叮咚门铃课程设计.doc

课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导老师： 工作单位：武汉理工大学理学院 题目：叮咚门铃电路设计初始条件：直流可调稳压电源一台、万用表一块、面包板一块、元器件若干、剪刀、镊子等必备工具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、 技术要求：设计一个叮咚门铃电路，设一个按钮，按下按钮时发出门铃的较高频率“叮”声，松开按钮，发出较低频率的“咚”声。门铃叮咚声的声音频率和声音持续时间可调。2、 主要任务：（一）设计方案（1） 按照技术要求，提出自己的设计方案（多种）并进行比较；（2） 以NE555时基集成电路为主，设计一个叮咚门铃电路（实现方案）；（3） 依据设计方案，进行预答辩；（二）实现方案（4） 根据设计的实现方案，画出电路逻辑图和装配图；（5） 查阅资料，确定所需各元器件型号和参数；（6） 在面包板上组装电路；（7） 自拟调整测试方法，并调试电路使其达到设计指标要求；（8） 撰写设计说明书，进行答辩。3、 撰写课程设计说明书：封面：题目，学院，专业，班级，姓名，学号，指导教师，日期任务书目录（自动生成）正文：1、技术指标；2、设计方案及其比较；3、实现方案；4、调试过程及结论；5、心得体会；6、参考文献成绩评定表时间安排：课程设计时间：18周19周18周：明确任务，查阅资料，提出不同的设计方案（包括实现方案）并答辩；19周：按照实现方案进行电路布线并调试通过；撰写课程设计说明书。指导教师签名： 年 月 日系主任（或负责老师）签名： 年 月 日叮咚门铃电路设计31 技术指标32 设计方案极其比较321 方案一3211 原理图3212原理分析3213 电路数据422 方案二4221原理图4222 原理分析4223 电路数据523 方案三5231原理图5232 原理分析5233 电路数据624方案比较63 实现方案63.1 器件介绍63.2 实现方案原理图73.3 电路器件73.3.1 NE555定时器的内部结构73.3.2 NE555定时器的工作原理8NE555定时器的管脚分布图93.3.3 NE555定时器的管脚分布图93.3.4 NE555定时器的功能表103.4 电路数据103.5 电路原理103.6 参数计算113.7 调节数据113.8 思考题114 调试过程及结论114.1 调试过程114.2 设计结论125 心得体会126 参考文献13本科生课程设计成绩评定表14叮咚门铃电路设计1 技术指标设计一个叮咚门铃电路，设一个按钮，按下按钮时发出门铃的较高频率“叮”声，松开按钮，发出较低频率的“咚”声。门铃叮咚声的声音频率和声音持续时间可调。2 设计方案极其比较21 方案一211 原理图 方案一原理图212原理分析由555电路组成的叮咚门铃电路的组成上可见，该电路是一个由555电路组成的音频振荡器，它的工作状态受4脚控制。静态时，C2通过R2、R3、R4充电，电压接近电源的电压，由于开关断开以及二极管的截止，C1两段电压为零，4脚复位端处于零电位，555定时器不工作。开关闭合之后，C1通过R1充电，从而使4脚电位升高，芯片开始工作，同 时C2通过R4从7脚放电，当2脚和6脚电压低于Vcc/3时，根据555定时器的工作原理，输出端输出高电平，门铃发出“叮”声。开关断开之后，C1通过R1放电，与此同时，电源继续给C2充电，当C2两端的电压高于2Vcc/3时，根据555定时器的工作原理，输出端输出低电平，门铃发出“咚”声。而且，由于C2的充电时间小于C1的放电时间，所以不会出现定时器先不工作的情况。213 电路数据R1=10K;R2=32K;R3=10K;R4=5K;C1=100u;C2=0.1u22 方案二221原理图 方案二原理图222 原理分析该叮咚电子门铃电路由触发控制电路、音频振荡器A，音频震荡器B和音频输出电路组成。