基础课程设计采用压电陶瓷设计震动报警器

1、电子课程设计报告电子技术课程设计报告设计课题：采用压电陶瓷元件设计震动防盗报警器 专业班级： 09级电子信息工程02班 设计时间：2011.10.102011.11.25 一. 方案的提出与选择4方案1. 采用压电陶瓷元件设计震动防盗报警器4方案2. 具有时间识别功能的门锁报警器5方案3. 停电来电报警器6方案的选择与放弃原因7二. 总体方案分析7三. 单元电路及主要元器件分析71.tl071输入运算放大器简介72.触发电路93.三极管bc54894.主要元件介绍：555定时器10四. 电路最终总视图13五.实验器件总体列表一览15六.电路参数计算16七.实验箱模拟16八.电路安装调试20九.

2、电路板焊接20十.试验问题分析23十一. 电路修改及拓展24十一. 参考文献25一. 方案的提出与选择方案1. 采用压电陶瓷元件设计震动防盗报警器（最终选定方案） 图1采用压电陶瓷元件设计震动防盗报警器1.电路简介该电路模拟一种地震仪的原理来检测震动和声波的，具有一定的灵敏度、精度和较强的使用性、趣味性。可用于实验性的地震监测报警和生产、生活、工作中的各种震动检测，也可检测由动物和人类活动引起的振动， 还可以用于对普通振动的研究及学生科技活动。2.电路工作原理电路采用一个普通的压电陶瓷元件作为振动检测传感器。正常情况下它相当于一个几nf容量的电容器，有电压加在其两端时，它便存储电荷。当它振动而

3、受到干扰时就会通过电位器vr1放电，并在电位器vr1上端产生一个电压，从而改变集成运算放大器ic1的输入端2、3脚的电压，产生一个压力差使其输出端6脚产生一个高电平，触发开关三极管vt1（q1）导通，第一个二极管led1（d1）放光，t1又触发单稳态电路ic2的芯片ne555开始工作。2脚的输入一个低电平，3脚输出一个高电平，高电平定时周期由r1和c5的大小决定（定时长短t=1/rc），在周期内，由于三脚高电平使三极管vt2（q2）导通，二极管led2（d2）放光提示，同时蜂鸣器开始发声报警。（该电路根据资料于proteus上模拟，仅为蓝本，后有多处改进，后面将会一一详细介绍，）方案2. 具有

4、时间识别功能的门锁报警器 图2 具有时间识别功能的门锁报警器1.电路简介该报警器具有时间识别功能，主任开门是正常开门，一般30s内可完成开门动作，因此它不会报警；陌生人试着开门或小偷撬门不是正常开门，通常飞逝较长，一旦时间超过30s，它就会发出报警声，具有较大的实用 价值。2.电路原理时基电路ic1与r1、c1组成暂稳态时间t=4min左右的单稳态触发器，平时ic1处于稳态，其3脚输出低电平，vt1截止，vt2导通，电容c2被vt2短接不能充电，时基电路ic2的阀值端6脚为高电平，3脚输出为低电平，报警声集齐电路ic3无供电不工作，扬声器b无声。m是触摸电极片，与金属门锁相连。当有人开锁时，人

5、体感应的杂波的负半周加至ic1的触发器2脚，使ic1进入暂态，3脚输出高电平，此时三极管vt1导通，vt2截止，电源可通过r4对c2充电，随着充电时间的演唱，ic2的2脚电位不断下降，约经30s，ic2翻转，其三脚输出高电平，使ic3得电工作报警。如果开门时间在30s内，则ic2的3脚为低电平，电路不会报警。报警声响持续时间由ic1的暂态时间t1决定，t1=1.1r1*c1=4min，4min后，ic1的3脚输出低电平，vt1截止，vt2导通，ic3失电，报警声停止。如果再次触碰门锁超过30s，电路又会重新报警。方案3. 停电来电报警器 图3 停电来电报警器1.电路简介电路运用于普通家庭用电2

