自动化班杨宗豪

1、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 杨宗豪 所填内容为黑体3号专业班级 10自动化2班 学 号 201042067 院 （系） 电气工程学院 固定内容为宋体3号指导教师 李晓娟 完成时间 2013年 月 日 防盗报警器摘要近年来，随着改革开放的深入发展，我国经济的迅速发展，人民的生活水平日益提高。人民居住和生活条件日益好转，生活环境也慢慢变好。因此，人们对生活条件要求也大大提升。贵重物品也逐渐进入家家户户。贵重物品作为一种方便人们生活的工具正逐渐在家庭中普及应用。生活中我们追求物品的性价比，因此作为一种简单的器件，在设计中我们必须考虑产品的性能，使用时的方便指数，同

2、时还要考虑产品的造价和普通家庭用户的接受度。如果再设计和生产一种价廉、性能灵敏可靠的家用防盗报警器用于居民家中，以方便人们生活。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是当前发展最快的学科之一，主要介绍逻辑和时序电路。近年来又推出了可编程的逻辑器件，为数字电路设计提供了更加完善方便的器件。数字电子技术作为一门专业基础课，又数字电子技术课程是理论与实践的结合，因此，在学习中要重视相关课程设计。数字电子技术课程是学生学习完数字技术课程之后，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，联系实际要求独立设计，并进行安装调试的实际工作能

3、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，熟悉常用元件芯片的类型和特性，并掌握合理选用元器件的原则。（4）掌握数字电路的安装，测试与调试的基本技能，熟悉电子芯片的正确使用方法，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

4、），独立解决调试中所遇到的问题。（5）熟悉电子元器件并学会选择掌握其功能的使用。（6）学会撰写课程设计报告。 (7)培养实事求是，严谨的工作态度和严肃认真的工作作风。2 课程设计的任务与要求2.1 课程设计任务1 设计一种报警器，能对物品和门窗进行防盗。2 该报警器能够同时产生声音和闪光的报警现象。3 设计的报警器要简单实用。2.2 课程设计的要求1 该报警器采用6v直流电源供电。2 实用数字技术课程教学中的555定时器芯片，和所学内容联系紧密。3 产生声音和闪光两种报警现象。4 该报警器要灵敏度高，产生现象明显便于实用。5 给出详细的电路图，并加以论证其正确性。3 设计方案与论证3.1 所选

5、主要元件类型与功能1 发光二极管：发光二极管（英语：Light-Emitting Diode，简称LED） 是一种能发光的半导体电子元件，LED只能往一个方向导通（通电），叫做正向偏置（正向偏压），当电流流过时，电子与空穴在其内复合而发出单色光，这叫电致发光效应，而光线的波长、颜色跟其所采用的半导体材料种类与掺入的元素杂质有关。具有效率高、寿命长、不易破损、开关速度高、高可靠性等传统光源不及的优点。2 电容: 在电子线路中，电容用来通过交流而阻隔直流，也用来存储和释放电荷以充当滤波器，平滑输出脉动信号。把电容器的两个电极分别接在电源的正、负极上，过一会儿即使把电源断开,两个引脚间仍然会有残留电

6、压，电容器储存了电荷。电容器极板间建立起电压，积蓄起电能，这个过程称为电容器的充电。充好电的电容器两端有一定的电压。电容器储存的电荷向电路释放的过程，称为电容器的放电。能够做储存电荷的元器件。3 555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4.5V到16V工作，7555可在3到18V 工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS

7、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定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC/3。若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0,可使 RS 触发器置1，使输出端OUT=1。如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC /3，则C1的输出为 0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。555定时器可以说是模拟电路和数字电路结合的典

8、范。两个比较器C1和C2各有一个输入端连接到三个电阻R组成的分压器上，比较器的输出接到RS触发器上。此外还有输出级和放电管。输出级的驱动电流可达200mA。比较器C1和C2的参考电压分别为UA和UB，根据C1和C2的另一个输入端触发输入和阈值输入，可判断出RS触发器的输出状态。当复位端为低电平时，RS触发器被强制复位。若无需复位操作，复位端应接高电平。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。它的各个引脚功能如下：1脚：外接电源负端VSS或