音频控制电路：由门铃按钮S、二极管D1、电容C1和电阻R1、R2组成音频振荡器A：由四与非集成电路IC（D1D4）内部的D1、D2和电阻器R3、电容器C3组成音频振荡器B：由IC内部的D3、D4和电位器RP、电容器C4组成音频输出电路：由电阻器R4、R5、二极管VD6、VD7、晶体管V和扬声器BL组成。平时，两个音频振荡器均不工作，扬声器不发声。当按下门铃按钮S时，C1快速放电，两个音频振荡器同时工作，产生的音频信号经D2、D3混合后通过三极管放大，驱动扬声器发出“叮”声。当松开开关S后，C1快速充电，音频振荡器A停止工作，音频振荡器B产生的音频信号经三极管放大后，推动扬声器发出“咚”声223 电路数据R1=12K；R2=12K;R3=20K;R4=100K;R5=1K;Rp=6K;C1=47u;C2=0.022u;Cu23 方案三231原理图 方案三原理图232 原理分析该电路由555定时器以及相关电容、电阻、二极管组成的音频振荡器构成，它的工作状态同样受四脚控制。静态时，C2通过R2、R3充电，同时由于D1二极管的阻截，C1两端电压为零，故4脚端电压为零，振荡器不工作。闭合开关S后，C1通过R1充电，使4脚端电压升高，音频振荡器开始工作，同时C2通过R3放电，当2脚和6脚电压低于Vcc/3时，根据555定时器的工作原理，输出端输出高电平，门铃发出“叮”声。开关断开之后，C1通过R1放电，与此同时，电源继续给C2充电，当C2两端的电压高于2Vcc/3时，根据555定时器的工作原理，输出端输出低电平，门铃发出“咚”声。 233 电路数据R1=106K；R2=106K;R3=56K;R4=150K; C1=100u;C2=0.2u;C3=0.01u24方案比较2.3 方案比较图方案一方案二方案三器件的数目较少较多较少电路的数目较大比较大较大反应的速度较快比较快较快布线的复杂程度较简单较复杂较简单造 价较便宜较贵较便宜3 实现方案 经比较可知，方案一和方案三都比方案二更好，在此选择方案一作为实现方案 器件介绍 该电路图由NE555定时器以及相关的电阻、电容，二极管和扬声器组成音频振荡器构成 原理图 3.2 实现方案原理图 电路器件 NE555定时器的内部结构331（a） NE555定时器内部结构图 简化后的结构图:331（b） NE555定时器内部结构简化图 NE555定时器的工作原理(1)分压器 由三个5k的电阻串联组成分压器，其上端接电源VCC(8端)，下端接地(1端)，为两个比较器C1、C2提供基准电平。使比较器C1的“+”端接基准电平2VCC3(5端)，比较器C2的“-”端接VCCF的电容使5端交流接地，以旁路高频干扰。(2)比较器C1、C2是两个比较器。其“+”端是同相输人端，“-”端是反相输入端。由于比较器的灵敏度很高，当同相输入端电平略大于反相端时，其输出端为高电平；反之，当同相输入端电平略小于反相输人端电平时，其输出端为低电平。因此，当高电平触发端(6端)的触发电平大于2VCC3时，比较器A1的输出为低电平；反之输出为高电平。当低电平触发端(2端)的触发电平略小于VCC3时，比较器A2的输出为低电平；反之，输出为高电平。(3)基本RS触发器 比较器C1和C2的输出端就是基本RS触发器的输入端RD和SD。因此，基本RS触发器的状态(3端的状态)受6端和2端的输入电平控制。图中的4端是低电平复位端。在4端施加低电平时，可以强制复位，使Q=0。平时，将4端接电源VCC的正极。(4)放电开关图中晶体管VT构成放电开关，使用时将其集电极接正电源，基极接基本RS触发器的Q端。当Q=0时，VT截止；当Q=1时，VT饱合导通。可见晶体管VT作为放电开关，其通断状态由触发器的状态决定。3.3.3 NE555定时器的管脚分布图 NE555定时器的管脚分布图555的8脚是集成电路工作电压输入端，电压为518V，以UCC表示；从分压器上看出，上比较器C1的脚接在R1和R2之间，所以5脚的电压固定在2UCC/3上；下比较器C2接在R2与R3之间，C2的同相输入端电位被固定在UCC/3上。