多功能防盗报警器的设计与实现497.docx
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多功能防盗报警器的设计与实现497
多功能防盗报警器的设计与实现4200097
本科毕业论文（设计）
题目多功能防盗报警器的设计与实现
多功能防盗报警器的设计与实现
摘要
随着人类的不断地向前发展，科技的日新月异，人们的生活水平有了很大的提高。
伴随着人们精神和物质生活的提升，各种高档贵重的物品充斥着大多数家庭。
因此，多功能防盗报警器在保护人们的财产安全方面就发挥了关键性的作用。
如今，很多家庭安装了较为安全的防盗门以及防盗门窗，还有一部分家庭使用了比较高档的防盗柜和电子摄像头装置来增加财产安全性。
如果再设计一种成本低、功能强大、性能可靠的防盗报警器用于居家生活中，在保护人们的财产安全方面必将会发挥更加有效的的作用。
因此，提出“MA-1型多功能防盗报警器”的设计与实现任务。
该MA-1型防盗报警器能够实现多路报警功能，通过延时触发器、警笛声发生单元以及警灯控制与驱动单元实现报警、震慑盗匪的目的，可以广泛适用于家庭以及中小型企业单位的防盗。
关键词：
多路报警;延时触发器;警笛声发生单元;警灯驱动单元
Designofmultifunctional anti-theftalarm
Abstract
Withthecontinuousdevelopmentofsociety,theadvancementoftechnology。
people'slivingstandardshavegreatlyimproved.Withtheimprovementofpeople'sspiritualandmateriallife,avarietyofhigh-endvaluablesisfilledwithmostofthefamilies.Suchpersonsandpropertyontheprotectionplayakeyroleintermsofmulti-functionalburglaralarm.Nowadays,manyfamiliesinstalledthesafersecuritydoorsandwindows,andthereisapartofthisfamilytousehigh-gradesecuritycabinetandelectroniccameradevicetoincreasethepropertysecurity.ifwecandesignakindoflow-cost,powerfulandreliableanti-theftalarm,whichwillplayamoreeffectiveroleintheprotectionofpersonsandproperty.Therefore,wetheputforward"multi-functionalburglaralarm,"thedesignandimplementationtasks.
TheMA-1alarmcanachieveavarietyofalarm.Themultifunctionalanti-theftalarmcanachievealarmandintimidatebanditsbyMulti-alarm,Delay-Triggers,Alarm-GeneratorandAlarm-lampdrivertodeterthievespurposes,itcanbewidelyusedinhomeburglarSMEunits.
Keyword:
Multi-Alarm;Delay-Triggers;Alarm-Generator;Alarm-lampDriver
1绪论
.1引言
随着经济的不断发展，社会的不断进步，防盗报警器在人们的日常生活中越来越流行。
从上个世纪开始，防盗报警器进入人们的生活之中，最早出现的是的机械式防盗器，之后防盗报警器开始迅速流行起来，出现了第一代开关式报警器，第二代振动式报警器以及第三代空间移动报警器，直到现在的联网式报警器。
目前，在全球范围内，安防产业最为发达的就属北美地区了，其中联网报警服务模式属于最成功的经营模式。
例如全球第一，北美最大的安防跨国公司就属美国棋诺亚公司，该公司现己拥有世界上最为先进的联网报警服务平台，它在世界各地都有自己的分公司，例如美国、加拿大、英国、香港、台湾等地。
然而在国内也有很多做安防的企业，他们虽然规模有限，但是生产的产品种类很齐全，产品的性能也很强大，而且这个行业一直在不断地发展，很有前景。
在现实生活中比较流行的有红外线报警器、声光报警器以及更为先进的指纹报警器。
