模电课程设计--防盗报警器设计.doc

郑州科技学院数字电子技术课程设计题 目 防盗报警器 学生姓名 贾 先 进 专业班级 10自动化2班 学 号 201042049 院 （系） 电气工程学院 指导教师 李 晓 娟 完成时间 2013年 3 月20 日 目 录摘 要11 课程设计的目的22 课程设计的任务与要求32.1 课程设计的任务32.2 课程设计的要求33 设计方案与论证33.1 设计方案33.2 电路分析与论证54 设计原理及功能说明84.1 设计原理84.2 功能分析85 单元电路的设计86 硬件的制作与调试126.1 电路的仿真126.2 元器件的调试137 总结13参考文献14附录1 总体电路原理图16附录2 元件清单17防盗报警器设计摘 要这几年来，随着改革开放的进一步开展，我国国民经济的迅速发展，人民的生活水平日益提高，人民居住条件也日益好转，生活环境也越来越好，因此，人们对生活质量的要求也大大提升了。对于日益增长的消费水平，人们也越来越不满意社会中昂贵的产品，所以他们急需一些廉价，实用的产品来满足自己的日常需要。因此，我们设计了一种价廉、性能灵敏可靠的家用报警器用于居民家中，以维护家庭的安全。为此，提出“防盗报警器”的设计任务。1 课程设计的目的 数字电子技术主要研究各种逻辑门电路、集成器件的功能及其应用，.逻辑门电路组合和时序电路的分析和设计、 集成芯片各脚功能。555定时器等。 随着计算机科学与技术突飞猛进地发展，用数字电路进行信号处理的优势也更加突出。为了充分发挥和利用数字电路在信号处理上的强大功能，我们可以先将模拟信号按比例转换成数字信号，然后送到数字电路进行处理，最后再将处理结果根据需要转换为相应的模拟信号输出。自20世纪70年代开始，这种用数字电路处理模拟信号的所谓“数字化”浪潮已经席卷了电子技术几乎所有的应用领域。数字电子技术课程设计是学生学习完模拟电路课程之后，针对课程的要求对学生进行综合训练的一个实践教学环节。其目的是培养学生综合运用理论知识，联系实际要求做出独立设计，并进行安装调试的实际工作能力。通过本教学环节，学生应达到如下要求：（1）能够综合运用数字电子技术课程设计中所学到的理论知识，结合课程设计任务要求适当自学某些新知识，独立完成一个课题的理论设计。从而做到理论与实践结合，以更好的为后续学习或工作打下基础。（2）会运用Multiuse工具（如EWB,PSPICE）,对所做出的理论设计进行模拟仿真测试，进行完善理论设计。（3）通过查阅手册和文献资料，熟悉常用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用元器件的原则。（4）掌握电路的安装，测试与调试的基本技能，熟悉电子器件的正确使用方法，能独立分析实验中出现的正常或不正常的现象（或数据），独立解决调试中出现的正常或不正常的现象（或数据），独立解决调试中所遇到的问题。（5）学会撰写课程设计报告（6）培养实事求是，严谨的工作态度和严肃认真的工作作风。（7）能够灵活运用各种元器件的组合电路实现自己理想中的电路功能。2 课程设计的任务与要求2.1 课程设计的任务（1） 设计出一种报警器，具有灵敏的防盗报警的功能。（2） 该设计应拥有很高的灵敏度。（3） 设计出的产品应该具有简单，实用，价格实惠，灵敏度高的功能。2.2 课程设计的要求 本设计材料简单，设计精巧，价格实惠，是一件很实用的工具。（1） 本设计采用6v直流电压，用来提供足够的能源。（2） 本设计采用了555定时器来实现功能。（3） 本设计采用喇叭与灯的结合作用。（4） 本设计具有了很高的灵敏度。3 设计方案与论证3.1 设计方案方案1电路原理图如下所示图3.1.1 方案1原理图本方案采用了555定时器，其工作原理是接通开关S时，由于a、b间接有铜丝，因此复位端4接地。因此555定时器复位置0，扬声器中无电流通过，不发声。如果盗贼碰断铜丝，则4点悬空，获得高电平，555定时器接成多谐振荡器开始工作，由3端输出矩形脉冲。方波经电容隔直供给扬声器，扬声器发出声音。其优点是简单，便于操作简便。但是缺点很多，灯与铃不能分离工作，所以我们想到了第二方案。方案2电路原理图如下图所示图3.1.2 方案2原理图本方案采用了两个555定时器芯片，分别用来控制灯光和扬声器的工作。其工作方式是当开关K2闭合时，电源处于工作状态。3.2 电路分析与论证555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V16V工作，7555可在 318V工作，输出驱动电流约200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。 