6、20v供电源，可以在市电电源停电、来电时自动报警，声响可持续1030s。 2.电路原理合上电源开关sa，220v交流电经变压器t降压，整流桥vc整流=电容c1滤波，并通过电位器rp向电容c2充电。由于电容两端电压不恩呢个突变，所以三极管vt1无基极偏压而截止，复合管vt2、vt3导通，扬声器b发出声响，告诉送点开始。随着c2两端电压的升高，使vt1导通，vt2、vt3失去基极偏压而截止，送点报警结束，报警时间可根据需要调节电位器rp及c2容量而改变。这时电容c3已充足电，为停电报警做好准备。当停电时，电容c2通过二极管vd1=电阻r2迅速放电，vt1截止。电容c3开始经电阻r3，r4及复合管的

7、be结放电，vt2，vt3因此而导通，扬声器发出报警声。当c3放电到电压很低时（约0.5v），vt2、vt3截止，停电报警结束，报警时间可调节电容c3的容量加以改变。 方案的选择与放弃原因：方案1为最终选定方案。三个方案相比，方案2对于现代社会门锁防盗实用性太低，局限性太明显，方案3运用于220v市电电路，实验室模拟危险性显然较大。相比之下，方案1可应用于保险箱，地震预报等各种生活科研实践中，且实验所用压电陶瓷元件平时接触少，扩展了课程实践的趣味性，实验所用为9v稳压直流电源，安全性可以保障，加上其余核心器件的要求，方案1更适合在实验室设计，模拟，安装，完成。所以，最终确定方案1为最终选定方案

8、。二. 总体方案分析本设计主要是利用时基电路ne555组成的单稳态触发电路设计并制作触摸式防盗报警装置。本设计将研究组成触摸式报警器的整个电路的性质和基本概况，学习触摸式传感器的本质特征。对此次设计做出概括分析，并进行改进处理，利用电路图绘制软件，重新绘制电路图，设计最终电路板，并通过书籍教材及网络信息查找相关资料。触摸式传感器实际上就是一个触摸式电子开关，他一个压电陶瓷元件将触摸震动过程转化为电信号，并进而变成开关信号输出。对该报警器使用的元器件的内部构造和使用进行了分析。对各元器件在电路中的作用进行分析研究。同时在各个单元学习之后，进行了电路的绘制，设计了最终电路板，并运用proteus软

9、件进行仿真试验。通过此次设计制作，了解触摸式防盗报警器的制作过程。电路原理：电路采用一个普通的压电陶瓷元件作为振动检测传感器。正常情况下它相当于一个几nf容量的电容器，有电压加在其两端时，它便存储电荷。当它振动而受到干扰时就会通过电位器vr1放电，并在电位器vr1上端产生一个电压，从而改变集成运算放大器ic1的输入端2、3脚的电压，产生一个压力差使其输出端6脚产生一个高电平，触发开关三极管vt1（q1）导通，第一个二极管led1（d1）放光，t1又触发单稳态电路ic2的芯片ne555开始工作。2脚的输入一个低电平，3脚输出一个高电平，高电平定时周期由r1和c5的大小决定（定时长短t=1/rc）

10、，在周期内，由于三脚高电平使三极管vt2（q2）导通，二极管led2（d2）放光提示，同时蜂鸣器开始发声报警。三.单元电路及主要元器件分析1. tl071输入差分运算放大器简介 （1）差分放大器的简介差分放大器是一种特殊的直接耦合放大器，它能有效的抑制零点漂移；它的基本性能是放大差模信号、抑制共模信号；常用共模抑制比来表征差分放大器对共模信号的抑制能力；稳流电阻的增加可以提高共模抑制比；但稳流电阻不能太大，因此采用恒流源取代稳流电阻，从而进一步的提高共模抑制比。差分放大器要求电路两边的元器件完全对称，即两管型号相同、特性相同及各对应电阻值相等。但实际中总是存在元器件不匹配的情况，从而产生失调漂

