北邮电路综合实验大二下声控报警电路实验报告.docx
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北邮电路综合实验大二下声控报警电路实验报告
《电子测量与电子电路》
综合设计实验报告
题目实验八声控报警电路设计
姓名
学院信息与通信工程学院
专业通信工程
学号
班级
指导老师
日期
一．课题名称
声控报警电路设计
二．摘要
现今报警系统越来越受到人们的重视。
报警电路在我们的生活中非常常见，各种家用电器、小电子产品和汽车防盗报警器等，均是运用了相同的原理。
本实验主要涉及了简易的声控报警器的电路设计，此电路主要由麦克偏置电路、LM358放大电路板、延时比较电路，NE555方波震荡器等组成。
设计利用麦克偏置电路获得信号，经LM358放大后经过延时比较电路，输出5以上的10V高电平，触发由NE555集成芯片构成的多谐振荡器,输出电压驱动蜂鸣器工作。
关键词：
声控，LM358，NE555，多谐振荡器
三．设计任务要求
1.基本要求：
在麦克风附近击掌，模拟异常响动，电路能发出报警声，持续时间大于5秒，蜂鸣器用无源压电式蜂鸣器。
2.提高要求
A增加报警灯，使其闪烁报警。
B增加输出功率，提高报警音量，加强威慑力。
四．设计思路与总体结构框图
蜂鸣器
方波振荡器
延时电路
比较器
放大器
麦克
1.总体结构框图
2.设计思路
麦克捕捉到声信号后将其转变成微弱的电信号，进入放大器进行放大，之后与电压比较器设定的参考电压进行比较，若高于门限值，比较器输出电平翻转，控制震荡器产生方波信号，使蜂鸣器发声。
为了使蜂鸣器发声持续一段时间，用比较器输出电平维持相应的时长。
（1）设计驻极体麦克的直流偏置电路，并检测其灵敏度，便于设计放大倍数。
（2）用LM358构成两级放大器，根据麦克的灵敏度设计放大倍数，在调试过程中麦克的输出信号可以用单向正脉冲模拟。
放大器可选单电源供电，双电源供电，可选同相放大也可选反向放大。
（3）用LM358构成电压比较器电路，可选滞回式和无滞回式电压比较器根据放大后的声信号的大小，调整参考电压值，使其有合适的灵敏度。
（4）用RC电路构成延时电路，合理设计RC的值，计算时间常数，保证一定的延时时长
（5）用NE555构成方波震荡器。
输出方波的峰峰值要符合蜂鸣器的要求。
五．分块电路和总体电路设计
1.驻极体麦克偏置电路
（1）驻极体麦克简介
驻极体话筒由声电转换和阻抗变换两部分组成。
声电转换的关键元件是驻极体振动膜。
它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜。
然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。
膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。
（2）麦克偏置电路
MIC
通过示波器测量可知麦克输出的声信号的幅值大约在100mV。
2.LM358两级反向放大电路
（1）LM358简介
LM358是双运算放大器。
内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
LM358P型号标识及主要参数：
LM358P型号标识
LM358
基本型号
P
封装类型，PDIP8
LM358P主要参数
SR
0.3V/µs
GBW
0.7MHz
Channels
2
工作温度
0℃～70℃
LM358引脚图
（2）LM358放大电路
本实验选择双电源供电的两极反向放大器。
放大倍数：
根据麦克的输出信号，选择100倍的放大倍数。
Av=（R2/R1）*（R3/R6）=（100k/10k）*（100k/10k）=100
所以：
R4=R1//R2，R5=R6//R3
考虑到电阻箱中的器材，选择R4=R5=10kΩ
B
A
通道A：
输出信号
通道B:
输入信号
通过波形图可知输入信号与输出信号之间有轻微的时延和失真，但这对后续实验设计并不构成影响。