9、接地，一般情况下接地。2脚：低触发端3脚：输出端Vo4脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。6脚：TH高触发端。7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 18V。一般用5V。555的应用：图3.1 555定时器（1）构成施密特触发器，用于TTL系统的接

10、口，整形电路或脉冲鉴幅等；（2）构成多谐振荡器，组成信号产生电路。振荡周期：T=0.7（R1+2R2）C（3）构成单稳态触发器，用于定时延时整形及一些定时开关中。555应用电路采用这3种方式中的1种或多种组合起来可以组成各种实用的电子电路，如定时器、分频器、脉冲信号发生器、元件参数和电路检测电路、玩具游戏机电路、音响告警电路、电源交换电路、频率变换电路、自动控制电路等。3.2 设计方案与论证 方案一：在接到课程设计通知后，我们小组根据数字电路技术以及其他相关课程的知识对所要设计的简易报警器进行了初步分析，分析出了第一个设计方案：该方案采用了555定时器芯片，核心电路是由555定时器组成的施密特

11、电路。下面给出其电路图：图3.2 方案一电路图 方案说明：555定时器构成的施密特电路，其主要功能是将变化缓慢的输入波形，整形成为适合数字电路需要的矩形波形。 当电路中间的开关（报警器的断线处）处于闭合状态时，此时，图中二极管（报警器的防盗警报)就会发生报警现象。图中最右边的开关为电路总开关，当其断开时，报警器处于不工作状态（即使报警器断线处断开，此时也不会发生报警现象）。这就是我们小组根据要求设计的第一种方案，经过仿真实验，可以得出该方案的正确性，可行性。在仿真实验中，我们也对方案进行了改进，并经过仿真进行了验证了其正确性和可行性。下面是我们的第二种方案的电路图：图3.3 方案二电路图 方案

12、说明：该方案在方案一的基础上又增添了一个555定时器构成的电路，如图所示。此方案设计的报警器，能够产生声光两种现象同时报警，当图中左边开关（报警器断线铜丝）断开时，报警器的喇叭和发光二极管两断就会有电流通过，产生声光现象，从而出现报警现象。方案论证 555定时器组成施密特触发器电路如图3.4所示，只要将脚2和6连在一起作为信号输入端，即得到施密特触发器。图3.5中画出了Vs、Vi和Vo的波形图。设被整形变换的电压为正弦波Vs，其正半波通过二极管D同时加到555定时器的2脚和六脚，得到的Vi为半波整流波形。当Vi上升到2/3VCC时，Vo从高电平转换为低电平；当Vi下降到1/3VCC时，Vo又从

13、低电平转换为高电平。回差电压：V=2/3VCC-1/3VCC=1/3VCC 图3.4 施密特触发器   图3.5 波形图通过555定时器构成的施密特电路可以使该报警器电路中的波形整形成合适的矩形波，从而使报警器工作。 555定时器构成多谐振荡器 多谐振荡器又称为无稳态触发器，。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Dc放电，使电路产生振荡。电容C在2/3VCC和1/3VCC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

14、波形如图3.7所示。图3.6  555构成多谐振荡器    图3.7  波形图输出信号的时间参数是:T=0.7（R1+R2）C=0.7R2C其中，tw1为VC由1/3VCC上升到2/3VCC所需的时间，tw2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。 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。555定时器组成占空比可调的多谐振荡器,因此，这种形式的多谐振荡器应用很广。555定时器可工作在三种工作模式下：定时器，脉冲丢失检测，反弹跳开关，轻触开关，分频器，电容测量，脉冲宽单稳态