11、移。为了消除失调漂移，实验电路采用了发射极调零电路来调节电路的对称性；同时由于调零电路引入了负反馈，所以电路得以以牺牲增益为代价获得了线性范围的扩展。差分放大器的有双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入单端输出、单端输入双端输出四种连接方式；实验电路采用单端输入单端输出的连接方式。 （2）静态工作点的调整实验电路通过调节电位器rp使两个三极管的集电极电压相等来调节电路的对称性，完成电路的调零。 （3）静态工作点的测量静态工作点的测量就是测出三极管各电极对地直流电压vbq、veq、vcq，从而计算得到vceq和vbeq。而测量直流电流时，通常采用间接测量法测量，即通过直流电压来换算得到直流

12、电流。这样即可以避免更动电路，同时操作也简单。 （4）电压放大倍数的测量差分放大器有差模和共模两种工作模式，因此电压放大倍数有差模电压放大倍数和共模电压放大倍数两种。在差模工作模式下，差模输出端uod1是反相输出端，uod2是同相输出端，则差模电压放大倍数为： 在共模工作模式下，共模输出端uoc1、uoc2均为反相输出端，则共模电压放大倍数为： 电路的共模抑制比kcmr为： 或 （5）输入电阻的测量差分放大器差模输入电阻ri远小于测量仪表的内阻，所以测试采用图1-2所示的测试方法。在信号源和电路的输入端之间串接一个电阻r，将微小的输入电流ii转换成电压进行测量；在输出波形不失真的情况下输入信号

13、ui，测量出us及ui，则输入电阻为： 图4 输入电阻测量原理图 图5 输出电阻测量原理图可以证明，只有在时测量误差最小；同电阻r的准确度直接影响测量的准确度，电阻r不宜取得过大，否则易引入干扰；也不宜取得过小，否则易引起较大的测量误差。因此，电阻r应选择精密的电阻，同时选取r和ri一个数量级，且rri，以减小测量误差。 （6）输出电阻的测量 差分放大器差模单端输出的输出电阻ro的测量采用图1-3所示的测试方法。开关k打开时测出uo，开关k闭合时测出uol，测输出电阻为：可以证明，只有在时测量误差最小；同时电阻rl的准确度直接影响测量的准确度，因此电阻rl应选择精密的电阻，同时选取rl和ro一

14、个数量级，且rlro，以减小测量误差。 （7）差模传输特性的测量差模传输特性是指差分放大器在差模信号输入时，输出电流ic随输入电压uid的变化规律。由于在电路确定以后，输出电流-ic1（-ic2）的变化规律与uc1（uc2）的变化规律完全相同，而且测量电压比测量电流要方便，所以可以用示波器来测量差模传输特性曲线；差分放大器的差模单端输出特性曲线如图1-4所示，差模双端输出特性曲线如图1-5所示。 图6 差模单端输出直流传输特性曲线 图7 差模双端输出交流传输特性曲线 附： 图8 tl071符号标识 图9 tl071管脚图 2. 触发电路 图10 触发电路 该电路的核心器件为一差分放大器，在保持

15、压电陶瓷元件无震动的状况下调节电位器使2,3脚电位相同，在有震动或触摸时压电陶瓷放电，导致2,3脚产生电平差，从而使6脚产生一高电平，给下面的电路以工作信号。3. 三极管bc548 图11 图12电路中所用到的两个三极管作用均相当于开关，当基极b输入高电平时，三极管导通，电源电压加载到二极管/喇叭电路上去，使器件开始工作。 4. 主要元件介绍：555定时器集成时基电路又称为集成定时器或555电路，是一种数字，模拟混合型的中规模集成电路，应用十分广泛。它是一种产生时间延迟和多种脉冲信号的电路，由于内部电压标准使用了三个5k的电阻，故取名555电路。 555电路的内部电路框架图如下图所示：图13

16、555内部电路及引脚位配置555定时器的内部电路由分压器，电压比较器c1和c2，简单sr锁存器，放电三极管t以及缓冲器g组成，3个5k的电阻串联组成分压器，为比较器c1，c2提供参考电压。当控制电压端（5）悬空时，比较器c1，c2的基准电压分别为2vcc/3和vcc/3。放电三极管t为外接电路提供放电通路，在使用定时器时，该三极管的集电极（7）脚一般都要外界上拉电阻。当v112vcc/3，v12vcc/3时，比较器c1输出低电平，比较器c2输出高电平，简单sr锁存器q端置0，放电三极管t导通，输出端vo为低电平。当v112vcc/3，v12vcc/3时，比较器c1输出高电平，c2输出低电平，简