1脚为地。2脚为触发输入端；3脚为输出端，输出的电平状态受触发器控制，而触发器受上比较器6脚和下比较器2脚的控制。当触发器接受上比较器C1从R脚输入的高电平时，触发器被置于复位状态，3脚输出低电平；2脚和6脚是互补的，2脚只对低电平起作用，高电平对它不起作用，即电压小于1Ucc/3，此时3脚输出高电平。6脚为阈值端，只对高电平起作用，低电平对它不起作用，即输入电压大于2 Ucc/3，称高触发端，3脚输出低电平，但有一个先决条件，即2脚电位必须大于1Ucc/3时才有效。3脚在高电位接近电源电压Ucc，输出电流最大可打200mA。V时，不管2、6脚状态如何，输出端3脚都输出低电平。5脚是控制端。7脚称放电端，与3脚输出同步，输出电平一致，但7脚并不输出电流，所以3脚称为实高（或低）、7脚称为虚高。 NE555定时器的功能表 NE555定时器的功能表3.4 电路数据 R1=10K;R2=32K;R3=10K;R4=5K;C1=100u;Cu 电路原理 由555电路组成的叮咚门铃电路的组成上可见，该电路是一个由555电路组成的音频振荡器，它的工作状态受4脚控制。静态时，C2通过R2、R3、R4充电，电压接近电源的电压，由于开关断开以及二极管的截止，C1两段电压为零，4脚复位端处于零电位，555定时器不工作。开关闭合之后，C1通过R1充电，从而使4脚电位升高，芯片开始工作，同时C2通过R4从7脚放电，当2脚和6脚电压低于Vcc/3时，根据555定时器的工作原理，输出端输出高电平，门铃发出“叮”声。开关断开之后，C1通过R1放电，与此同时，电源继续给C2充电，当C2两端的电压高于2Vcc/3时，根据555定时器的工作原理，输出端输出低电平，门铃发出“咚”声。而且，由于C2的充电时间小于C1的放电时间，所以不会出现定时器先不工作的情况。 参数计算 按下开关时 （R为二极管的导通电阻）叮的频率f=1.44/(R+R3+2R4)*C2<720HzC2的充电时间t11=(R+R3+R4)*C2<(1.5*e-3)s C2的放电时间t12=R4*C2=(0.5*e-3)s松开开关时咚的频率f=1.44/(R2+R3+2R4)*C2=277HzC2的充电时间t< (R2+R3+R4)*C2=(4.7*e-3)sC2的放电时间t< R4*C2=(0.5*e-3)sC1的放电时间t=C1*R1=1s咚声的持续时间是1s3.7 调节数据 叮的频率：减小R、R3、R4，C2频率变大，反之则变小咚的频率：减小R2、R3、R4，C1频率变大，反之则变小咚的持续时间：减小C1、R1，则持续时间变短，反之则变长3.8 思考题 问题：能否用其他芯片实现本设计功能,如果能，给出电路原理图并分析其工作原理答：如上方案二所示，采用四个与非门加上相对应的电容电阻二极管同样实现了本设计功能。4 调试过程及结论 4.1 调试过程 在正式测试之前，我们先在开放实验室进行了预测试，也就是调试过程。但是由于之前二极管的正负判断失误，结果并未出现理想的波形和频率。修改了电路之后，我们又一次进行了测试，结果电路在开关闭合之后发出了高频的“叮”声，在断开开关之后一段时间里发出了低频的“咚”声。接着，我又把R2的阻值调高，以便让“叮”“咚”两声听起来差别更大，实验结果也正如预料到的那样。但是，新的问题又出现了，“咚”声持续的时间有些长，于是我再一次把R1的阻值调小，刚开始从42K跳到32K，效果并不明显，索性我直接把它调到10K，这次“咚”的持续时间终于缩短了。从而验证了理论计算的正确性。4.2 设计结论 从调试的整个过程，可以清楚的验证由NE555构成的叮咚门铃原理的正确性。正如上述原理分析所述，即静态时，C2通过R2、R3、R4充电，电压接近电源的电压，由于开关断开以及二极管的截止，C1两段电压为零，4脚复位端处于零电位，555定时器不工作。开关闭合之后，C1通过R1充电，从而使4脚电位升高，芯片开始工作，同时C2通过R4从7脚放电，当2脚和6脚电压低于Vcc/3时，根据555定时器的工作原理，输出端输出高电平，门铃发出“叮”声。