂稳态重新转入稳态。
(5)恢复过程
当暂稳态结束后,电容C通过饱和导通的三极管TD放电,时间常数
τ2=RcesC,式中Rces是TD的饱和导通电阻,其阻值非常小,因此τ2
之值亦非常小。
经过(3~5)τ2后,电容C放电完毕,恢复过程结束。
恢复过程结束后,电路返回到稳定状态,单稳态触发器又可以接收新的
触发信号。
输出脉冲宽度tW=1.1RC。
4、光照强度检测电路
图6光照强度检测电路
光敏电阻的工作原理:
其原理是基于内光电效应。
在半导体光敏材料两端装上电极引线,将其封装在该电路由一个光敏电阻和一个电阻组成,由分压原理,当光敏电阻的阻值变化时,其两端电压也随之改变。
因此,可以光敏电阻两端的电压来区分不同的光照强度。
当光线较暗是,其阻值较大,分得的电压也较大;当光线较强时,其阻值较小,分得的电压也较小。
带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻如图所示。
为了增加灵敏度,两电极常做成梳状。
构成光敏电阻的材料有金属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体。
半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。
当光敏电阻受到光照时,价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带,成为自由电子,同时产生空穴,电子—空穴对的出现使电阻率变小。
光照愈强,光生电子—空穴对就越多,阻值就愈低。
当光敏电阻两端加上电压后,流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。
入射光消失,电子-空穴对逐渐复合,电阻也逐渐恢复原值,电流也逐渐减小。
4、与门电路
图7与门电路
该电路利用二极管的导通与截止特性实现与门功能。
(1)当两个二极管负极均为低电平时,两个二极管均导通,即输出接地,输
出电压为低电平。
(2)当一个二极管负极为低电平,另一个二极管负极为高电平时,一个二极
管导通,而另一个截止,即输出接地,输出电压为低电平。
(3)当两个二极管负极均为高电平时,两个二极管均截止,即输出接VCC,
输出电压为高电平。
5、脉冲发生电路
图8脉冲发生电路
该脉冲发生电路由555多谐振荡器构成,其工作原理为:
起始状态:
接通电源前电容C上无电荷,所以接通电源瞬间,C来不及充电,故uC=0,比较器C1输出为1、C2输出为0,基本RS触发器Q=1,
=0,uO=UO
TD截止。
(1)暂稳态Ⅰ
Q=1、
=0、uO=UOH,TD截止,是电路的一种暂稳状态,因为在这
种状态下,有一个电容C充电、uC缓慢升高的渐变过程在进行着,充电
回路是VCC→R1、R2→C→地,时间常数τ1=(R1+R2)*C。
(2)自动翻转Ⅰ
当电容C充电,uC上升到2VCC/3时,比较器C1输出跳变为0,
基本RS触发器立即翻转到0状态,Q=0、
=1、uO=UOL,TD饱和导通。
(3)暂稳态Ⅱ
Q=0、
=1、uO=UOL,TD饱和导通,是电路的另一种暂稳状态,因为
在这种状态下,同样有一个电容C放电、uC缓慢下降的渐变过程在进行,
放电回路是C→R2→TD→地,时间常数τ2=R2*C。
(4)自动翻转Ⅱ
当电容C放电、uC下降到VCC/3时,比较器C2输出跳变为0,
基本RS触发器立即翻转到1状态,Q=1,
=0、uO=UOH,TD截止,即暂稳态Ⅰ。
接通电源后,电路就在两个暂稳态之间来回翻转,于是在输出端就形成了矩形脉冲。
电容C充电时间tW1=0.7(R1+R2)C。
电容C放电时间tW2=0.7R2C。
振荡周期T=0.7(R1+2R2)C。
振荡频率f=
。
7、报警电路
图9报警电路
该报警电路由发光二极管和蜂鸣器组成。
发光二极管原理:
发光二极管是半导体二极管的一种,可以把电能转化成光能。
发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成,也具有单向导电性
当给发光二极管加上正向电压后,从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P
区的电子,在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合,产生
自发辐射的荧光。
发光二极管的反向击穿电压大于5伏。
正向伏安特性曲线很陡,使用时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流。
蜂鸣器原理:
电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。
接通电源后,振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈,使电磁内产生磁场。