555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3 。555电路的工作原理是它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5K的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为和。A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。 是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接VCC。 Vc是控制电压端（5脚），平时输出作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。 T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。555定时器单稳态触发器 图3.2.1 555构成单稳态触发器 上图为由555定时器和外接定时元件R、C构成的单稳态触发器。555定时器构成多谐振荡器 由555定时器和外接元件R1、R2、 C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。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R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端放电，使电路产生振荡。电容C在和之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波，对应的波形如图8-5所示。图2.2.2 555构成多谐振荡器 图2.2.3 波形图输出信号的时间参数是： T=0.7（R1+R2）C=0.7R2C其中，为VC由上升到所需的时间，为电容C放电所需的时间。555电路要求R1与R2均应不小于1K，但两者之和应不大于3.3M。外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。因此，这种形式的多谐振荡器应用很广。4 设计原理及功能说明4.1 设计原理电路经过电源的能量供应，通过开关的作用来控制电流的输出，然后由555定时器电路作用来稳定电路的正常运行。最后用两个开关用来满足LED灯和蜂鸣器之间的切换，从而达到我们理想中报警器设计理念。4.2 功能分析电路是由电源部分和555定时器，以及一些基本元件构成的。电源部分：本设计是由6v电压来供应电路的稳定，此电源方便安全，便于更换。 555定时器部分：本设计是采用由555定时器构成的施密特电路。5 单元电路的设计555定时器构成的施密特电路施密特触发器可以利用简单的隧道二极管实现，这种二极管的伏安特性在第一象限中是一条“N”形曲线。振荡输入会使二极管的伏安特性从“N”形曲线的上升分支移动到另一分支，然后在输入值超越上升和下降翻转阈值时回到起点。不过，这类施密特触发器的性能可以利用基于晶体管的元件来提升，因为基于晶体管的元件可以通过非常直接的利用正反馈来提升翻转性能。施密特触发器常用接入正反馈的比较器来实现。对于这一电路，翻转发生在接近地的位置，迟滞量由R1与R2的阻值控制。比较器提取了两个输入之差的符号。当非反相（+）输入的电压高于反相（-）输入的电压时，比较器输出翻转到高工作电压+Vs；当非反相（+）输入的电压低于反相（-）输入的电压时，比较器输出翻转到低工作电压-Vs。这里的反相（-）输入是接地的，因此这里的比较器实现了函数符号，具有二态输出的特性，只有高和低两种状态，当非反相（+）端连续输入时总有相同的符号。 由于电阻网络将施密特触发器的输入端（即比较器的非反相（+）端）和比较器的输出端连接起来，施密特触发器的表现类似比较器，能在不同的时刻翻转电平，这取决于比较器的输出是高还是低。若输入是绝对值很大的负输入，输出将为低电平；若输入是绝对值很大的正输入，输出将为高电平，这就实现了非反相施密特触发器的功能。不过对于取值处于两个阈值之间的输入，输出状态同时取决于输入和输出。例如，如果施密特触发器的当前状态是高电平，输出会处于正电源+Vs上，。这时V+就会成为Vin和+Vs间的分压器。