这些报警器做工精密，灵敏度高，震慑性强，但是成本太高，受外界条件的影响很大，不适合在普通家庭以及小范围的区域中使用，而MA-1型多功能防盗报警器成本低，组装简单，不容易受外界环节的影响，所以更适合人们的家居生活。
.2设计任务与要求
1.MA-1型多功能防盗报警器能够实现双路报警功能，实际中可以安装在门和窗户上，当发生盗情时，门和窗户被盗匪打开，就会立即发出警笛声，以示震慑盗贼，并且延时一段时间。
2.当发生警情时，红、绿灯交替闪亮，周期是1-2s，并有警车的警笛声发出。
3.根据设计目标计算电路参数，选择合适的电路元器件。
4.根据原理图完成安装、调试，并撰写论文。
2MA-1型多功能防盗报警器的设计方案与原理
.1MA-1型多功能防盗报警器的设计思路
MA-1型多功能路防盗报警器是由直流电源电路、延时触发电路、警笛声发生单元以及警灯控制与驱动电路组成。
直流电源为MA-1型多功能防盗报警器提供+5V的直流电压，延时触发电路包括延时触发状态和即时触发两个状态，通过两个多谐振荡器组成，其中一个多谐振荡器控制警笛灯的闪烁，另一个形成两种不同频率的交替信号，通过扬声器发出警笛声。
.2MA-1型多功能防盗报警器的设计原理
1.接通电源（闭合S1），闭合开关k1，断开K2，IC1（CD4011）第4脚输出高电平，第3脚输出低电平，IC2（NE556）第4、10脚无电压不工作，报警指示灯D1和D2均不亮。
2、开关K1、K2均断开，电源对电容C4充电，随着C4上电压增加到与非门的阀值电压时，IC1第4脚输出低电平，第3脚输出高电平，IC2第4、10脚获得复位电平而正常工作，第5脚输出高低变化电平，通过IC1中两个与非门驱动指示灯交替闪烁，第9脚输出两种不同频率的脉冲，通过Q1驱动扬声器发出两种不同声响。
K1断开、K2闭合或者K1、K2都闭合，工作过程一致。
.3MA-1型多功能防盗报警器的组成框图
该MA-1型多功能防盗报警器需要提供稳定的直流电源，以实现持续供电的能力，同时不仅要给后续单元提供稳定的+5v电压，还需要提供足够的电流，以驱动发光二极管以及扬声器正常工作。
图2-3MA-1型多功能防盗报警器设计框图
3MA-1型多功能防盗报警器各部分电路的分析与原理
3.1直流稳压电源
直流稳压电源主要功能是为防盗报警器提供稳定的直流电压。
一般的家用电压220V50HZ的交流电压，它经过变压器的降压、桥堆的整流、电容的滤波以及稳压器的稳压作用，最终输出一个+5V的直流电压。
直流稳压电源的原理图如下所示：
图3-1直流稳压电源电路原理图
直流稳压电源是一种能够将交流电压经过变压、整流、滤波以及稳压等过程输出一个稳定的直流电压的电子电路。
它是由变压器、整流器、滤波器和稳压电路等四个部分构成。
1.变压器一般采用降压器，即是把高电压变换成同频率的低电压。
2.整流电路的任务是将交流电变成直流电［2］。
主要是靠二极管的单向导电作用，常见的整流电路包括半波整流、全波整流、桥式整流和被压整流电路。
桥式整流是最常用的整流器，它结构简单，整流效果好，效率高，能够满足绝大多数非精密电路的要求，桥式整流结构如下图所示：
图3-2桥式整流电路结构图
滤波电路是一种能够滤除波形中的杂质成分的电路，一般由电抗元件组成。
常见的滤波电路有电容滤波电路和电感滤波电路，而对于小功率整流电源来说应用较多的是电容滤波，电容滤波电路如下图所示：
图3-3电容滤波电路原理图
稳压器是一种能够使输出电压稳定的电路，稳压管分为两种，一种是固定输出式稳压管，另一种是可调式稳压管，最常用的稳压电路是串联型稳压电路，它是利用深度串联电压负反馈原理来达到稳压目的的电路，串联型稳压管电路主要由调整元件、基准电压、取样网络、比较放大电路等四部分组成，还包括过载或短路保护、辅助电源等辅助环节［1］。
下图为L78系列稳压管的原理框图：
图3-4L78系列稳压管的原理框图
稳压电路使用时经常会发生负荷超载和输出短路，此时，输出电流超出额定值，输出电压可能变为0，由于调整管的电流过大，电压高，会使三极管发热而损坏，所以，实际电路中常使用短路保护电路。
过流保护电路如下图所示：
图3-5过流保护电路原理图
在过流保护电路图中,Q1为稳压电路中的调整管，过流保护电路由过流取样电阻R和Q2构成。
正常工作时，Q1管输出电流在额定范围之内，电阻R上的压降不足以使Q2管发射结导通，Q2处于截止状态。
当输出电流超过额定值时，电阻R上的压降使Q2管导通，Ic2对I分流，进而使调整管的Ib1减小，Ic1也随之减小，由此限制了Ie1的增大，从而使调整管Q1的工作电流在允许范围内，起到了保护作用［1］。