3.LM358与RC构成的延时比较电路
（1）RC延时电路
根据实验要求报警声持续时间大于5秒，选择时间常数为10sRC延时电路
T=R7*C1=10s
根据电阻箱中的器材选择R7=1MΩ，C1=10μf
（2）比较器
本实验选择双电源供电无滞回正向电压比较器
综合放大器输出的信号峰峰值，和灵敏度要求，选择比较电压为3V左右
VREF=VFF*R11/（R10+R11）
根据电阻箱中的器材选择R10=1kΩ，R11=1.8kΩ，所得VREF=3.21V。
1N4148放在延时比较器的输入之前可以滤去放大器输出信号的低电平部分防止其对比较器产生干扰。
当有信号输入时延时比较电路输出10V的高电平；无信号输入时输出10V的低电平。
4.NE555方波振荡器
（1）NE555芯片介绍
NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同;而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。
NE555参数功能特性：
•供应电压4.5-18V
•供应电流3-6mA
•输出电流225mA（max）
•上升/下降时间100ns
NE555的相关应用:
NE555的作用范围很广，但一般多应用于单稳态多谐振荡器（MonostableMutlivibrator）及无稳态多谐振荡器（AstableMultivibrator）。
NE555引脚位功能配置说明下：
NE555各脚功能-管脚图
Pin1（接地）-地线（或共同接地）
Pin2（触发点）
Pin3（输出）
Pin4（重置）
Pin5（控制）
Pin6（重置锁定。
Pin7（放电）
Pin8（V+）
（2）NE555方波震荡电路
多谐振荡器是一种能产生矩形波的自激振荡器，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
电路组成：
NE555多谐振荡器的电路组成
用555定时器构成的多谐振荡器电路如图所示：
图中电容C、电阻R1和R2作为振荡器的定时元件，决定着输出矩形波正、负脉冲的宽度。
定时器的触发输入端（2脚）和阀值输入端（6脚）与电容相连；集电极开路输出端（7脚）接R1、R2相连处，用以控制电容C的充、放电；外界控制输入端（5脚）通过0.01uF电容接地。
工作原理：
多谐振荡器的工作波形
多谐振荡器的工作波形如图所示：
电路接通电源的瞬间，由于电容C来不及充电，Vc=0v，所以555定时器状态为1，输出Vo为高电平。
同时，集电极输出端（7脚）对地断开，电源Vcc对电容C充电，电路进入暂稳态I，此后，电路周而复始地产生周期性的输出脉冲。
多谐振荡器两个暂稳态的维持时间取决于RC充、放电回路的参数。
暂稳态Ⅰ的维持时间，即输出Vo的正向脉冲宽度T1≈0.7（R1+R2）C；暂稳态Ⅱ的维持时间，即输出Vo的负向脉冲宽度T2≈0.7R2C。
因此，振荡周期T=T1+T2=0.7（R1+2R2）C，振荡频率f=1/T。
正向脉冲宽度T1与振荡周期T之比称矩形波的占空比Ｄ，由上述条件可得D=（R1+R2）/（R1+2R2），若使R2>>R1，则D≈1/2，即输出信号的正负向脉冲宽度相等的矩形波（方波）。
根据蜂鸣器的性质，选择R13=1kΩ，R14=560Ω，C3=1uf，所得输出方波的频率为674Hz,占空比为73%
5.总体电路图
六.所实现的功能
1.已完成的功能
（1）在麦克风附近击掌，模拟异常响动，电路能发出报警声，持续时间大于5秒。
（2）增加报警灯，麦克接收到异响声时，灯亮，蜂鸣器响，持续7s左右。
2.主要测试数据
（1）测量放大器的放大倍数
放大器输入为峰峰值为10mV，频率为1kHz，占空比为50%的方波
输出为峰峰值为1V，频率为1kHz，占空比为50%的方波
2：
输入信号
3：
输出信号
（2）测量比较器的参考电压
通过万用表测得比较器的比较电压为3.21V。
（3）测量比较器的输出
麦克接收到信号后，比较器的输出如下：
输出在10V左右有上下0.5V的偏移。