在这种情况下，只有当V+=0（接地）时，比较器才会翻转到低电平。由电流守恒，可知此时满足下列关系：因此必须降低到低于-R1Vs/R2时，输出才会翻转状态。一旦比较器的输出翻转到Vs，翻转回高电平的阈值就变成了+R1Vs/R2。这样，电路就形成了一段围绕原点的翻转电压带，而触发电平是R1Vs/R2。只有当输入电压上升到电压带的上限，输出才会翻转到高电平；只有当输入电压下降到电压带的下限，输出才会翻转回低电平。若R1为0，R2为无穷大（即开路）。电压带的宽度会压缩到0，此时电路就变成一个标准比较器 。输出特性如右图所示。阈值T由R1Vs/R2给出，输出M的最大值是电源轨。输出特性曲线与上述基本配置的输出曲线形状相同，阈值大小也与上述配置满足相同的关系。不同点在于上例的输出电压取决于供电电源，而这一电路的输出电压由两个齐纳二极管确定。在这一配置中，输出电平可以通过选择适宜的齐纳二极管来改变，而输出电平对于电源波动具有抵抗力，也就是说输出电平提高了比较器的电源电压抑制比（PSRR）。电阻R3用于限制通过二极管的电流，电阻R4将比较器的输入漏电流引起的输入失调电压降低到最小。在使用正反馈配置实现的施密特触发器中，比较器自身可以实现的大部分复杂功能都没有使用。因此，电路可以用两个交叉耦合的晶体管来实现（即晶体管可以用另外一种方式来实现输入级）。基于2个晶体管的施密特触发电路如下图所示。通路RC1 R1 R2设定了晶体管T2的基极电压，不过，这一分压通路会受到晶体管T1的影响，如果T1开路，通路将会提供更高的电压。因此，在两个状态间翻转的阈值电压取决于触发器的现态。对于如上所示的NPN晶体管，当输入电压远远低于共射极电压时，T1不会导通。晶体管T2的基极电压由上述分压电路决定。由于接入负反馈，共射极上所加的电压必须几乎与分压电路上所确定的电压几乎一样高，这样就能使T2导通，并且触发器的输出是低电平状态。当输入电压（T1基极电压）上升到比电阻RE上的电压（射极电压）稍高时，T1将会导通。当T1开始导通时，T2不再导通，因为此时分压通路提供的电压低于T2基极电压，而射极电压不会降低，因为T1此时消耗通过RE的电流。此时T2不导通，触发器过渡到高电平状态。此时触发器处于高电平状态，若输入电压降低得足够多，则通过T1的电流会降低，这会降低T2的共射极电压并提高其基极电压。当T2开始导通时，RE上的电压上升，然后会降低T1的基极射极电位，T1不再导通。在高电平状态时，输出电压接近V+；但在低电平状态时，输出电压仍会远远高于V。因此在这种情况下，输出电压不够低，无法达到逻辑低电平，这就需要在触发器电路上附加放大器。上述电路可以被简化：R1可以用短路连接代替，这样T2基极就直接连接到T1集电极，R2可以去掉并以开路代替。电路运行的关键是当T1接通（电流输入基极的结果）时，通过RE的电流比T1截止时小，因为T1导通时会使T2截止，而当T2导通时，相比T1会为RE提供更大的通过电流。当流入RE的电流减小时，其上的电压会降低，因此一旦电流开始流入T1，输入电压一定会降低以使T1回到截止状态，这是因为此时T1的射极电压已降低。这一施密特触发缓冲器也可以变成一个施密特触发反相器，而且在此过程中还能省去一个电阻，方法是将RK2以短接代替，并将Vout连接到T2射极而不是集电极。不过在这种情况下，RE的阻值应该更大，因为此时RE要充当输出端的下拉电阻，作用是当输出应该为低电平时，其会降低输出端的电压。若RE的阻值较小，其上只能产生一个较小的电压，在输出应该为数字低电平时，这一电压实际上会提高输出电压。6 硬件的制作与调试6.1 电路的仿真本次设计中所用的元器件均由Multiuse工具仿真软件得出的最佳配置，因此我们经过认真的核算和现场的购买，终于将所有元器件购回。在经过总电路图的比对和自己的精心设计制作出所产品的各个硬件部分，经过最后的整合才能得出产品的雏形。图6.1.1 电路仿真图6.2 元器件的调试通过进行仿真电路的测试与不断地调试等工作，我们终于得出理想中的电路设计图，并进行了合理的电路布局和测试。7 总结总 结一周的数电课程设计已经接近尾声了，在这一个星期的电路分析和仿真电路中，我学习到了很多东西。进行电路设计时，我们要充分的分析我们要进行的报警器的功能，根据自己的理想要求来设计自己的电路。这些都充分锻炼了我们的逻辑思维能力，并对十分生硬的理论知识有了充分地认识。通过这次的数电课程设计，我们掌握了各种元器件的识别与测试；熟悉了各种常用测量仪器的使用方法；了解了电路的正确连接方法；如何正确布局电路板；如何准确无误的焊接电