《声控报警器设计》课件.doc

前前 言言随着电子技术的不断发展，模拟电子技术的缺点和局限性越发明显，模 拟电子技术的不稳定性、易干扰性等大大限制了其应用，且有阻碍电子技术发 展的趋势。19 世纪兴起的数字电路以其先天的便捷、稳定的优点在现代电子 技术电路中占有越来越重要的地位。数字电路与模拟电路相比有显而易见的稳定性。近年来，数字电路又有了巨大的发展。可编程逻辑器件（PAL、GAL 等）的发展和普及最终使 IC 的设计面向了用户（这是模拟电路无法做到的） ，而这毫无疑问会给用户带来巨大的便捷，从而奠定它在电子电路中的对位。随着集成技术的进一步提高，各种新技术的出现和应用，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的宏伟蓝图中。新世纪里谁掌握了新技术谁就得到了获胜的资本，也仅仅是资本而矣。新世纪里电子行业的发展速度令人窒息，闻名的摩尔定律更把许多人威吓在门外。可以展望，一个由数字构成的新世界即将出现。那将是人类文明的又一飞 跃。1目录目录引 言6 1. 设计任务及要求6 2. 方案论证和选择6 3. 系统框图6 4. 电路的工作原理74.1 声音采集放大 74.2 时钟信号产生电路 74.2.1 NE55574.2.2 由 NE555 构成单稳态触发电路104.2.3 由 NE555 构成的多谐振荡电路 114.3 报警电路13 5. 电路板的组装135.1 原理图的设计135.2 电路板制作过程14 6. 电路的调试146.1 调试仪器146.2 调试方法和过程146.3 调试所遇问题15 7. 测试结果16 8. 改进意见16 9. 总 结16参考文献17 附 录182引引 言言本课程设计利用压电陶瓷片作为声传感器获得电压，经放大后触发单稳态 触发器和多谐振荡器,输出驱动蜂鸣器和发光二极管工作报警。1 、设计任务及要求1.采用压电陶瓷片作声传感器；2.选择适当的放大器，将传感器的信号放大后，触发报警电路；3.报警方式为声音及发光管。2、 方案论证和选择方案 1 ：采用压电陶瓷片采集声音信号，采用 LM324 放大经过反向后输出， 输出信号触发单稳态触发器和多谐振荡器工作，触发报警电路，但是使输出反 向比较麻烦且元件利用率不高，LM324 只利用了其中一部分，并且触发信号没 必要太大，不予采用； 方案 2 ：采用压电陶瓷片采集声音信号，经三极管 C9013 反向放大后触发一 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，发光二极管 和蜂鸣器两端用稳压管使电压稳定，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；方案 3 : 在方案 1 的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，仍然采用稳压管使其稳压，稳压管的稳压值不能高于 5V，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3 3、 系统框图系统框图3声音采集电路放大电路单稳态触发器多谐振荡器报警电路4 4、 电路的工作原理电路的工作原理4.1 声音采集放大压电蜂鸣片由压电陶瓷片和金属振动板粘贴而成，由振荡电路激励，通过 压电效应，采集声音信号并将其转换为电信号，压电陶瓷片是一种结构简单、 轻巧的电声器件，因具有灵敏度高、无磁场散播外溢、不用铜线和磁铁、成本 低，耗电少、修理方便、便于大量生产等优点而获得了广泛应用。适合超声波 和次声波的发射和接收，比较大面积的压电陶瓷片还可以运用检测压力和振动， 工作原理是利用压电效应的可逆性，在其上施加音频电压，就可产生机械振动， 从而发出声音。如果不断对压电陶瓷片施加压力它还会产生电压和电流。图 1 压电陶瓷片的振动方式这部分电路比较简单，由压电陶瓷片采集声音，使其转换为电信号，经过三极 管共射反向放大后触发由 555 构成的单稳态时基电路。放大倍数只要够大就能 够触发后面电路工作。4.2 时钟信号产生电路44.2.1 NE555NE555 是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。NE555 的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。NE555 时基电路有两种封装形式有，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 分属不同的公司生产的产品。内部结构和工作原理都相同。NE555 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.NE555 属于 cmos 工艺制造. NE555 引脚图介绍如下: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 应用十分广泛.下面是一个简单的 ne555 电路应用5图 2 NE555 内部结构图6图 3 NE555 内部引脚图NE555 时基集成芯片的电路结构和芯片引脚图如图 1 所示。他含有两个电 压比较器 C1、C2，一个基本 RS 触发器，一个放电开关管 Td，比较器的参考电 压由三只 5K 的电阻构成的分压器提供。分压器分别使高电平比较器 C1 的同相 输入端和低电平比较器 C2 的反相输入端的参考电平为 2Vcc/3 和 Vcc/3。C1、C2 的输出端控制 RS 触发器状态和放电管开关状态。