15、模式：在此模式下，555功能为单次触发。应用范围包括度调制（PWM）等。无稳态模式：在此模式下，555以振荡器的方式工作。这一工作模式下的555芯片常被用于频闪灯、脉冲发生器、逻辑电路时钟、音调发生器、脉冲位置调制（PPM）等电路中。如果使用热敏电阻作为定时电阻，555可构成温度传感器，其输出信号的频率由温度决定。双稳态模式（或称施密特触发器模式：在DIS引脚空置且不外接电容的况下，555的工作方式类似于一个RS触发器，可用于构成锁存开关。多谐振荡器：利用深度正反馈，通过阻容耦合使两个电子器件交替导通与截止，从而自激产生方波输出的振荡器。常用作方波发生器。 多谐振荡器是一种能产生矩形波的自激振

16、荡器，也称矩形波发生器。“多谐”指矩形波中除了基波成分外，还含有丰富的高次谐波成分。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。在工作时，电路的状态在这两个暂稳态之间自动地交替变换，由此产生矩形波脉冲信号，常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。4 设计原理及功能说明4.1设计原理该报警器采用由555定时器构成的多谐振荡电路，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。多谐振荡器可用作方波发生器。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

17、，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Dcc放电，使电路产生振荡。电容C在2/3VCC和1/3VCC之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波。4.2功能说明1 波形变换：可将三角波、正弦波、周期性波等变成矩形波。2 脉冲波的整形：数字系统中，矩形脉冲在传输中经常发生波形畸变，出现上升沿和下降沿不理想的情况，可用施密特触发器整形后，获得较理想的矩形脉冲。3 脉冲鉴幅：幅度不同、不规则的脉冲信号施加到施密特触发器的输入端时，能选择幅度大于预设值的脉冲信号进行输出。4 构成多谐振荡器：幅值不同的信号在通过加上一个合适电容的施密特触发器后会产生矩形脉冲

18、，矩形波脉冲信号，常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。我们设计的简单报警器电路就是用555定时器构成的多谐振荡电路，运用多谐振荡器的脉冲波整形的功能，是电路输出适合的矩形波，从而使报警器能够正常工作。5 单元电路的设计（计算和说明）下面是设计的报警器的原理图，并对有关电路进行分析说明。5.1 电路原理图 555定时器构成的多谐振荡电路，脚2与脚6直接相连，由外接元件构成该电路，进行电路中波形的转换。输出信号的时间参数是:T=tw1+tw2 tw1=0.7（R1+R2）C tw2=0.7R2C6 硬件制作和调试6.1电路仿真根据所设计的电路图，首先在仿真软件上进行了仿真实验其，其仿真图如下：

19、6.1 电路仿真图对电路进行了仿真测量：6.2 电路仿真测量图仿真测量的结果说明了其电路原理的正确性，由555定时器构成的多谐振荡电路能够使波形转换成矩形波输出，从而使设计的电路达到预期结果，能够实现其目的。6.2硬件制作首先对所用元器件进行了测量，保证了元器件的能够正常工作，其次根据电路图对元器件进行了布局排版，达到美观大方。最后根据焊接要求，做到小心处理焊接时遇到的问题。下面是最终的实物图：6.3 实物图7 总结心得体会作为一个电气工程学院的学生，作为一个与电子电路设计相关课程紧密联系专业的学生，我深知数字电子电路设计在专业学习中和未来工作中的重要性，因此，数字电子课程设计给了我们一个理论

20、与实践结合的机会。制作电路板初期，我们拿到工具后，虽然我们并不陌生，原来也接触过，但不论焊接水平还是对元器件的理解都不是很好，在选择和购买零件时，给我们带来了不小的困难，开始我们完成了仿真阶段，选择好了零件去购买时，发现我们用的零件买不到，我们只好修改自己的电路，重新仿真，直到仿真成功并且零件能买到为止。而在仿真时必须用到的元器件又找不到，因此，我们用了相似的元件来代替了。我们接触了很多细小零件，对它们也有了一些更深一步的判断和认识。在整个设计过程中，我们通过这个方案包括设计了一套电路原理和实物连接图，和对电子元器件的选择和电子仿真软件的使用。这次课程设计培养了我们独立设计电路的能力，并在这次课程设计中发现了