电子设计声光报警系统.docx

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电子设计声光报警系统

海南师范大学

实用声光报警器设计报告

组员：

童伟燕王家万龚剑邓松

冯大捷蔡力程超超

专业：

自动化

年级：

2007级

学院：

物理与电子工程学院

系别：

自动化系

完成日期：

20010年6月

指导教师：

曲春英

（一）各小组组员分工表

小组成员

工作任务分配

童伟燕

本组组长，协调各组员之间的分工与合作，负责设计方案的制定与设计，参与硬件电路的设计及制作

王家万

负责设计方案的制定与设计，参与硬件电路的设计及制作

龚剑

负责硬件电路的设计及制作，参与设计方案的制定与设计

冯大捷

负责硬件电路的设计及制作，参与设计方案的制定与设计

邓松

负责硬件电路的设计及制作，参与设计方案的制定与设计

蔡力

负责资料的收集及撰写设计报告，参与硬件电路的设计及制作，

程超超

负责资料的收集及撰写设计报告，参与硬件电路的设计及制作，

（二）设计中所用元器件清单

元器件名称

数量

开关

1个

6V电源

1个

蜂鸣器HMB

1个

定时器NE555

1片

四二输入与非门CD4011

1片

LED发光二极管

1个

红外光敏二极管FPD-302

1个

电解电容100µ

1个

电解电容220µ

1个

电容0.1µ（106p）

1个

电容0.01µ（105p）

1个

电阻330Ω1/4w

1个

电阻4.7k1/8W

1个

电阻2.2M1/8W

2个

电阻470k1/8W

1个

电阻20k1/8W

1

（三）内容及要求

本设计主要由红外光敏二极管构成信号检出电路、单稳态触发器、可控超低频多谐振荡器、讯响器驱动电路和发光二极管驱动电路等构成（如图1所示）。

1.信号检出电路

由2M的电阻与红外光敏二极管反向串联组成直流分压电路及其分压输出所接的CD4011中的一个与非门构成。

2.单稳态触发器

由型号为NE555的定时器及相关的电阻、电容组成。

这些电阻和电容构的参数决定了NE555输出的暂稳态持续时间，这里为了得到约5秒的暂稳态持续时间，选用了20K的电阻、接在NE555引脚6的电容值选为为220µ、接在5脚的电容值选为0.01µu。

3可控超低频多谐振荡器

由CD4011中的两个与非门及决定其振荡周期的电阻电容构成。

4、讯响器及发光二极管驱动电路

可控超低频多谐振荡器的输出端经4.7K电阻后再接入VT9012三极管的基极，电流经三极管放大后便能驱动讯响器，讯响器选用的是HMB小型蜂鸣器；而LED的驱动则由可控超低频多谐振荡器的输出直接驱动，当然要加上一个330欧的限流电阻。

（四）传感器工作原理

红外光敏二极管：

与普通光敏二极管一样，它的PN结具有单向导电性，因此，光敏二极管工作时应加上反向电压，如图所示。

当无光照时，电路中也有很小的反向饱和漏电流，一般为1*10-8--1X10-9A（称为暗电流），此时相当于光敏二极管截止;当有光照射时，PN结附近受光子的轰击，半导体内被束缚的价电子吸收光子能量而被击发产生电子一空穴对O这些载流子的数目，对于多数载流子影响不大，但对P区和N区的少数载流子来说，则会使少数载流子的浓度大大提高，在反向电压作用下，反向饱和漏电流大大增加，形成光电流，该光电流随入射光强度的变化而相应变化。

光电流通过负载RL时，在电阻两端将得到随人射光变化的电压信号。

光敏二极管就是这样完成电功能转换的。

（五）工作原理

声光报警器电路如下图所示。

图1声光报警器电路

它由信号检出电路、单稳态触发器、可控超低频多谐振荡器、讯响器驱动电路和发光二极管构成的。

电阻R1与红外光敏二极管VD（以开关SW2代替）反向串联构成直流分压电路，其输出接与非门U1A的输入端（1脚、2脚），平时由于VD受光照，其反向电阻比R1小得多，相当于SW2是闭合的，因此直流分压的输出电压低于与非门U1A的输入阀值电压，与非门U1A处于关闭状态，其输出端为高电平（3脚），对后面电路不起触发作用，整个电路处于静止状态，总电流仅为3mA左右。