振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下,周期性地振动发声。
蜂鸣器又分为有源和无源两种,有源蜂鸣器内部有振荡器,而无源蜂鸣器内部没有。
本设计采用的是无源蜂鸣器,因此需外加振荡信号,由555多谐振荡器产生。
三极管作用:
由于555的输出端电压较小,且蜂鸣器工作需要较大的电流,
因此,通过三极管将电流放大,从而使蜂鸣器发出响亮的警报声。
二极管的作用:
由于蜂鸣器是感性元件,电流不能瞬变,因此需要一个续
流二极管提供续流,否则,在蜂鸣器两端会产生几十伏的尖峰电压,可能会损
坏三极管。
3.3.2原件参数选择
1、声音采集电路:
R=4.7KΩ,C采用电解电容,22μF。
2、放大电路:
比例系数为10,由同相比例运算电路的比例系数为
,
R1=R2=R4=R5=100Ω。
R3=R6=2KΩ。
R7、R8为限流电阻,R7=4.7KΩ,R8=1KΩ
R15=R16=5.1KΩ。
3、延时电路:
延时5s,由输出脉冲宽度tw=1.1RC,
R9=51KΩ,C3=100μF。
C2=0.01μF。
4、光照强度检测电路:
R10=1MΩ,RL最大组织为1MΩ。
5、与门电路:
二极管为1N4007,限流电阻R11=4.7KΩ。
6、脉冲发生电路:
R12=1KΩ,R13=2KΩ,C6=1μF,C5=0.01μF,
由振荡频率f=
,
频率为接近1KHz。
7、报警电路:
R14=R16=100Ω,C4=100μF,R15=500Ω。
4.安装调试
4.1安装调试过程
1.先将直流稳压源调节到5V电压,将数字万用表接到直流稳压电源上调试到精确值
2.将焊接好的555定时器声光报警电路的电源线接到5V直流稳压电压源上(注意正负极性),二极管闪烁,蜂鸣器发出鸣叫声
3.调节R1,改变了振荡频率,从而控制发光二极管的闪烁频率,蜂鸣器发出的鸣叫声随振荡频率的改变而变化
5.结论
该简易声光报警器工作原理是由咪头收集微弱声音信号,由于声音信号太弱只有几毫伏,必须经过二级放大电路将信号放大一定大,才能驱动触发器启动5秒的定时作用,然后声音信号与光信号同时作用在由二极管够成的与门上,既而在无光信号有声音信号下使多谐振荡振荡,从而驱动使蜂鸣器发声,同时发光二极管不断闪烁。
6.使用仪器设备清单
名称
数目
名称
数目
驻极体
1
电解电容10μF
1
电阻(100Ω)
6
电解电容100μF
2
电阻(500Ω)
1
运放LM324
2
电阻(1KΩ)
2
三极管9013
1
电阻(2KΩ)
3
三极管9014
1
电阻(4.7KΩ)
3
二极管1N4007
3
电阻(5.1KΩ)
2
LED
1
电阻(51KΩ)
1
蜂鸣器
1
电阻(1MΩ)
1
NE555
2
电容0.01μF
2
光敏电阻1MΩ
1
电解电容1μF
1
7.体会与收获
课程设计是我们学习过程中一个十分重要的环节,它锻炼我们运用所学知识正确分析和解决实际问题,也是培养应用型专门人才的要求。
所谓复杂电路其实是由简单电路层次构成,用一些常见的电阻、电容、二极管、常见的集成芯片,把它们有机的结合起来,就可以做出实用的产品来。
另外,在设计电路、分析电路中需要不断地查阅资料,这样扩展了我们在电子线路方面的知识,同时也激发了我们的创造性思维。
经半个月的课题研究,从选题和资料、分析和计划、实际产品设计、调试阶段、课程设计论文创作中,我对电子产品的开发产生了浓厚的兴趣,这次毕业设计我们将《模拟电子技术》、《数字电子技术》理论课程所学知识用于实践,而且更加熟练的运用电路仿真软件,如ProtelDXP、Multisim等。
对电子工艺的理论有了初步的了解。
我们了解到了各种元件的性能、焊接的技巧等等。
这些知识不仅在课堂上有效,对以后的课程学习和课程设计有很大的指导意义。
对自己的动手能力是个很大的锻炼。
实践出真知,纵观古今,所有发明创造无一不是在实践中得到检验的。
没有足够的动手能力,就谈不上胜任将来的工作。
在实习中,我锻炼了自己动手技巧,提高了自己解决问题的能力。
比如在555定时器声光报警电路设计中由于一个小小的错误导致电路功能无法完全实现。
最后在老师的指导下解决了电路最终完成。
焊工是练出来的,只有经常练习焊点才会美观,不是一次就能有好的焊点
虽然这次的试验有点简单,因为不需要我们排线,但是在做的过程中,大家还是都一直在担心焊好的电路板会不会工作。
很多认得板子都出现灯不良等许多情况、。
不过在多次检查修改后,在听到滴滴的间断声音的时候,大家都很开心。
参考文献
【1】陈永甫,555集成电路应用800例,北京电子工业出版社.1992.2【2】张晓东,报警集成电路和报警器制作实例,北京人民邮电出版社,2001.4
【3】综合电子论坛
【4】电子电路图站
【5】杨素行,模拟电子技术基础简明教程(第三版),高等教育出版社,2006.7
【6】余孟尝,数字电子技术基础简明教程(第三版),高等教育出版社,2006.7
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