3.2延时触发单元
延时触发单元的原理图如下所示：
图3-6延时触发单元的原理图
延时触发单元的主要功能是延时触发和即时触发，这部分电路单元主要是由延时触发开关K1、即时触发开关K2，与非门U1、U2，电容C4，以及电阻R9、R10、R11组成。
延时触发器的工作原理：
开关K2断开、K1都处于闭合状态，当直流电源刚接通时，由于电容C4的下极板接地电压为0，电容两极的电压不会突变，则电容两端的电压仍未0，电容处于充电状态，接入与非门后，U1的输出表现为高电平，U2的输出表现为低电平，从而使555定时器的异步复位端为低电平，定时器不工作，报警器不会报警，此是延时触发门处于关闭状态。
当开关K1断开、K2也断开时，由于电容处于充电状态，电容两端的电压会随着充电的过程而增大，选择适当的电阻R9、R11，当电容两端的电压接入到与非门U1，使与非门输入端为高电平，则与非门U2输入为高、低电平，输出表现为高电平，从而使555定时器的异步复位端为高电平，两个555定时器开始正常工作，报警器延迟一段时间会发出报警声，报警灯不断闪烁，此时延时触发门处于开启状态。
当开关K1、K2都闭合时，由于U2的一个输入端接地表现为低电平，无论另一输入端是高电平还是低电平，它的输出都表现为高电平，延迟触发门处于关闭状态，而防盗报警器会即刻报警。
.3警笛声发生单元
警笛声发生单元的主要功能是产生一个频率为1.5～1.8kHZ类似于警车的报警声。
这部分电路主要是由555定时器1,，电容C3、C2，电阻R5、R6、R8，三极管V1以及扬声器Y1组成。
警笛声发生单元主要部分为多谐振荡器，多谐振荡器是由555定时器接成的施密特触发器改接而成。
将555定时器的两个输入端连在一起就作为信号输入端就得到施密特触发器［2］。
多谐振荡器的原理图如下：
图3-7多谐振荡器的原理图
由555定时器1组成一个多谐振荡电路，产生一个周期性脉冲，振荡周期约为1～2s。
当发生警报时，延时触发门的RS触发器输出表现为高电平时，555定时器开始工作。
由于刚接通直流电源，电容C1两端的电压不会发生突变，使多谐振荡器的高触发端和低触发端表现为0电压。
它的输出端表现为高电平，则555定时器1的放电管处于截止状态。
直流电源通过R1、R2对电容C1进行充电，使电容C1两端的电压增加，当
时，定时器5脚的输出表现为低电平，则555定时器1的放电管导通状态。
电容C1通过电阻R2和定时器的1脚进行放电，电容C1上的电压开始逐渐的降低；当
时，定时器5脚的输出又表现为高电平。
如此周而复始的循环下去，产生周期为1～2s，占空比为的矩形波。
由555定时器2、电阻R5、R6以及电容C3组成一个高频振荡器。
555定时器1的输出端通过电阻R7作为555定时器2的控制电压，当
时，输出为定时器2的输出电压，即为高频振荡，当
时，输出为定时器2的输出电压，即为低频振荡。
扬声器驱动模块的原理图如下：
图3-8扬声器驱动模块的原理图
用三极管组成一个小功率放大器，以此驱动扬声器正常工作，三极管是电流控制电压，在电压不变的情况下，提高输出电流，由可知，功率也就相应地提高了。
.4警灯控制与驱动单元
警灯控制与驱动单元的主要功能是：
当发生贼情时，红、绿发光二极管交替闪烁，闪烁的频率为0.5～1HZ，以达到震慑盗贼的目的。
警灯控制与驱动单元的原理图如下所示：
图3-9报警灯驱动单元的原理图
警灯控制与驱动单元主要是由555定时器1，与非门U3、U4，电阻R1、R2，电容C1、C2以及发光二极管D1、D2等组成。
当没有警情发生时，则延时触发门处于关闭状态，555定时器不工作，警报指示灯都不亮。
当有警报发生时，则延时触发门处于开启状态，当555定时器1的3脚输出为低电平时，与非门U3输出表现为高电平，发光二极管D1不亮，与非门U4的输出表现为低电平，发光二极管D2正常发光。
当555定时器1的3脚输出为高电平时，与非门U3输出表现为低电平，发光二极管D1正常发光，与非门U4的输出表现为高电平，发光二极管D2不亮；如此依次循环下去，起到类似于警车的警报灯震慑作用。
4.MA-1型多功能防盗报警器电路参数的选择与计算
4.MA-1型多功能防盗报警器电路的原理图已经设计出来，基本功能在预想范围之内，电路中的很多电子元器件参数已经确定或者有的可以直接在手册查到，不用再考虑设计计算的问题，而有一部分元器件必须要适当考虑计算，选择合适的参数值。
.1集成电路的选择
555定时器是一种用途广泛的数字—模拟混合集成电路，利用它能够非常方便的构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等功能电路。
