触摸式防盗报警器的设计

1、成绩 课 程 设 计 说 明 书课程设计名称：电子线路设计题 目：触摸式防盗报警器的设计学 院：电气信息学院专 业：电气工程与自动化指 导 教 师：Xxx触摸式防盗报警器的设计摘 要：此设计是一个简单的触摸式报警器，当有人触摸到报警系统的金属片时就会发出响亮的报警声，使人们能尽快的知道有人进入。电路主要电源电路，单稳态触发电路，多谐振荡电路，运算放大电路和功率放大电路组成。其中单稳态电路和多谐振荡电路都是由555电路构成。而由555构成的单稳态触发器主要控制报警声响的时间，然后经过由555够成的多谐振荡电路控制脉冲频率，再通过运算放大电路将输出的电压放大，从而使扬声器发出清晰响亮的报警声。当我

2、们触摸到与单稳态相连的金属片时就可触发电路从而发出响声已达到报警的效果，而且可以通过我们设计添加的滑动变阻器调节报警的时间和报警的音量。 关键词：报警器，单稳态触发器，多谐振荡器，运算放大器，扬声器 Abstract：The designe is a simple touch of alarm, when someone touched the metal films to the alarm system will sound a loud alarm, so that people can enter as soon as possible to know someone. Mainly

3、by the power circuit, monostable trigger circuit, multivibrator circuit, operational amplifier and speaker circuit. One-shot multivibrator circuit, and by 555 circuit. Formed by 555 single-shot time for the main control alarm sounds, then after enough from the 555 into the multivibrator circuit cont

4、rol pulse frequency, and then by computing amplifier output voltage will be amplified, so that the speakers sound the alarm loud and clear. When we touch and connected to the monostable trigger circuit metal films can have an alarm to send out sound effects, and can we design a sliding rheostat adju

5、stment to add the time and alarm the alarm volume. Keywords：Alarm，Monostable trigger，Multivibrator，Operational amplifier，Speaker目 录1 前言11.1 设计背景11.2 设计目标11.3 实施计划21.4 必备条件22 总体方案设计32.1 方案比较32.1.1 方案一32.1.2 方案二42.2 方案论证42.3 方案选择53 单元模块设计63.1 各单元模块功能介绍及电路设计63.1.1 电源模块设计63.1.2 单稳态触发模块设计63.1.3 多谐振荡模块设计8

6、3.1.4 运放模块设计103.1.5 发声模块设计113.2 功能器件的介绍113.2.1 555定时器的介绍113.2.2 UA741器件介绍124 仿真调试144.1 调试环境144.2 模块调试144.2.1 单稳态电路仿真144.2.2 多谐振荡电路仿真154.2.3 运放电路仿真165 系统功能、指标参数185.1 系统能实现的功能185.2 系统功能及指标参数分析186 结论197 总结与体会208 谢辞（致谢）219 参考文献22附录231 前言随着社会的不断进步和科学技术，经济的不断发展，人类不断研究人们生活水平得到了很大的提高，对私有财产的保护意识及自身的安全保护意识在不断

7、的增强。因而对安防措施提出了新的要求。本设计就是为了满足安防的需要而设计的电子报警系统。 近年来，随着改革开放的深入发展，人民的生活水平有了很大提高。各种高档家电产品和贵重物品为许多家庭所拥有，并且人们手中特别是城市居民的积蓄也十分可观。因此，越来越多的居民家庭对财产安全问题十分关心。目前，许多家庭使用了较为安全的防盗门，如果再设计和生产一种价廉、性能灵敏可靠的防盗报警器用于居民家中，必将在防盗和保证财产安全方面发挥更加有效的作用。为此，提出“触摸式防盗报警器”的设计任务。 该报警器适用于家庭防警。其特点是灵敏、可靠，一经触发，可以立即报警，并延时一段时间，具体时间长度可以根据需要而调节。以增