麦克未接受到信号时输出为-10V的低电平
（4）测量震荡器的输出
NE555方波振荡器输出峰峰值为10V，偏移为5V频率为672Hz,占空比为71%的方波。
（5）测量报警时长
通过秒表测量报警时长，异响大小不同，时长不同，约在7s左右。
3．必要的测试方法
（1）测量麦克的输出信号、放大器的脉冲输出、比较器的输出波形均使用示波器测量
（2）测量比较器的参考电压等直流电压使用万用表
（3）测量报警时长使用秒表
七．故障及问题分析
1.拍手后麦克没有信号输出,后来经过检查发现麦克的偏置电压过小，加大麦克的偏置电流后麦克有信号输出。
2.通过震荡后蜂鸣器一直在响，接通电源就会报警，不会停止。
通过观察蜂鸣器两端的输入信号波形得知，电容使用不当，造成自激，经验证在不影响电路稳定及正常工作的情况下适当增大加载在震荡器上的电容就能使其正常工作。
3.调试时电源接通，没有报警，开始怀疑是555没有工作，被烧坏了，但是检测后发现前面几部分电路都工作正常，蜂鸣器、麦克单独测试也都正常，但是报警电路不工作，最后发现蜂鸣器的输入接错了位置接在了NE555的2脚上，在电路较复杂时实验一定要细心，不可犯此类低级错误。
4.比较电路接到震荡电路上以后麦克无声信号输入时，输出不为低电平，而是0。
考虑到震荡电路对比较电路的影响，在比较的输出之后，震荡的输入前接入一个单向导通的二极管1N4148，问题解决。
5.麦克接收到信号后，比较器的输出在10V左右有上下0.5V的偏移，并不是稳定的10V高电平。
通过分析我发现这是由于后级震荡电路对其产生的影响（在不接震荡时是稳定的10V高电平），但加入单项导通的二极管后并无明显改善，可能是因为震荡的传过来的低电平产生的影响。
因其对实验要求的实现并无影响，故将其搁置。
5.蜂鸣器的声音较小。
通过观察蜂鸣器两端的输入信号波形得知，高电平较低且持续时间较短，后在蜂鸣器输入端加上一个0.33uf的电容，给其一个适当的充放电过程，使蜂鸣器的声音更响亮。
此电容不能过大，否则会导致放电时间过长，蜂鸣器无法停止，不能过小，否则无法起到作用。
八．总结和结论
通过此次实验，我更加深入的了解了集成芯片的使用，了解了深度负反馈的深层次的含义，这次实验让我能够将电子电路课上所学到的知识运用到实践中去。
此次实验较为复杂，在实验的过程中应该分块进行调测，然后再将它们连接在一起进行调测，出现问题也应该一部分一部分的检测，缩小范围，提高效率。
在实验的过程中首先要认清问题，认真分析问题，只有认真地去分析问题才能更好的解决问题，分析问题时必须具备细心，耐心，恒心和毅力，同时还要实事求是地分析问题，不能为了应付课设的验收，要为了提高自己的动手能力，提高理解知识为目的，做电路板的每一步都要细心、耐心，认真考虑所遇到的问题，在实践中不断提高分析和动手能力。
通过这次设计型实验,提高了分析问题能力和动手能力，并验证了理论知识。
九．Multisim仿真原理图、波形图
1.Multisim仿真原理图
2.放大器的输入与输出
3.延时比较电路的输出
4.方波震荡器的输出
十．所用元器件及仪器仪表清单
1.元器件清单
元件序列号
元件名称及规格
个数
1
NE555
1
2
LM358
2
3
蜂鸣器
1
4
发光二级管
1
5
麦克
1
6
0.1uf的电容
2
7
1uf的电容
1
8
10uf的电容
1
9
560Ω的电阻
1
10
1kΩ的电阻
2
11
1.8kΩ的电阻
1
12
5kΩ的电阻
1
13
10kΩ的电阻
4
14
1MΩ的电阻
1
14
1N4148
2
2.仪器仪表清单
仪表序列号
名称
个数
1
示波器
1
2
直流稳压电源
1
3
信号发生器
1
4
万用表
1
参考文献
[1].张晓东，《报警集成电路和报警器制作实例》，北京人民邮电出版社
[2]刘宝玲，《电子电路基础》，高等教育出版社
[3].WAVESHAREELECTRONICS
[4].电路图之家
[5].电子电路图站
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