开关断开之后，C1通过R1放电，与此同时，电源继续给C2充电，当C2两端的电压高于2Vcc/3时，根据555定时器的工作原理，输出端输出低电平，门铃发出“咚”声。同时也验证了决定叮咚频率高低以及咚声持续时间长短的器件极其参数，即叮的频率：减小R、R3、R4，C2频率变大，反之则变小咚的频率：减小R2、R3、R4，C1频率变大，反之则变小咚的持续时间：减小C1、R1，则持续时间变短，反之则变长5 心得体会 第一次做课程设计，真正体会到了“万事开头难”这句话的含义。从一无所知到选题到查资料到分析原理到连接、调试电路最后通过测试，完成实验报告，虽然只有短短的十天时间，但这一路走来，经历了很多，也学到了很多。首先是加深了对数电知识的了解，尤其是对555定时器的功能和用途有了更深入的认识。其实这学期的数电学的不是很好，直到期末复习的时候才感慨“相见恨晚”，幸运的是，课设给了我亲近它的机会，让我再一次体会它的强大，所以从始至终我很珍惜，也很用心。数电课本上555定时器原理介绍看了一遍又一遍，网上查的电路图也分析了一遍又一遍，直到确保万无一失了，才去预答辩。 其次是加强了理论结合实际的能力。一直以来，我们都局限在课本的理论知识上，较少有自己动脑设计电路动手连接电路的经历，而课设的全过程完全由我们自主进行，这无疑是一次理论结合实际的好机会，是一次培养创新能力的好机会。可惜的是，网络的便捷让我们这些学生变得懒惰了，丧失了主观能动性，而把所有的希望寄托在了电脑上。尽管如此，通过电脑我们还是先学到了不少。 再次是提高了动手能力。剪线、布线、连线、检查，这些环节无一不考察我们的动手操作能力。记得连线的时候，为了达到横平竖直的效果，不知道拆了多少次。当然，一个满意的作品摆在眼前的时候，心里是很兴奋的。 最后则是考验了实验者的心态，尤其是细心和耐心。虽然我们选的电路较简单，但是真正连对连好也不易。记得正式测试的前一天，我们去实验室预测试，却没有出现正确的频率和波形。我们一次又一次的检查修改，甚至一组的两个人交换检查，结果竟然也不好。幸好我一直保持冷静的态度，实在做不出来的时候，就去楼道里吹吹风，透透气。晚上回寝室之后又向邻班的同学请教，终于发现是二极管的正负判断出了问题，于是我们赶紧修改，又用他们的电源和耳机进行了测试，但是情况依然不乐观。第二天一大早起床之后，我又一次投入到了电路的检查和修改中，有些导线重新连接了一遍，检查无误再次测试的时候，依然没有声音，与此同时，同组同学的电路却发出声音了。我怀疑是芯片的问题，就用她的555进行测试，奇迹般的，声音终于发出来了。我立即换回自己的芯片，再次进行测试，也响了！我和同学一起找原因，发现是输出端的两根线靠在了一起，才导致没有声音发出来的，这下终于可以松口气了。回顾整个测试过程，真可谓“一波三折”，但是我没有焦躁不安，而是冷静的处理一个又一个问题，终于实现了预计的效果，我想这样的经历也是很好的吧。 第一次的课设就这样结束了，十天的时间当中，走过无知、走过失落，终于走到了测试的正确和最终报告的成型。想来这应该是这学期很有成就感的一件事，恩，不错！6 参考文献 1 康华光 电子技术基础 数字部分第五版 高等教育出版社 2 本科生课程设计成绩评定表姓 名穆晓燕性 别女专业、班级光信科0803课程设计题目：叮咚门铃电路课程设计答辩或质疑记录：问题一：方案一中，“叮”的频率有哪几个器件的参数决定？答：“叮”的频率由R(R为二极管的导通电阻)、R3、R4、C2的参数决定问题二：方案一中，“咚”声持续时间由哪几个器件的参数决定？答：“咚”声由C1、R1的参数决定成绩评定依据：评定项目考察点分数所占比例折合分数总成绩（百分制）方案设计及预答辩设计方案的合理性答辩30电路布线及调试电路布线的合理性电路的调试30说明书及答辩说明书撰写的规范性答辩40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