8、加报警的突然性与隐蔽性。当报警器再次触发，继续报警。报警的声音宏亮，容易让主人和周围邻居发现并及时报警，也能够让小偷产生畏惧感，因此快速的离开偷盗现场，不敢实行偷盗行为。1.1 设计背景课程设计作为数字电子技术和模拟电子技术课程的重要组成部分，一方面使我们能够进一步理解课程内容，基本掌握数字系统设计和调试的方法，增加集成电路应用知识，培养我们的实际动手能力以及分析、解决问题的能力。另一方面也可使我们更好地巩固和加深对基础知识的理解，学会设计中小型数字系统的方法，独立完成调试过程，增强我们理论联系实际的能力。通过实践引导我们在理论指导下有所创新，为专业课的学习和日后工程实践奠定基础。1.2 设计

9、目标1. 培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际只是去分析和解决工程实际问题的能力。2. 学习较复杂的电子系统设计的一般的方法，了解和掌握模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力。由学生自行设计、自行制作和自行调试。3. 进行基本技术技能训练，如基本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、测量、熟练运用的能力以及使用仿真软件、实验设备进行调试和数据处理等。4. 培养学生的创新能力。1.3 实施计划1. 总体模块的构造；2. 主要单元电路和元器件参数计算、选择；3. 单个电路单元的调试与仿真；4. 画出总体电路图；5. 进行整体电路的调试与仿真；6. 电路性

10、能指标测试，提交设计合格的报告。1.4 必备条件能够独立进行小型检测模块系统方案的设计及论证，选择合理的扬声器、集成电路，设计必要的接口电路等，以及合理选择有关元器件及正确使用相关工具与仪器设备等，并能结合实际调试与实验进行有关精度分析与讨论。2 总体方案设计本设计利用555时基电路和发声装置设计并制作的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，学习单元电路在整体电路中的作用及基本原理。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，设计出PCB电路板，并通过书籍教材极网络信息查找相关资料。根据触摸式防盗报警器电路的工作原理，以及其

11、组成部分和各部分单元电路的工作原理。单元电路包括电源电路，单稳态触发电路，多谐振荡电路，功率放大电路。对该报警器所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了分析研究。通过此次设计制作，了解触摸式防盗报警器的制作过程。通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我主要提出了二种技术方案来实现系统功能。下面我将首先对这二种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述我最终选择方案的原因。2.1 方案比较对同一种目的的实现，可以用不同的方案，下面就着重介绍以下两种方案对同一目的的实现方法。并比较两种方案的优劣。2.1.1 方案一方案一原理框图如

12、图2-1所示: 信 号电源模块发声模块运放模块多谐振荡模块单稳态模块图2-1 方案一的原理框图方案一概述：题目要求设计一个触摸式防盗报警系统，整个系统可以划分为五个模块。首先为电源模块，考虑到所使用的电压为5伏，因此可以采用直流电源，既方便又可调。其次为单稳态触发模块，用来控制输出的电压，以驱动报警集成电路。然后为多谐振荡电路，可以直接驱动扬声器发声。经过多谐振荡输出的信号在运放电路部分进行放大，最后经过扬声器。体现出来的是声音信号。2.1.2 方案二方案二原理框图如图2-2所示：电源信 号单稳态三声模拟音频功放发声 图2-2 方案二的原理框图方案二概述：根据题目的要求，设计一个触摸式防盗报警

13、系统，整个系统也可以划分为五个模块。首先电源模块考虑到所使用的电压为5伏，所以可以先通过桥堆整流，然后滤波，选用比较常用的电源稳压芯片7805便可以得到实验所需的5伏电压。其次为单稳态触发模块，用来控制输出的电压，以驱动报警集成电路。然后为三声模拟报警集成电路，可以直接驱动扬声器发声。可产生三种不同的模拟报警声响，是制作各种报警器的良好声源。所产生的信号经过音频功放进行放大。最后由发生模块的扬声器产生宏亮的报警声。2.2 方案论证方案一和方案二理论上都可行。但是它们各有优点和缺点。方案一制作相对于方案二要简单一些，而且方案一的可操作性强一些。所用的器件也基本上是我们在课本上已经学到了的知识，这