17、单sr锁存器置1，放电三极管截止，输出端vo为高电平。当v11vcc/3时,简单sr锁存器r=1，s=1，锁存器状态不变，电路保持原状态不变。1. 由555定时器组成的单稳态触发电路（电路中为定时和控制电路） 图14 单稳态触发电路及波形分析没有触发信号时vi处于高电平(vivcc/3),如果接通电源后q=0，vo=0,t导通，电容通过放电三极管t放电，使vc=0，vo保持低电平不变。如果接通电源后q=1，放电三极管t就会截止，电源通过电阻r向电容c充电，当vc上升到2vcc/3时，由于r=0，s=1，锁存器置0，vo为低电平。此时放电三极管t导通，电容c放电，vo保持低电平不变。因此，电路通

18、电后在没有触发信号时，电路只有一种稳定状态vo=0。若触发输入端施加触发信号（vi.以ne555芯片为核心的多谐震荡电路（电路中用于发声电路） 图15 多谐振荡电路 接通电源后，电容c被充电，当vc上升到2vcc/3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vc下降到vcc/3时，vo翻转为高电平。当放电结束时，t截止，vcc将通过r1、r2向电容c充电。当vc上升到2vcc/3时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波，波形如下图： 图16 多谐振荡电路波形图 由于555定时器内部的比较器灵敏高，而且采用差分电路形

19、式，因此用555定时器组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。 四.电路最终总视图（包含多处改进及拓展） 图17 电路最终总试图五. 实验器件总体列表一览序号名称规格型号数量备注1差分运算放大器tl07122压电陶瓷元件 1常态下为几f电容3icne55524三极管bc54825电位器1m1微型6电解电容100f /50v37电解电容10f /50v18电解电容1f /50v19电解电容0.01f /25v310电阻100k/0.5w411电阻470k/0.5w112电阻10k/0.5w313电阻1k/0.5w214电阻470/0.5w115电阻300/0.5w116led放

20、光二极管32red17蜂鸣器118喇叭8/0.25w119开关2a/250v120万能版15*15cm2用于固定所有模块21接线柱2用于电路总正负极22导线若干连接电路各元件23八脚插座2用于放置固定核心元件课程设计制作过程使用的仪器和工具仪器/工具名称数量用途笔记本电脑1台绘制原理图和模拟电路图电烙铁和烙铁架1套焊接吸锡器1把拆焊示波器1台观察功放电路输入和输出波形交流毫伏表1台测试信号的电压斜口钳1把剪元件脚尖嘴剥线钳1把剥线尖嘴钳1把夹取元件镊子1把夹取元件六. 电路参数计算1.电路电位器 rv1 = 1m 2.整个电路最核心的数据为模块二的ne555芯片的暂稳态时间，控制喇叭出声时间及

21、led2的发光时间 tw = 1.1 r c（r=r1=100k； c=c5=100） tw = 11s实际测试为t1 = 11 +- 1s,与理论数据相符合。3.实验的第二个需要测试的数据为喇叭功能电路ne555芯片的输出时间参数 t = tw1 + tw2 tw1= 0.7(r1 + r2)c tw2= 0.7 r2 c (r1 = 10k; r2 = 100k; c = 0.01） tw1= 7.7*10-4s tw2= 7 *10-4s t = 1.47*10-3s=1.47ms f = 1/t = 680hz实际测试 t = 13.6ms f = 737hz 七. 实验箱模拟 1.

