北郵模電實驗聲控報警電路.doc

北京郵電大學電子電路測量與設計實驗實驗報告題目：聲控報警電路 姓名：李英民 學號：2014210579 班級: 2014211120 學院: 信息與通信工程學院 2016年 4 月1、 課題名稱聲控報警電路2、 摘要及關鍵字（1） 摘要：當今社會，對報警系統(tǒng)的需求越來越大，電子報警器應用于安全防范，系統(tǒng)故障，交通運輸，醫(yī)療救護等領域，和社會生產密不可分。本實驗就針對聲控報警電路進行設計和電路拼搭，通過實際面包板電路和仿真電路對報警電路的局部電路和整體電路兩方面進行電路介紹和功能分析。并分析在實驗中遇見的問題，困難及解決方法，最后總結本實驗結束后的心得體驗。（2） 關鍵字：報警器；CD4011；無源蜂鳴器；LM358 3、 設計任務要求1、基本要求： 在麥克風近處擊掌（模擬異常響動），電路能發(fā)出報警聲，持續(xù)時間大于5 秒。聲音傳感器用駐極體式咪頭，蜂鳴器用無源壓電式蜂鳴器2、提高要求： A、增加報警燈，使其閃爍報警。 B、增加輸出功率，提高報警音量，加強威懾力。4、 設計思路及總體結構框圖（1） 設計思路：駐極體式咪頭作為聲音傳感器，將擊掌產生的聲信號轉化為電信號，微弱的電信號經(jīng)過反相放大器放大，放大信號進入同相比較器，比較器根據(jù)實驗可以設置合理的比較電壓 VREF，當放大信號高于比較電壓 VREF 時，放大器輸出高電平促發(fā)方波振蕩器開始工作，振蕩產生的方波經(jīng)三極管放大即可驅動無源式蜂鳴器發(fā)出報警聲音。但由于一次拍手產生的電信號只有短暫的信號，故還需要在比較器后加入延時電路，利用時間常數(shù)的特性來延長報警時間（2） 總體結構框圖： 麥克 放大器 電壓比較器 方波振蕩器RC延時電路 蜂鳴器 閃爍電路5、 分塊電路和總體電路的設計（1） 分塊電路：1、 蜂鳴器驅動電路注意：（1）蜂鳴器的構造，其背面帶有三條小線的那一級是接地端（2）麥克風中的場效應管的 UDS 一般在 1.5V4.5V 之間，而 IDS 一般在0.1mA1mA之間，如果在Vcc=15V的條件下工作，計算得出上拉電阻的大小應該為15K左右2、 信號放大單元（1） 說明實驗中放大電路由LM358來實現(xiàn)，根據(jù)運算放大器的工作原理，u0=(Rf/R1)ui（正相放大器或反相放大器均可）?？梢酝ㄟ^改變兩個電阻的阻值，使放大器的放大倍數(shù)為100倍。本實驗中使用兩級反相放大電路，最終放大效果仍為正向放大。（2） LM358簡介LM358中含有兩個運算放大器，所以可以設計成兩級放大器。本實驗中應用雙電源工作模式，雙電源(12V)。其引腳圖如下：（3） 實際電路設計（4） 設計過程放大倍數(shù)：Av=100K/10K*100K/10K=100倍考慮到電阻箱中的器材，選擇10K和100K電阻作為實驗元件3、 電壓比較器（1）電壓比較器也采用LM358組成，仍然采用雙12V電源。另外電壓比較器擁有兩個輸入端，反相輸入端通過上拉電阻連接+12V左右的電源，同相輸入端輸入前級放大器的輸出。當比較信號大于參考電壓（3V左右）時，輸出+12V，當比較信號小于參考電壓時，輸出-12V。（2）輸出波形如下：（3） 電路圖如下：RC延時電路（4） 設計過程：綜合靈敏度和輸出信號峰峰值的要求，選擇比較電壓為3V左右的VREFVREF=Vcc*（R1/（R1+R3），計算出R1=9K，R3=3K4、 RC延時電路（1） 原理因為聲控報警電路是以擊掌為信號，擊掌時間很短，而希望蜂鳴器可以長時間報警，所以需要設計一個延時電路，本實驗采用RC電路。當有高電平加在電路輸入端時，電容C開始充電，直到電容兩端電壓與高電平相等。當高電平變成低電平時，電容C開始通過電阻R放電，直到電容C儲存的電荷全部釋放。通過這樣快充慢放的過程實現(xiàn)電路電壓下降的延時功能。（2） 原理圖（3） 實際電路設計RC延時電路（4） 設計過程根據(jù)實驗要求，延時時間應該大于5s，那么再根據(jù)實驗箱內部的元器件，所選擇的電阻、電容分別為：R5=1M，C1=10uF5、 方波震蕩電路（1） 原理圖方波振蕩器電路是由與非門與電阻電容組成，通過電容的充放電，來實現(xiàn)輸出的高低電平的相互交換（矩形脈沖信號），從而出現(xiàn)合適的頻率驅動后一級的蜂鳴器。（2） 工作原理當輸入UO一個高電平時，該方波振蕩器依靠電容 C的充電與放電引起反饋電壓 VA的變化來實現(xiàn)振蕩，當VA達到與非門的閥值電壓Vth時，實現(xiàn)輸入與出端的反相。（假設出示狀態(tài)是門G1輸出低電平VOL，門G輸出高電平VOH）工作過程如下：（2.1）當VA正好降至閥值電壓Vth，G1輸出電壓VB翻轉，VO也跟隨翻轉，且跳變值均為VOH -VOL，由于電容C兩端的電壓不能突變，所以VA下降VOH-VOL，低于閾值電壓Vth。