声光停电报警器论文.docx
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声光停电报警器论文
湖南现代物流职业技术学院
毕业设计（论文）
题 目：
声光停电报警器
专 业：
电子信息工程技术
年 级：
2009届
学生姓名：
杨春辉
学 号：
091300024
指导教师：
陈柱峰
2011年11月25日
停电报警器电路设计
摘要：
当220V交流电网停电时，它就会发出长约5min急促的“嘟-嘟-”报警声。
它是根据光电耦合器4N25的性能，变具有振荡器功能与非门CD4011的工作状态，起振时陶瓷B就会发出报警声音。
可用于装有自动打铃装置学校的传达室中，道停电后，采用人工打铃保证学校作息时间不受影响。
Abstract:
Presentedheredoesnotrequirebatterybackuppowerfailurealarm,whenthe220VACpoweroutage,itwillsendabout5minhasty"toot-toot-"alarmsound.Itisbasedontheperformanceofoptocoupler4N25tochangewithaNANDgateCD4011oscillatorfunctionandtheworkingstate,whentheceramicfilmsfromvibrationwhenthealarmwillsoundB.Itcanbeusedwithautomatedequipmentrangthebelloftheschooljanitor'sroom,knowing,afterpowerfailure,canbeusedbyhand-lingofschoolworkscheduleisnotaffected.
关键字：
无源报警器光电耦合器4N25D4011
目录
一、前言................................................................................................................................1
二、电路原理及主要功能模块.......................................................................................2
2.1电路原理图及其工作原理分析.....................................................................2
2.2振荡电路模块.....................................................................................................3
2.3整流电路模块.....................................................................................................5
2.4光电耦合电路模块............................................................................................7
三、集成芯片基本功能介绍........................................................................................9
3.1二输入端四与非门CD4011集成电路.................................................10
3.2光电耦合器4N2511....................................................................................12
四、元器件选择及其分析介绍..................................................................................14
4.1电阻...................................................................................................................14
4.2电容...................................................................................................................15
4.3二极管...............................................................................................................16
4.4压电陶瓷片........................................................................................................17
五、及其故障分析..........................................................................................................19
5.1元器件检测......................................................................................................19