22、1实验箱模拟用ne555组建的多谐震荡电路图18 ne555多谐振荡电路 2喇叭电路中喇叭工作时ne555芯片三脚输出信号 图19 输出信号 图20/21 信号具体参数，有跳跃 2.主体电路实验箱模拟 图22 主体电路模拟 3.电路整体视图 图23 电路整体模拟4.实验箱状态下有震动时电路的响应状态 图24 震动响应状态八. 电路安装调试原理了解后，进行安装之前，首先运用所学知识用万用表对所要安装焊接的元器件进行校对检验，确保电路的元器件都是好的，再对焊接板进行元器件整体布局，以达到线路整洁，布局美观。接下来就要进行焊接，整个焊接的过程是需要耐心的，尤其在高温下使用电焊铁需格外小心，避免烫伤灼

23、伤。尽量减少两条线路的共同焊接处，防止焊接不当造成不必要的短路与短路，最后将接地与接输入正极的电线引出，便于后期的调试与检查。焊接完毕后比较电路图对实物进行多次检查，有无虚焊漏焊的地方，再次用万用表对核心器件进行检查，防止因为焊接时间过长产生的高温影响元器件的功能，对后续功能的实现造成不必要的影响与错误。确认无误后，将各器件的引脚剪掉，避免较长互相接触，造成不必要的短接。最后接入电路要求的+9v电压，触动压电陶瓷片，蜂鸣器/喇叭作响，手松开，在暂稳态时间到达后蜂鸣器/喇叭不响，电路调试成功。 九. 电路板焊接a) 最终实体电路板正反面视图 图25 最终成品正面视图 图26 成品电路板反面线路b

24、) 电路元器件首次位置模拟 图27 首次元器件位置模拟c) 电路板状态下有震动时电路的响应（喇叭响） 图28 电路板状态下有震动时电路的响应（喇叭响）d) 当震动消失，电路仍处在响应延迟状态下（喇叭响） 图29 当震动消失，电路仍处在响应延迟状态下（喇叭响）十. 试验问题分析1. 第一次连接电路，三极管bc548被击穿，喇叭烧坏分析：操作错误，稳压直流电源电压未调便接入电路，电压为120v+，导致三极管vt2直接被击穿，喇叭被烧坏，之后更换三极管、喇叭。电压调为+9v，重新连接电路2. 电路在实验箱初步连接，按动压电陶瓷片，放光二极管不亮分析：放光二极管led1的发光原理为：在压电陶瓷元件未触

25、动时，差分放大器2、3脚电压基本相同，6脚为低电平；当压电陶瓷片被触动时，2、3脚产生电压差，6脚输出高电平，使三极管vt1导通使二极管led1发光，所以实验前必须调节电位器vr1使2、3脚电压相同。找到问题后，调节电位器阻值大约为1m欧，再次触动压电陶瓷片，二极管led1发光。3. 实验中，测试数据发现，555芯片2脚保持高电平（大约为8.xv）无变化分析：经多次监测分析，发现如图所示0.1u电容（原始方案视图里的电容c3）阻碍了电流信号由三极管集电极向一号555芯片传输，去掉该电容后，检测2管脚电压开始受压电陶瓷的按下与否开始变化，有震动时2脚为低电平，无振动时为高电平4. 电路在实验箱上

26、进行初步模拟实验时，灯泡2不亮，喇叭不响分析：开始所用喇叭为4/0.5w，后换成8/0.25w均无效，检测器件均为正常，后分析得知，由于喇叭电阻太低，与二极管2所在电路相比近似短路，无法实现发光，后将喇叭用实验箱自带蜂鸣器替代，实现设计期望功能。后重新设计一以555芯片为核心的多谐振动电路，由第一块555芯片3脚直接提供输入信号，实现了喇叭功能5. 实验整体功能实现以后，发现灯泡2发光持续时间太长，不便演示电路基本功能分析：由于电路原先设计初步延迟时间为2min，因为开始引用公式错误，先将1m电阻换为3m，发现问题仍然存在，在查找资料，寻求同学帮助后，发现引用公式的错误，于是将原始电路中的电阻r1由1m换为100k，使延迟时间缩短10倍，经测试，喇叭、二极管2工作时间为12s左右，与设计相符合。6. 焊接电路板，导通无实验现象分析：由于为第一次接触实物焊接，初步元件