此時，門G1輸出高電平VOH，門G輸出低電平VOL。（2.2）此后門G1電容反向充，使VA逐漸上升至門G1的閥值電壓Vth， VA上升VOH-VOL，電路各部分輸出繼續(xù)翻轉，門G1輸出低電平VOL，門G2輸出高電平VOH。（2.3）此后電容C開始放電，使VA開始下降。當VA下降至門G1的閥值電平Vth時，電路再次發(fā)生翻轉門G1輸出高電平VOH，門G2輸出低電平VOL。經(jīng)過電容C的耦合使的耦合使VA再次下降VOH -VOL，電路又回到第一次翻轉后的狀態(tài)，振蕩器如此產生振蕩。 （3） 實際電路設計（4） 設計過程其頻率計算公式為：f=1/（2.2*R3*C2），在R2阻值大于20*R3的情況下，可以設計其參數(shù)值為 R2=820K，R3=47K，C2=0.01uF6、 報警電路（1） 原理：本實驗中提供的是無源蜂鳴器，而無源內部不帶振蕩源，所以直流信號無法令其鳴叫。必須用方波振蕩器提供一個頻率為2K5K的方波去驅動它。根據(jù)無源蜂鳴器無法用直流電壓確定的特點，可以為其設置一個直流偏壓。當報警聲音較小時，可用晶體管來放大。（2） 實際電路：（3）可通過調節(jié)電位器的大小來改變蜂鳴器的聲音大小7、 燈光閃爍電路（1） 原理：發(fā)光二極管產生人眼可識別的閃爍，需要用振蕩器產生一個頻率較低的方波，CD4011與非門中包含四個與非門電路，其中兩個用于驅動蜂鳴器，可以用另外兩個與非門來驅動發(fā)光二極管，兩者原理相同，只是產生的信號的頻率不同，只需要改變電容或者電阻的大小。（2） CD4011變頻電路計算可知把輸出方波的頻率設計在60HZ左右（3） 實際電路注意二極管之前一定要接一個幾百歐的限流電阻放大單元延遲比較電路（2） 總體電路設計：方波震蕩電路延遲電路6、 實現(xiàn)功能簡介及說明（1） 基本要求：1、 報警時間大于5S（1） 在基本電路搭建完成之后，報警時長大概在7S左右，滿足實驗基本要求（2） 基本實驗電路如下：（2） 提高要求：1、 增加報警音量（1） 在蜂鳴器前加入電位器（2） 給蜂鳴器加入直流偏置（3） 實際電路2、 增加報警燈（1） 改變CD4011震蕩頻率（2） 加入限流電阻（3） 增加發(fā)光二極管（4） CD4011變頻（5） 實際電路7、 故障及問題分析（1） 故障一：聲音采集單元輸出的電壓過小，無法正常傳輸?shù)较乱患?處理方法：由于 LM358 搭建的放大電路輸入阻抗過大，聲音采集單元無法驅動該大負載，故在聲音采集單元輸出端與地之間跨接一個 2K 的電阻，減小輸出阻抗改變的電路如下：（2） 故障二：拍手聲音過小，則延時時間不達標 處理方法：延長時間過短是因為比較器輸出的電壓過低，高電平在下降很短時間內即已無法驅動后級。故增大放大倍數(shù)，即增大比較器的輸入，同時相應調高參考電壓，即可使比較器輸出較高電壓的高電平，該高電平在下降過程中，有相對較長的一段時間可以達到驅動后級的標準。這樣反復試驗調節(jié)即可使音量較小的輸入也可以從高電平緩慢下降，正常延時（3） 故障三：蜂鳴器聲音過小，不夠洪亮處理方法：調節(jié)蜂鳴器旁的電位器，使其電阻減小，增大輸入到三極管 B 極的電流，繼而增加 C 級流過蜂鳴器的電流，以達到增加蜂鳴器驅動功率的效果。邊調節(jié)邊聽聲音，也防止過大電流燒壞蜂鳴器（4） 故障四：發(fā)光二極管只亮不閃爍處理方法：錯誤的將發(fā)光二極管跨接在蜂鳴器方波驅動器的輸出端，因為蜂鳴器的驅動需要頻率在 2K-5K 的方波，該頻率下的發(fā)光二極管不可能產生肉眼可見的閃爍。故再設置一個振蕩頻率小的方波振蕩器即可（5） 故障五：電源接通蜂鳴器即發(fā)聲處理方法：由于直流原因，會導致電源接通蜂鳴器即發(fā)出聲音，應該在放大級后邊串聯(lián)一個隔直電容電路如下：隔直電容8、 總結和結論（1） CD4011引腳圖（2） 心得（1） 一定要提前做好預習工作，到了實驗室不是臨時查閱資料而是直接按預習操作，否則兩次試驗很難直接完成實驗，我就是提前做了預習，所以一次課就把基本實驗要求全部做完，并且蓋完了所有的章。（2） 弄清楚實驗原理才是關鍵，很多人做實驗并不知道實驗原理，只會抄網(wǎng)上的實驗電路，連一個參數(shù)都不改，這樣必定會造成實驗失敗，因為網(wǎng)上的電路都是錯的。（3） 搭建面包板電路時，要有秩序：從左到右，從上到下。特別需要注意有以下幾點：電阻阻值是否正確，電解電容、二極管等器件正負極是否連接正確，運算放大器，、與非門是否接地、接正電壓，引腳是否連接正確，電路元件在面包板上是否正確連接。9、 Multisim仿真原理圖、波形圖（1） 放大電路：（1）電路設計（2）測試波形（2） 延遲比較電路：（1） 電路設計（2） 測試波形（3） 震蕩電路：（1） 電路設計（2） 測