14、样的话，便于我们对实验的控制与设计。其中所使用的直流电源就比方案二中的桥堆整流使用方便很多。方案二中的三声模拟声响集成电路模块很好，可以直接驱动扬声器发声。可产生三种不同的模拟报警声响，是制作各种报警器的良好声源。实现的难点在于，在Proteus仿真软件中找不到该器件，方案二的模块没有相应的器件。而且方案二中的音频功放也是我们以前没有学过的知识，所以操作性不强，相较之下略低于方案一。2.3 方案选择方案一的电源模块便于操作，因为是采用的直流电源，而且所需要的电压值也便于调节。方案二中的三声模拟声响集成电路的功能虽然很好，但是在Proteus仿真软件中找不到该器件。因此只能用其它器件来代替KD9

15、561这个芯片。又因为方案一在元件上容易找到，所以选择了方案一。3 单元模块设计本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。3.1 各单元模块功能介绍及电路设计本系统主要分为五个单元模块，它们分别是：电源模块、单稳态触发模块、多谐振荡模块、运放模块和发声模块。各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。3.1.1 电源模块设计 直流电源，是维持电路中形成稳恒电流的装置。本设计中直接采用直流电源。单稳态电路和多谐振荡电路的直流电源采用+5V。运算放大电路的直流电源采用+15V和-1

16、5V。3.1.2 单稳态触发模块设计1.单稳态电路工作原理：当没有触发信号时Vi处于高电平(Vi>Vcc/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<Vcc/3），电路的输出状态由低电平跳变为高电平，电路进入暂稳态，放电三极管T截止

17、。此后电容C充电，当C充电至Vc=2Vcc/3时，电路的输出电压Vo由高电平翻转为低电平，同时T导通，于是电容C放电，电路返回到稳定状态。2.单稳态电路如下图3-1（a）所示： 图3-1(a) 单稳态电路图当触摸到开关，将开关按钮向下按，输入端2端相当于接地，输入一个低电平。在输出端3端输出一个高电平，并且维持时间为。3.电路的工作波形如下图3-1(b)所示： 图3-1(b) 单稳态触发波形图4.参数计算和元器件选择：报警时间持续多久，可以根据自己的需要而定，一般在家庭使用中便是一旦触发报警持续时间越长越好。但是今天我把时间调的短一些，便于自己在软件上进行测试。，,。Tw的时间长短可

18、调，调节滑动变阻器的阻值就行。所以时间控制在0.26S至0.52S之间。在电路中的C=0.01uf,起滤波的作用。R=10K为上拉电阻。3.1.3 多谐振荡模块设计多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，故又称它为无稳态电路。1.多谐振荡器工作原理：，和是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚） 和低电平触发端（2脚）并接后接到R4和C4的连接处，将放电端（7脚）接到，的连接处。由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平

19、，小于（1/3）Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。这时，电源经RV2，R3,R4对电容C充电，使电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关 。充电时间常数。由于放电管VT导通，电容通过电阻和放电管放电，电路进人第二暂稳态.其维持时间TPL的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数。随着C4的放电，uc下降，当uc下降到（1/3）Vcc时，输出uo。 为高电平，放电管VT截止，V

20、cc再次对电容充电，电路又翻转到第一暂稳态。不难理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，uc电压总是在（1/32/3）Vcc 之间变化。2.多谐振荡器如图3-2(a)所示， 图3-2(a) 多谐振荡电路图此电路不需要输入，是一种自激振荡器电路，当接通电源之后产生矩形波。3.电路的工作波形如图3-2（b）所示： 图3-2（b） 多谐振荡波形图4.参数计算和元器件选择：由图可知，振荡周期。为电容充电时间，为电容放电时间。充电时间 放电时间矩形波的振荡周期 因此改变,和电容的值，便可改变矩形波的周期和频率。在此为了方便，固定,的阻值，为滑动变阻器可以随意改

21、变阻值大小。选定=5.1K。=10K.根据公式就可以计算出其频率可调的范围为1239Hz至9337Hz。在电路中的=0.01uF,起滤波的作用。3.1.4 运放模块设计1. 集成电路运算放大器（简称集成运放或运放）是一个集成的高增益直接耦合放大器，通过外接反馈网络可构成各种运算放大电路和其它应用电路。741型运算放大器具有广泛的模拟应用。宽范围的共模电压和无阻塞功能可用于电压跟随器。高增益和宽范围的工作电压特点在积分器、加法器和一般反馈应用中能使电路具有优良性能。此外，它还具有如下特点：（1）无频率补偿要求；（2）短路保护；（3）失调电压调零；（4）大的共模、差模电压范围；（5）低功耗。2.