当输入信号 从 6 脚输入并超过参考电平 2Vcc/3 时，触发器复位，555 的输出 3 脚为低电 平，同时放电开关管导通。当输入信号从 2 脚输入并低于 Vcc/3 时，基本 RS 触发器置位，555 的输出 Vo 为高电平，同时放电开关管截止。74 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 器的参考电压，不接外加电压时，5 脚通常接一个 0.01uF 的电容到地，用来 消除外来的干扰，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的 电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。利用它可以构成从微秒到 数十分钟的延时电路、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。4.2.2 由 NE555 构成的单稳态触发器电路图 4 由 NE555 构成的单稳态触发器电路由 NE555 构成的单稳态触发器如图 3 所示，将 555 定时器的 2 号脚作为 外触发信号的输入端，将 THR 输入端与放电三极管 TD 的放电端 DISC 连在一起， 并接在 RC 回路中的 VC 端。 单稳态触发器的外触发信号的有效电平为低电平，如果没有触发信号，V1 处于高电平（V12>VCC/3） 。这时，放点三极管导通 VC 约为 0，即 V112VCC/3 时，如果此时输入的触发已消失，V1 回到 高电平，则 RS 触发器将被置 0，输出返回 V0=0 状态，同时 TD 变为导通状态， 电容 CA 通过 TD 迅速放电，直到 VC 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 相应的电压波形如图 4 所示：图 5 由 NE555 构成的单稳态触发器工作波形图单稳态触发器的脉冲宽度为Tw=1.1RA*C通过改变改变 RA、C 的大小,可以使脉冲宽度在一定的时间内变化，因此可以得到不同的定时时间和延迟时间。4.2.3 由 NE555 构成的多谐振荡电路9图 6 由 NE555 构成的多谐振荡器用 555 定时器构成的多谐振荡器电路如图 5 所示。R 由 RA 和 RB 两只电 阻组成，两个电阻的中点接到放电三级管 Td 的放电端 7 脚。比较器电压由电 源 Vcc 经三个电阻分压形成。外接控制电压输入端未用，经 0.01uF 电容接地， 以防干扰。 电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电 源通过 RA,RB 向 C 充电，以及 C 通过 RB 向放电端放电，使电路产生振荡。电 容 C 在 Vcc/3 和 2Vcc/3 之间充电和放电，其波形如图 6：图 7 由 NE555 构成的 多谐振荡器工作波形图10输出信号的时间参数是:T=tHtL；tH=0.7(RA+RB)C；tL=0.7RBC。4.3 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，在蜂鸣器与发光二极管 两端并联一个稳压二极管，起到保护作用，保证报警电路两端电压不至于过高， 并能够使其稳定工作。5 5电路板的组装电路板的组装电路的设计由计算机来完成，电路的设计广泛采用 Protel 软件来设计， 该软件具有高度的集成性与扩展性，并具有仿真功能，但是该功能不强，用 Protel 进行电路设计步骤如下图所示：5.1 原理图的设计原理图的设计过程如下图（见下页）：绘制原理图运行软件加载 元件库生成 PCB布局元件 并布线（1）加载元器件库，在绘制电路原理图之前，将所需的原理图元件库装入原理图编辑器；（2）绘制原理图，根据自己的设计原理，绘制原理图；（3）生成 PCB，布局元件，布线，电脑布线并不十分令人满意，可以手动调整； 115.2 电路板制作过程电路板是用绝缘材料做成的表面附铜的板子，PCB 的线宽要大于0.5mm，否则制作的时候容易断，接触也不是很好，地线、电源线和信号源线要大于 0.7mm，另外，孔的大小也要合理，要根据元件的管脚来设置。熨烫、腐蚀、 打孔打印 PCB焊接元件检查（1）熨烫：将热转印纸倒敷在铜板有铜的那一面，用电熨斗熨到铜板上，熨斗的温度不能太高，不能熨烫过久，久的话纸上面的一层膜容易粘到板子上面，腐蚀的时候不容易腐蚀掉，给腐蚀造成一定的难度；（2）腐蚀：熨烫好的铜板待冷却后，将印上电路图的铜版放入氯化铁溶液中，氯化铁的浓度高腐蚀的速度也会比较快，腐蚀过后洗掉墨线；（3）打孔：要注意孔的尺寸，根据孔和元件的大小来选择钻头的大小；（4）焊接：放置元件，从比较矮的器件到比较高的器件，器件越贴近电路板越好，这样可以减小干扰。注意焊接容易接成短路，焊点不要太大，防止虚焊。（5）检查：检查是否虚焊、短路和断路，管脚位置是否正确。6. 电路的调试6.1 调试仪器DT9202 数字万用表1 个6V 直流稳压电源1 台示波器 1 台6.2 调试方法和过程12电路板做好后即可进行调试步骤如下：（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有一根断线，可能是在腐蚀的时候和其他电路板碰在了一起，使墨线断掉了；（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，将电源正确的接在电路的正负两端，此时绿灯亮，测量芯片的工作电压是否正常，测试为 5.89V，能使芯片工作正常；（5）正确插上芯片，接上压电陶瓷片，击掌，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的情况下在测试，没有现象证明灵敏度不够，开始改变电阻的阻值，直到电路能够正常工作；（6）在确保电路连接正确的情况下，按设计的方案验证实现的功能。