该集成电路使用方便、也很灵活，故555定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了广泛应用［1］。
该MA-1型多功能防盗报警器电路需要使用两个555定时器，故选用NE556芯片，这款芯片内部集成两个555定时器，属于双极型的时基集成电路，是一种能产生时间基准并能完成各种定时、延迟功能的非线性模拟集成电路。
NE556内部结构图如下：
图4-1NE556内部结构图
与非门属于数字电路的一种基本逻辑电路。
当输入均为高电平时，则输出为低电平；当输入中至少有一个为低电平时，则输出为高电平。
与非门的逻辑符号如下图：
图4-2与非门的逻辑符号图
逻辑表达式：
Y=（A·B）'=A'+B'通过表达式我们可以得到与非门的真值表如下：
输入端（A）
输入端（B）
输出端（Y）
低电平（0）
低电平（0）
高电平
（1）
低电平（0）
高电平
（1）
高电平
（1）
高电平
（1）
低电平（0）
高电平
（1）
高电平
（1）
高电平
（1）
低电平（0）
图4-3与非门的真值表
由于该防盗报警器电路中使用了四组与非门，故选用CD4011芯片，这款芯片中集成了四个与非门,属于CMOS门电路，其与非门是由两个并联的P沟道增强型MOS管和两个串联的N沟道增强型MOS管组成。
场效应管是一种电压控制电流的半导体器件［1］。
这种半导体器件不仅体积小、质量轻、功耗低、寿命长，而且还有输入阻抗高、低噪声、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单等特点，因而获得广泛应用，特别是MOSFET在大规模和超大规模集成电路中占有非常重要的地位［1］。
场效应管的种类很多，按基本结构来分，主要有两大类：
MOSFET和JFET［1］。
在MOSFET中，从导电载流子的带电极性来看，有N（电子型）沟道MOSFET和P（空穴型）沟道MOSFET［1］；按照导电沟道形成机理不同，NMOS管和PMOS管又各自有增强型和耗尽型两种［1］。
CD4011芯片的内部结构如下图所示：
图4-5CD4011芯片的内部结构
.2三极管的选择
S9014属于NPN型小功率晶体三极管，集电极—发射极最大电压为+45V，集电极—基极最高电压为+50V，射极—基极最大电压为+5V，集电极最大电流为100MA，功耗为0.4W。
.3警示灯和扬声器的选择
警灯D1、D2分别为普通红、绿发光二极管，这种二极管工作电压低，工作电流也很小，抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长。
扬声器是一种把电信号转变为声信号的换能器件，在报警器电路中，选择功率为0.5W、阻值为8Ω的扬声器。
.4电容的选择
C1=10μf/25VC4=100μf/25V
C3=0.1μf/10VC2=0.01μf/10V
C1、C4均为电解电容，C2、C3均为瓷片电容。
.5电阻的选择与计算
由C3=0.1μf，对于555定时器1组成的多谐振荡器，振荡周期为，振荡频率ｆ=1.5～1.8KHZ,计算出R5、R6的阻值，R5可取1ΚΩ,R6可以取10ΚΩ。
同样的C4=100μf，对于555定时器2组成的低频振荡器，振荡周期约为1～2s，由公式可求得R1=10ΚΩ，R2=100ΚΩ；以上所选的电阻均为五环色标电阻，有误差小的优点。
5安装与调试
.1安装
1.根据MA-1型防盗报警器的原理图设计出PCB图，合理布线，PCB板的尺寸尽量小，要避免分布参数的影响，然后制作PCB板。
2.准备好电子元器件，并做标记，以防止焊接过程中出现误差，在安装电子元器件时，要先安装集成器件的插槽。
3.认真完成电子元器件的安装焊接工作，避免出现漏焊、虚焊的情况，电烙铁的温度要选择合适，以防损毁电容、电阻等器件。
4.在焊接完成以后，要对部分焊点进行检查、处理，准备进行下一步调试工作。
5.2调试
1.根据从后向前的原则进行各电路单元的调试，先不安装集成电路模块，在三极管的基极接入合适的小信号，观察扬声器的工作情况，若有蜂鸣声，则证明报警声驱动单元能够正常工作，然后接入不同频率的小信号，若有不同声音发出，则证明报警声驱动单元服符合设计要求。
否则，要对该部分电路进行检修，进行错误排除。
2.装上555定时器2，开关K1、K2均断开，延时触发门处于开启状态，将定时器2的输出端（5脚）接示波器，在示波器上可观测到周期性的矩形波，周期为1～2S。
与此同时，红、绿发光二极管不断地交替闪烁，则警灯驱动单元正常工作。
否则，要对该部分电路进行检修，进行错误排除。