5.2印刷电路板的规划及其元器件的安装...................................................19
5.3手工焊接...........................................................................................................20
5.4电路的调试，故障分析及其结果..............................................................20
六、结束语.........................................................................................................................21
6.1论文总结.............................................................................................................22
6.2工作展望.............................................................................................................22
参考文献，资料索引................................................................................................22
致谢.............................................................................................................................23
一、前言
在电子科学技术高速发展的今天，电子产品越来越多的应用在我们的日常生活中，像日常我们工作所用的电脑，手机等等，这些高科技产品给我们带来了极大的方便，这要归功于科学技术的高度发达。
如今，日常生活也越来越走向电子化。
无源停电报警器是我们所要做的毕业设计课题。
它的电路主要包括振荡电路，整流电路和光电耦合电路三大部分。
无源停电报警器涉及到《模拟电子技术》、《数字电子技术》中的相关知识。
特别是对一些电路的分析都涉及到《模拟电子技术》中所讲到的知识以及面对电路时的分析方法，思路。
通过对本设计的模块式的分开分析设计，如整体电路是由振荡电路，整流电路，光电耦合电路组成。
我们把原本复杂的电路简单化，部分化，最后再把每部分有机的结合起来，这样大大提高了工作效率，同时思路是相当明确。
毕业设计是重要，但更重要的是设计的思路、方法，我们不能单纯的拿一个产品与另一项产品作比较。
我们面对课题要深深挖掘它所包含的知识点和所含的问题，认真总结解决问题的方法。
面对常用的一些元件电阻、电容、集成电路等等，我们要把他们有机的结合在一起，争取创造出更多的实验成果。
二、路原理及主要功能模块
1电路原理图及其工作原理分析
（1）声光停电报警器的电路原理图如图所示:
（2）声光停电报警器的电路的工作原理:
图中A2即与非门A-D组成两个频率不等的振荡器，电路起振时，压电陶瓷片B就会发出"嘟-嘟"报警声响。
VD1-VD5，C1和C2组成电容降压桥式整流稳压电路，当220V电网正常供电时，C2两端输出15V左右的直流电。
直流电一路经R1使LED发光，表示电网供电正常;另一路经R2注入光电耦合器A1的1脚，使光电耦合器内藏发光管通电发光，因而光电耦合器内藏光敏三极管导通。
A1的5脚为低电平，使与非门A的输入端8脚也为低电平，有与非门的基础知识输出端4脚输出低电平，这时振荡器停振，压电陶瓷片B无声;真流电的第三条支路是经VD6向C5充上约15V直流电，为C5存储电荷。
一旦220V交流电网停电，C2储存电荷通过R1和LED泄放，很快降到0V。
这时有电指示灯LED熄灭。
同时，A1的内藏发光二极管也随之熄灭，光敏三极管截止，5脚输出高电平，使与非门A的输入端8脚也为高电平有与非门的基础知识输出端4脚输出高电平，所以A2的两个振荡器起振，B就发出"嘟-嘟-"报警声。
A2报警所需要电源来自电容C5储存的电荷，这时二极管VD6截止，C5储存电荷不会送到VD6左边电路去。
C5储存电荷只供A2使用，由于C5容量很大，且A2是CMOOS电路耗电极小，已满足使用要求。
当电网恢复供电时，LED又点亮，A1的5脚输出低电平，振荡器停振，C5又充满电荷。
2振荡电路模块
此模块电路是停电报警器电路的主题电路，它是A2即与非门A-D组成两个频率不等的振荡器，正是这部分电路的输出决定陶瓷片B的效果。
通常振荡电路有4部分组成:
放大电路，反馈网络，稳幅环节，选频网络组成。
其中反馈电路是正反馈电路，放大器的输入端外加输入信号Ui为一定频率和幅度的正弦波，此信号经过放大器放大输出信号Uo，而它又作为反馈网络的输入信号，在反馈网络的输出端产生反馈信号Uf。
如果把反馈信号Uf，作为输入端的输入信号Ui输入放大器，当Ui与Uf的大小相等且相位相同，输入端可维持一定频率和幅度的信号Uo的输出，从而实现自激振荡。
为了使振荡电路输出一个固定的频率正弦波，要求自激振荡只能在某一频率上产生，而在其他频率上不能产生，因此振荡电路必须有选频网络，使得只有通过选频网络输出的信号Uf和Ui相同的条件而产生自激振荡，而其他的频率不能满足条件产生不了自激振荡。
（1）电路构成及工作原理
1电路构成：
其中电解电容C5是"电源"，当220V交流电断电时，它所存储的电荷为振荡电路供电。
图中所示与非门B与R4，C3构成振荡器;与非门D与R5，C4构成振荡器;由于数值有差别，所以是两个频率不同的振荡器，即构成振荡电路。
陶瓷片B是振荡的电路的输出端，有声音效果。