6.3 调试所遇问题及问题的解决：1.当没有报警的时候，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，最后确定为稳压管工作不正常，经检查后发现稳压管被 击穿，两端电阻为 0，可能是由于刚开始测试的时候万用表的表笔接触使短路， 以上两种情况只能更换元件； 3.前面做过的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，虽然都是用的单稳态和多谐振电路，但是前面的电路不能使这 两部分电路触发工作，放大部分的电路电阻值没有正确设置，射极应该直接接 地，如果有一个大电阻的话输出就不是低电平，不能触发单稳态工作，导致后 面电路不能正常触发，改变电阻阻值，采用合理的接法，射极接地，集电极用 大的电阻，保证反向放大器输出低电平；b. 有一些元件是多余的，甚至是副作用的，当时没有完全了解放大电路的具 体结构，没能改出来，后面到图书馆借阅了关于放大电路的书籍，研究一下放 大电路，发现没有必要用电容在放大电路中，减少了一些没有用的元件，用反 向放大器使信号反向放大，触发单稳态电路及后面电路工作；c. 电容使用不当，造成自激，造成接通电源就会报警，但是不是正常的报警， 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 定及正常工作的情况下去掉多余电容就能使放大部分正常工作。137. 测量结果经测量计算，三极管工作在正常状态，Ebc=0.64V,在 0.6V-0.7V 之间，正常工作，U1、U2 工作电压为 5.84V，分析原因为电源电压不稳定，有跳变，但是电压在 5V12V 之间就能够正常工作，从工作电压可以看出，555 工作在正常状态，当没有压电陶瓷片采集声音时电路不工作，当有压电陶瓷片时，只要有声音，电路立即工作，并且能够按照预想的状态报警，表明电路调试成功。8. 改进意见如果使用的地方比较大，可以多用几个压电陶瓷片进行多方位的监视，压 电陶瓷片为并联接法，也可以再多用几个蜂鸣器和发光二极管并联使用到不同 的地方，增加报警所达到的范围，能达到较好的防盗报警功能，但是缺点是没 有识别系统，也就是说无论是谁只要在一定范围内发出声音都会报警（只要发 出的声音能够触发该报警电路） ，所以这个报警系统如果加上识别系统才够完 美，但是这个成本就较高了；9. 总 结经过两个星期的实习，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我也失落过，也 曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴 无不令我回味无长。首先要认清问题，认真分析问题，只有认真地去分析问题才能更好的解决 问题，分析问题时必须具备细心，耐心，恒心和毅力，同时还要实事求是地分 析问题，不能为了应付课设的验收，更不能为了做电路板而做电路板，要为了 提高自己的动手能力，提高理解知识为目的，做电路板的每一步都要细心、耐 心，认真考虑所遇到的问题，在实践中不断提高分析和动手能力。通过这次课 程设计,提高了分析问题能力和动手能力，并验证了理论知识，通过实际测试， 理论值和实际值有一定的差别，但是是在误差的允许范围内。同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开 团队，必须发扬团结协作的精神。某个人的离群都可能导致导致整项工作的失 败。实习中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一 个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们实习成功的一项非 常重要的保证。而这次实习也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。14对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富， 经历是一份拥有。这次实习必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！ 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.2002 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.高教育出版社.第四版.1999 年15附 录16附图附图 1 1 原理图原理图17附图附图 2 2 PCBPCB 图图18元件清单：元件清单： PartPart TypeTypenamenametotaltotal 0.01UC 非极性2 1KR11 1MR21 1UC4 极性1 2.2MR31 3.9v 稳压二 极管D21 3v 稳压二极 管D31 10KR2 10KW11 100ufC 极性1 555U2 CON2J14 LEDL1 红1 LEDDG1 绿1 NPN 9013Q11 SPEAKERLS11 SW-SPDTS11 压电陶瓷片J21