22、下面图3-3所示电路为UA741构成的运放电路： 图3-3 运放电路图从端进入的信号从2端进入运放的反向输入端，再由6端输出电压放大了的信号。此电路的作用是将电压进行放大。3.参数计算和元器件选择：在上图电路中，我需要将电压放大10倍，则选择=10K，=100K。3端直接接地，7端和4端分别提供+15V和-15V的直流电源。1端，5端悬空。3.1.5 发声模块设计1.扬声器的线圈中通过交变电流时，线圈切割磁力线（扬声器有由磁铁等构成的恒磁场），线圈将产生运动，运动的方向和大小根据输入信号的方向和大小而变化。线圈运动，就带动鼓膜振动，而动鼓膜振动，将压缩或拉伸空气，从而传播声波，所以我们就听到扬

23、声器发出的声音了。2.扬声器充当发声装置。选用8欧的扬声器。3.2 功能器件的介绍本系统中主要使用了555定时器和UA741。下面就这两个器件的功能特点、主要参数和使用方法作相应说明。3.2.1 555定时器的介绍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图3-4所示： 图3-4 555内部电路及引脚位配置555定时器的内部电路由分压器，电压比较器和，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

24、成分压器，为比较器，提供参考电压。当控制电压端（5）悬空时，比较器,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>2Vcc/3，>Vcc/3时，比较器输出低电平，比较器输出高电平，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<2Vcc/3，<Vcc/3时，比较器输出高电平，输出低电平，简单SR锁存器置1，放电三极管截止，输出端Vo为高电平。当<2Vcc/3，>Vcc/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。3.

25、2.2 UA741器件介绍741型运放双列直插封装的俯视图如图3-5(a)所示。紧靠缺口（有时也用小圆点标记）下方的管脚编号为1，按逆时针方向，管脚编号依次为2，3，8。其中，管脚2为运放反相输入端，管脚3为同相输入端，管脚6为输出端，管脚7为正电源端，管脚4为负电源端，管脚8为空端，管脚1和5为调零端。通常，在两个调零端接一个几十千欧的电位器，其滑动端接负电源，如图3-5(b)所示。调整电位器，可使失调电压为零。（a） （b）图3-5 741型运算放大器的封装图741型运算放大器的典型性能参数如表3-1所示。 表3-1 T=25oC，U+= +15V，U+= -15V参数名称测试条件最小典型

26、最大单位输入失调电压Rs10k1.05.0mV输入失调电流20200nA输入偏置电流80500nA输入电阻0.32.0M输入电容1.4pF大信号电压增益RL2 k，UO±10V50k200k输出电阻75输出短路电流25mA电源电流1.72.8mA功耗5085mW转换速率RL2k0.5V/ms共模抑制比Rs10k,UCM=±12V7090dB增益带宽乘积1MHz4 仿真调试本系统调试我们采用PROTEUS模拟来调试，调试了单稳态电路、多谐振荡电路、运放电路。4.1 调试环境我们利用仿真软件Proteus进行电路仿真调试。Proteus 是英国Labcenter公司开发的电路分

27、析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：1.实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等2.支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列、ARM7系列以及各种外围芯片。3.提供软件调试功能。在硬件仿真系统中

28、具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51。4.具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。4.2 模块调试4.2.1 单稳态电路仿真如下图4-1所示： 图4-1 单稳态电路仿真图按组成单稳态电路的方式在Proteus上画图，选择正确的元件，并且设置好各个元件的大小，以及合适的单位。选取合适的电源。开始进行调试，在图上增加一个示波器对电路的输出波形进行测试，测试出的波形如上图所示，符合当初预想的结