②电路的工作原理：
它是有与非门B，R4，C3组成的振荡器，以及与非门D，R5，C4组成的振荡器，其原理如下:
用门电路组成的多谐振荡器（包括由反相器，与非门和或非门）在各种电子电路中几乎都能见到，用与非门组成的多谐振荡器如图所示。
其振荡周期T=2.2R2C1。
对于本设计，由于两个振荡器所包含的元件数值不同，有振荡周期公式T=2.2RC可计算出不同的振荡周期即不同的振荡频率。
一个是以与非门B为中心的振荡器，它的振荡频率f=1/2.2*R4*C3;另一个是以与非门D为中心的振荡器，它的振荡频率f=1/2.2*R5*C4。
显然两者产生频率不同的振荡频率，所以达到振荡效果，通过陶瓷片B就发出嘟-嘟的声音。
3整流电路模块
这部分的电路的主要作用是整流，通过整流稳压电路把实际外电网中的220V交流电整流成本次毕业设计所用的直流电，整流后得到的电压约为15V的直流电。
直流电基本分三条支路流动:
直流电一路经R1使LED发光，表示电网供电正常;另一路经R2注入光电耦合器A1的1脚，使光电耦合器内藏发光管通电发光，因而光电耦合器内藏光敏三极管导通。
A1的5脚为低电平，使与非门A的输入端8脚也为低电平，振荡器停振，压电陶瓷片B无声;真流电的第三条支路是经VD6向C5充上约15V直流电。
（1）电路构成及工作原理
1电路构成整流稳压电路是有VD1-VD5，C1和C2组成电容降压桥式整流稳压电路。
如图所示
图中最左端为220V交流电输入端，电容C1起降压的的作用，有四个二极管VD1-VD4组成的电桥是整流稳压的主题电路，它有把常用交流电转换成本实验直流电的作用。
C2的作用是电容滤波，形成电容滤波电路，可以获得平滑的直流电压。
而稳压二极管VD5稳定输出电压的的作用，把直流电稳定成某一固定值
②电路的工作原理
电路的工作原理可归纳为二极管导通，截止的过程
当二极管输入电压Ui上端为+时，D1，D3导通，D2，D4截止，其流向
（1）在ui的正半周，D1，D3导通，D2，D4截止，电流由TR次级上端经D1→RL→D3回到TR次级下端，在负载RL上得到一半波整流电压。
当二极管输入电压Ui上端为-时，D2，D4导通，D1，D3截止，其流向
（2）在ui的负半周，D1，D3截止，D2，D4导通，电流由Tr次级的下端经D2→RL→D4回到Tr次级上端，在负载RL上得到另一半波整流电压。
于是得到全波整流的效果，如图（图2。
3-4）。
○3发光二极管的工作此外此整流稳压电路模块包含一个:
发光二极管的点亮功能。
该功能具有指示作用，它的正常点亮表示电网正常供电。
当外电网正常供电时，经过整流稳压电路，电容滤波电路以及稳压二极管VD5的作用后，电解电容C2的+端产生约+15V的直流电。
直流电流过电阻R1，点亮发光二极管（LED）这说明此时外电网220V，供电正常。
如果外电网供电中断，整流稳压电路也就失去作用，电解电容C2所存储的电荷通过R1，LED泄放，很快降到0V，所以LED不亮。
当外电网通电时，整流稳压电路产生+15V的直流电，LED灯再次被点亮。
4光电耦合电路模块
这部分是可以说整个设计的控制部分，有承前启后的作用。
此模块的主要元件是光电耦合器4N25，它有着特殊的构造，对后面电路有控制作用。
根据前面整流稳压电路所提供的电流，4N25的输出端可以产生电平，这电平控制着后面的振荡电路。
（1）电路构成及工作原理
①电路构成
由电路图看出，光电耦合器4N25的输入端与电阻R2相连，光电耦合器的一引脚接地，其实这是一个发光二极管发光电路。
光电耦合器的一引脚（内部接光敏三极管的集电极）接的是振荡电路部分。
光电耦合器4N25是由发光二极管与光敏三极管封装在一起的。
2电路的工作原理
电路的工作原理可以说是特殊二极管与特殊三极管的联合作用。
整流稳压电路，电容滤波电路所产生的直流电经过R2流过光电耦合器的发光二极管，发光二极管会发光。
光照在光敏三极管的光敏部分，光敏三极管导通，三极管的集电极产生低电平，使与非门的输入端也为低电平，同样经过与非门振荡电路，这时陶瓷片的输入端B为低电平，当外网220V电压中断，整流电路不能产生直流电，没有电流通过发光二极管，二极管不发光，光敏三极管截止，三极管的集电极产生高电平，同样经过与非门振荡电路，这时陶瓷片的输入端B为高电平，所以发出报警声。
○3光敏三极管的工作原理光敏三极管和普通三极管的结构相类似。
不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，当有光照射在基区时，激发产生的电子--空穴对增加了少数载流子的浓度，使集电结反向饱和电流大大增加。
因此，光敏二极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通二极管。
三、电路集成块和集成芯片基本功能介绍
1、二输入端四与非门CD4011集成电路
CD4011为二输入正向逻辑与门。
CD4011与非门为系统设计者提供了直接的与非功能，补充了已有的COS/MOS门系列，所有的输入输出经过缓冲，改善输入输出传输特性，使得由于负载容量的增加而引起的传输时间的变化维持到最小。
（1）CD4011的内部结构图和管脚排列图
图3-1CD4011内外结构图
（2）组成CD4011集成电路有四个与非门集成，即单独的4个与非门。
引脚1，引脚2是与非门的输入端，引脚3是输出端;引脚5，引脚6是与非门的输入端，引脚4是输出端;引脚8，引脚9是与非门的输入端，引脚10是输出端;引脚12，引脚13是与非门的输入端，引脚11是输出端。
关于逻辑门中的与非门是经常被应用的，是较为基础的逻辑门。
A0011表3-1与非门逻辑真值表
B0101
Y1110
与非门的特殊作用:
与非门的输出端串接上由电容C和电阻R组成的反馈网络，把输出信号通过反馈网络反馈到与非门的输入端，这样可以形成自激振荡，组成振荡器应用与此电路。
TTL与非门图为五管TTL与非门典型电路图。
它可以分为三部分:
输入极，中间极（放大区），输出极三部分
a:
输入级:
它由多发射极晶体管T1和基极电组R1组成，它实现了输入变量A，B，C的与运算。
b:
中间级:
中间级由T2，R2和R3组成，是一个倒相器，从T2的集电极C2和发射极E2上可以分别获得两个相位相反的电压信号，用以供给输出级使用。
c:
输出级:
它是由T3，T4，T6和电组R4，R5组成。
其中T3，T4二管构成复合管，由于复合管T3，T4的基极信号为C2，T5的基极为E2，而C2和E2信号相位相差180o，所以T3，T4导通时T6截止;TTL与非门工作原理:
现把输入端A，B，C的输入信号分为两种情况进行研究:
（一）输入端全部接高电平当输入端A，B，C全部接高电平（3。
6V）时，由于T1管基极最多不能超过2。
1V（Vb1=Vbc1+Vbe2+Vbe5=0。
7V×3=2。
1V），所以T1所有发射结反偏而截止，此时T1处于倒置工作状态，集电极当发射极用。
T3基极Vc2=Vces2+Vbe5≈0。
3V+0。
7V=1V，使T3导通，此时T3射极电位Ve3=Vc2-Vbe3=1-0。
7≈0。
3V，它使T4截止。
对于T5管处深饱和状态，因此输出为逻辑低电平。
（二）输入端至少有一个接低电平，假定A端接地（0。
3V），B，C端都接高电平（3。
6V）时，T1管中对应A端发射结因正向偏置而导通，则Vb1=VA+Vbe1=0。
3+0。
7=1V，因而T1管的其它发射结均因反偏而截止。
由于Vb1=1V，它不足以使T1的集电结和T2，T6的发射结导通，所以T2，T5截止。
T2的集电极电位VC2≈Vcc=5V，电源VCC
经R2向T3提供基流，适当设计R3及β3，使T3处于微饱和状态。
由于T3的发射极电位总是小于集电极电位，所以T4集电结总是反向偏置，因此T4工作在放大状态，电路输出高电平。
2光电耦合器
4N25光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。
它由发光源和受光器两部分组成。
把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。
发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管，光敏三极管等等。
在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。
（1）4N25内部结构图和管脚排列图
内部是一个发光二极管与光敏三极管的组合封装而成，外部为六引脚的集成电路。
它采用双列直插式6脚塑封包装，其中3，6脚为空脚，只用其1，2和4，5四脚，其中2，4脚为接地脚（GND）。
（2）组成光电耦合器的主要结构是把发光器件和光接收器件组装在一个密闭的管壳内，然后利用发光器件的管脚作输入端，而把光接收器的管脚作为输出端。
这样，光接收器件由于光敏效应而在光照后产生光电流并由输出端输出。
从而实现了以"光"为媒介的电信号传输，而器件的输入和输出两端在电气上是绝缘的。
①发光二极管发光二极管即LED是应用相当广泛的元件，由于本身有可点亮这一特性，常常作为指示灯。
从图a）外观上看发光二极管有两个引脚，一长一短，长引脚接正极，短引脚接负极。
图b）是等效成理想情况下发光情景。
虽然在它的两端直接接上3V
103f
的电压后能够发光，但容易损坏，在实际使用中一定要串接限流电阻。
②光敏三极管光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。
通常基极不引出。
它通常和发光二极管一起使用，构成光电耦合元器件，如4N25，4N26，4N27，4N28等。
光敏三极管也是靠光的照射量来控制电流的器件。
它可等效看作一个光电二极管与一只晶体三极管的结合，所以它具有放大作用。
一般仅引出集电极和发射极，其外形与发光二极管一样。
不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，光敏三极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通三极管。
当具有光敏特性的PN结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电由基极进入发射极，从而在集电极得到一个放大了相当于β倍的信号。
四、元器件选择及其分析介绍
1、电阻
电阻，它是导体的一种基本性质，与导体的尺寸，材料，温度有关。
欧姆定律说，I=U/R，那么R=U/I，电阻的基本单位是欧姆，用字母""表示。
电阻的主要职能就是阻碍电流流过，并对电路有分压作用，如二极管的电路中经常有电阻起限流作用。
在本实验中电阻全部采用RTX-1/8W型碳膜电阻。
碳膜电阻器常用符号RT作标志，R代表电阻器，T代表材料是碳膜，RTX表示小型碳膜电阻，而1/8W表示电阻的额定功率。
碳膜电阻器的性能特点:
稳定性良好，负温度系数小，高频特性好，受电压和频率影响较小，噪声电动势较小，脉冲负荷稳定，阻值范围宽，因其制作容易，生产成本低。
价廉，故应用非常广泛。
（1）电阻的标识在国际上惯用"色环标注法"。
"色环电阻"占据着电阻器元件的主流地位。
"色环电阻"有的是用4个色环表示，有的用5个。
区别是:
4环电阻，一般是碳膜电阻，用3个色环来表示阻值，用1个色环表示误差。
5环电阻一般是金属膜电阻，为更好地表示精度，用4个色环表示阻值，另一个色环也是表示误差。
色环电阻的规则是最后一圈代表误差，对于四环电阻，前二环代表有效值，第三环代表乘上的次方数。
对于五环电阻，前三环代表有效数字，第四换代表几次方。
熟记以下色换代表的有效数值:
棕=1红=2，橙=3，黄=4，绿=5，蓝=6，紫=7，灰=8，白=9，黑=0对于最后一个色环即误差色环，它主要有三种颜色:
黄金色代表5%的误差，银色代表10%的误差，无色代表20%的误差
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