一旦红外光敏二极管VD被遮光，起反向电阻迅速增加（相当于SW2断开），此时直流分压器的输出电压高于与非门U1A的输入阀值电压，与非门U1A被开通，其输出端由高电平变为低电平，触发U2构成的单稳态触发器电路工作。

再经后面电路驱动，发出报警信号。

可见信号检出电路由R1，VD（SW2）和与非门U1A构成。

单稳态触发器由U2（NE555）及外围元件R3、C1、C2构成。

接通电源后，通过电阻R3对电容C1充电，当C1两端电压上升到大于2/3Vcc时，U2的输出端（3脚）为低电平，同时电容C1通过U2内部电路放电，电路进入稳态。

若U2的触发器（2脚）输入电压小于1/3Vcc，电路就发生翻转而进入暂稳态，U2输出为高电平，同时电容C1又开始充电。

当C1两端电压上升到2/3Vcc时，电路又发生翻转而变成稳态，输出（3脚）为低电平。

暂稳态持续时间可按1.1R3C1估算，如R3=20kΩ、C1=220µF时，可算得暂稳态持续时间（也称输出脉冲或延迟时间）约5s。

在暂稳态持续时间内，触发脉冲将不起作用。

电路的暂稳态持续时间保持不变，它属于“非重触发”单稳态电路。

可控超低频多谐振荡器由CD4011中的与非门U1B、U1D及外围元件R4、R2、C3构成。

当控制输入端（8脚）位高电平时，振荡器工作；当8脚为低电平时，振荡器不工作。

因此，振荡器振荡周期由R2和C3的乘积决定，例如，当选定R2=2MΩ、C3=0.1µF时，实测振荡器周期约等于0.5s。

振荡器暂停时，与非门U1B的输出（10脚）为高电平，因其输出端接至与非门U1C的两个输入端（5、6脚），所以与非门U1C的输入端（4脚）为低电平，LED不亮。

同时，与非门U1D的输出端（11脚）也为低电平，三极管Q1截止，讯响器（蜂鸣器）无声。

振荡器工作时，与非门U1B的输出电平一低一高交替变化，从而使与非门U1C和U1D的输出电平做相应地变化，即由与非门U1C驱动LED一闪一闪的发光，同时由与非门U1D推动三极管Q1进行脉冲功率放大后是蜂鸣器LS1发出“嘀-嘀-”报警声。

由于振荡器工作时间长短完全由前级的单稳态电路的延迟时间决定，所以声光报警时间经过约5s后就会自动停止，随后即等待下一次控制信号的到来。

如果光敏二极管Q1不断地被遮光，本装置将不断地发出声光报警，此时实测最大工作电流≤33mA。

电路工作时U1A的输入端（1脚、2脚）,U2的输出端（3脚）,U1B的输出（10脚）,U1D的输出端（11脚）的电压波形关系如下图所示

图2电路工作波形

（六）参考文献

1.杨素行.模拟电子技术基础简明教程.北京：

高等教育出版社，1997年

2.余孟尝.数字电子技术基础简明教程.北京：

高等教育出版社，2005年

（七）设计中的问题及解决方法

1、方案设计及仿真过程遇到的问题：

学院电子元器件库存不全，Proteus元件库有限，器件的选取捉襟见肘，困难重重。

解决办法：

在学长、老师的帮助下，集体合力攻关，利用等效替换等原理，对原电路进行改造，使器件的选取首先向实验室现有资源靠拢，在此基础上尽量选取在proteus中能找的到的元件，在万不得已的情况下，可考虑选用实验室里或proteus没有的元器件。