29、果。当开关接通，输入一个低电平，从3端输出一个高电平。Tw的大小可以通过滑动变阻器随意调节。4.2.2 多谐振荡电路仿真如下图4-2所示： 图4-2 多谐振荡电路仿真图在Proteus上画出555基本器件，根据需要选择合适的电容和电阻，但是滑动变阻器一定不能少，选择+5v电源。把各元件接在电路图上进行仿真测试，将示波器输入端接在多谐的输出端三上面，仿真出来的波形如上图所示。输入波形的频率为2353Hz，幅值为+5V。并且波形与预想的一样。4.2.3 运放电路仿真如下图4-3（a）所示：图4-3(a) 运放电路仿真图图4-3（a）为运放的电路图极其输出的仿真波形，输入的正弦波的幅值为1V。输出的

30、正弦波为10V。频率都为1Hz。由此说明该电路对信号进行了放大，并且放大倍数为10倍。如下图4-3（b）所示： 图4-3（b） 运放电路仿真图图4-3（b）为运放的电路图极其输出的仿真波形，输入的方波的幅值为1V。输出的方波为10V。频率都为1Hz。由此说明该电路对信号进行了放大，并且放大倍数为10倍。5 系统功能、指标参数5.1 系统能实现的功能当有人触摸到金属片即开关时能够产生持续一段时间并且为一定频率的信号，由最后一个部分的扬声器发出来的宏亮的报警声。其中时间的大小和频率的大小都是可以调节的。5.2 系统功能及指标参数分析本次实验由于电路设计比较简单，原理清楚明了，在分析电路模块是比较简

31、单。在经过前面几个阶段的设计后，555触摸报警器各个模块已经设计完毕，根据总体设计时的方案框图，将各个子电路组合起来，加入信号，对电路进行总体测试。如下图5-1所示： 图5-1 总体电路仿真图组装好电路之后，在接入电源之后，本应该是要实现：调整滑动变阻器的阻值的大小就能够获得不同的报警时间。报警与恢复预报状态所用时间。但是在接好电路之后，触摸金属开关后电路报警的时间总是与设置的时间不吻合。仔细检查电路接线发现电路没有任何问题，我想了一下估计是电脑的问题。而且输出的波形也有一定的失真。6 结论在本次设计的过程中，我发现很多的问题，尤其是在实际做一个东西的时候遇到了很多以前没有想到的问题，但是通过

32、这样一个遇到困难，我不断的学习的一个过程，让我收获很多，这次设计真的让我长进了很多。设计一开始不知道如何下手，经过广泛的查阅资料，我找到了很多有用的信息，为我的设计带来了很多方便。通过这个设计让我得到了很多，很多事情做不做得好是回事，关键是自己要亲自去实践，亲自动手做，要善于思考总结。我自知这次的设计有很多不足之处，尽管我们很努力，但效果却不是很好，平时很多东西学得也不是很透彻，我觉得做课程设计从每一个细节都在锻炼着我们。在单个电路进行测试和仿真的时候都很好，没有出现任何问题。但是在进行最后的测试的时候，并没有得到预期的效果。总体测试出来的波形也比较不稳定，干扰也比较大。通过验证证明，该设计方

33、案还是比较成功的。其中难免存在一些错误和缺陷，请老师能给予批评和指导，使该设计更加完善。7 总结与体会通过这两周紧张而充实的课程设计，我学到了很多东西，并对我以后所要做的毕业设计有了一个初步的了解。做好一个课程设计或者毕业设计不仅要具备扎实的书本知识还要善于应用，更要善于去查阅资料，对以前学过的知识有不清楚的地方进行仔细的复习与研究，实在搞不明白的地方要向老师或者同学请教，这样才可能做出一个比较不错的课程设计。此次课程设计让我能够亲身参与电子产品的设计使我更加深深的体会到：现代的社会是信息的社会，很多与人们生活紧密相关的产品都是电子产品比如决定现代社会发展方向的电脑以及几乎每个同学都拥有的手机等等无不说明电子产品的重要性。作为一名电气专业已经大二的大学生，我认识到我不仅要学好课本上的知识，还要学会将所学到的知识联系并应用到现实生活中，做到理论联系实际。在这次实验中，电路设计的主体是用555结成一个单稳态触发电路和一个多谐振荡电路，通过查阅电子技术基础这本书，掌握了它的接法并且知道了它的电路的工作原理。其次，在这次连接电路之前，