3.然后再装上555定时器1，开关K1、K2均断开，延时触发门处于开启状态，可听见扬声器发出音频声，同时红、绿发光二极管交替闪亮。
将定时器1的输出端（9脚）接示波器，在示波器上可观测到两种频率不同的周期性矩形波，矩形波的频率为1.5～1.8KHZ，则可证明报警声发生单元是正常的。
否则，要对该部分电路进行检修，进行错误排除。
4.最后装上所有的电路模块，开关K1、K2均断开，接通电源，观测是否按照设计要求出现延时触发，延迟时间为1～35S，若正常则闭合开关，此时，警报会立即解除，否则要对电路整体检修，以排除错误。
再将开关K1、K2均闭合，观测工作过程是否与以上过程一致，如果一致说明整个调试工作完成，电路正常工作，设计符合要求。
总结
2013年11月份，我通过不断地查找资料，并结合自身的情况最终在指导老师的辛勤地指导下确定“多功能防盗报警器的设计与实现”这个题目，而后我开始通过中国知网、学校图书馆等途径搜集资料，然而面对这个题目感觉还是无从下手，后来在指导老师的悉心指导下，我开始渐渐有了思路。
在14年的2月份，我开始整理自己搜集的大量资料，根据自己的思路，剥除很多对防盗报警器的设计与实现无用的资料，尽量保证资料的完整、权威、精确，这对我以后论文的撰写有很大帮助。
完成资料的搜集、整理工作后，我咨询了指导老师有关设计电路图方面的问题后，我开始着手原理图的设计，由于模电、数电和电子CAD制图都是以前学的，很多都忘了，我又花了很多时间重新拾起这些课程，熟悉之后在参考其他设计方案下，最终设计出原理图，并用AltiumDesiger6.9画出原理图，设计出PCB板，并且从网上订做了这个板子，采购电子元器件，完成焊接、组装、调试等工作，中间遇到了很多问题，我都积极的咨询老师，老师也都很耐心地帮我解决这些问题。
3月底，开始撰写论文，根据老师的指导，按照论文写作规范和要求一步一步的直到完成论文。
通过做这个毕业设计之后，我深刻体会到自己的知识储备是多么的少！
大学四年所学习专业知识的根本不够用，而且很多都忘了，基础知识不扎实，实践能力不强；为了能适应社会的发展，在今后的时间里，我要好好的复习、巩固专业课知识，努力提高专业素养，培养自己的动手能力，理论结合实践，增强自己的竞争力。
致谢
在这次毕业中，我真正体会到了全心全意地做一件事情是多么的有意义！
同时也使我养成了脚踏实地，认真严谨，实事求的学习态度，以及不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神。
这次实践磨练了我的意志，提高了我的动手能力，对我未来的生活和学习有很大的帮助。
在此，我要非常的感谢我的指导老师，以及帮助过我的同学们，是你们的悉心指导和帮助，使我能够顺利的完成毕业论文。
老师不仅知识渊博、治学严谨，而且还宽厚待人，使我深受感动。
从老师的身上，我不仅学到了很多的专业知识，也学到了做人的道理。
因此，我要向我的指导老师致以最衷心的感谢和深深的敬意。
参考文献
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高等教育出版社，1999年.
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高等教育出版社,2006年.
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高等教育出版社，1988年.
［4］赵保经.中国集成电路大全—CMOS集成电路（第一版）.北京：
国防工业出版社出版，1985年.
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国防工业出版社出版，1985年.
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JohnWiley&Sons,Inc,1969.
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VanNostrandReinhold,1994.
附录
用AltiumDesiger6.9画原理图如下：
图一MA-1型多功能防盗报警器的原理图
元件清单表如下：
元件型号
参数
标号
数量
电阻
10KΩ
R1，R6，R10
3
100KΩ
R2，R9
2
510Ω
R3，R4
2
1KΩ
R5，R8
2
5.1KΩ
R7
1
560Ω
R11
1
电解电容
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