最后改造出来的设计方案不仅仿真度极高，而且可行性也很强。

2、硬件设计与实现过程遇到的问题：

由于硬件电路是使用万用版来搭建的，因此，焊接起来比较麻烦，在调试阶段还出现了蜂鸣器不响和报警不延迟的故障。

解决办法：

集体攻关，反复检查，理论联系实际，最后终于找到了故障发生的原因：

蜂鸣器不鸣原来是正负极反接的缘故，报警不延迟是由于漏焊了一个电容引脚而造成的。

原因找到了，故障的排除便是显而易见的。

（八）总结

本设计主要是利用红外光敏二极管构成信号检出电路、并加以单稳态触发器、可控超低频多谐振荡器、讯响器驱动电路和发光二极管驱动电路等构成声光报警器。

在设计的过程中，我们确实遇到很多棘手的问题，但我们不抛弃不放弃，依然潜心专研，团结合作，最后在同学和老师的帮助下，终于闯过了一道道难关，并最终完成了课程的设计。

一路走来，感触很多，通过此次课程设计，让我们深深的体会到了团队间的共同协作的重要性，也意识到自己的动手能力和解决问题的能力急需提高。

（九）附录

附录1.系统总体仿真电路图

图2.系统总体仿真电路图

附录2.NE555

NE555是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。

NE555的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。

NE555时基电路有两种封装形式有，一是dip双列直插8脚封装，另一种是sop-8小型（smd）封装形式。

其他ha17555、lm555、ca555分属不同的公司生产的产品。

内部结构和工作原理都相同。

NE555的内部结构可等效成23个晶体三极管.17个电阻.两个二极管.组成了比较器.RS触发器.等多组单元电路.特别是由三只精度较高5k电阻构成了一个电阻分压器.为上.下比较器提供基准电压.所以称之为555.

NE555属于cmos工艺制造.

NE555电路引脚图如下

NE555电路内部方框图如下

a.NE555的特点有：

1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。

其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。

2.它的操作电源电压范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。

3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。

4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。

5.静态电流 最大值 VCC=5V,RL=∞=6mA VCC=15V,RL=∞=15mA 

b.NE555引脚图功能配置说明下：

                                        图1-2NE555各脚功能-管脚图

Pin1（接地）-地线（或共同接地），通常被连接到电路共同接地。

Pin2（触发点）-这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。

触发信号上缘电压须大于2/3VCC，下缘须低于1/3VCC。

Pin3（输出）-当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。

周期的结束输出回到O伏左右的低电位。

于高电位时的最大输出电流大约200mA。

Pin4（重置）-一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。

它通常被接到正电源或忽略不用。

Pin5（控制）-这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。

当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。

Pin6（重置锁定）-Pin6重置锁定并使输出呈低态。

当这个接脚的电压从1/3VCC电压以下移至2/3VCC以上时启动这个动作。

Pin7（放电）-这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。

Pin8（V+）-这是555个计时器IC的正电源电压端。

供应电压的范围是+4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）。

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

附录3.9014三极管

9014三极管参数

　　集电极最大耗散功率PCM＝0.4W（Tamb=25℃）

　　集电极最大允许电流ICM=0.1A

　　集电极基极击穿电压BVCBO=50V

　　集电极发射极击穿电压BVCEO=45V

　　发射极基极击穿电压BVEBO=5V

　　集电极发射极饱和压降VCE（sat）=0.3V（IC=100mA;IB=5mA）

　　基极发射极饱和压降VBE（sat）=1V（IC=100mA;IB=5mA）

　　特征频率fT=150MHz

HFE：

A=60~150;B=100~300;C=200~600;D=400~10

附录4.CD4011

CD4011电气特性:

VDD电压范围：

－０.5Vto18Ｖ

功耗：

双列普通封装700mW

小型封装500mW

工作温度范围：

CD4011BM-55℃-+125℃

CD4011BC-40℃-+85℃