雙音電子門鈴設(shè)計(jì)

1、目 錄摘要1 Proteus軟件學(xué)習(xí)11.1 Proteus簡介11.2 Proteus 的功能特點(diǎn)11.3 Proteus電路功能仿真22 電路設(shè)計(jì)思想33 設(shè)計(jì)方案論證與比較44部分電路簡介54.1 芯片簡介54.2 充放電回路75 電路原理85.1 基于雙T正弦波振蕩器構(gòu)成的電子門鈴電路85.2 雙音電子門鈴電路(拓展部分)86 設(shè)計(jì)過程及步驟107 仿真流程118 仿真結(jié)果與分析138.1基于雙T正弦波振蕩器構(gòu)成的電子門鈴電路138.2 雙音電子門鈴電路（拓展部分）149 影響電路起振，波形失真及穩(wěn)定性的主要因素1610 總結(jié)17心得體會(huì)18參考文獻(xiàn)19基于雙T正弦波振蕩器或RC正弦波

2、振蕩器設(shè)計(jì)的電子門鈴1 Proteus軟件學(xué)習(xí)1.1 Proteus簡介本次強(qiáng)化訓(xùn)練中對(duì)仿真有明確的要求，這就要求我們必須對(duì)所要求的使用的仿真軟件有一定的了解和使用熟練度，這里先對(duì)軟件作簡略的介紹。Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件

3、)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。1.2 Proteus 的功能特點(diǎn)Proteus軟件具有其它EDA工具軟件（例：multisim）的功能。這些功能是： （1）原理

4、布圖 （2）PCB自動(dòng)或人工布線 （3）SPICE電路仿真 革命性的特點(diǎn) （1）互動(dòng)的電路仿真 用戶甚至可以實(shí)時(shí)采用諸如RAM，ROM，鍵盤，馬達(dá)，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。 （2）仿真處理器及其外圍電路 可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機(jī)。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型 上編程，再配合顯示及輸出，能看到運(yùn)行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Proteus建立了完備的電子設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境。1.3 Proteus電路功能仿真在PROTEUS繪制好原理圖后，調(diào)入已編譯好的目標(biāo)代碼文件：*.HEX，可以在PROTEUS的

5、原理圖中看到模擬的實(shí)物運(yùn)行狀態(tài)和過程。課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生走向就業(yè)的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。由于PROTEUS提供了實(shí)驗(yàn)室無法相比的大量的元器件庫，提供了修改電路設(shè)計(jì)的靈活性、提供了實(shí)驗(yàn)室在數(shù)量、質(zhì)量上難以相比的虛擬儀器、儀表，因而也提供了培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐精神、創(chuàng)造精神的平臺(tái) 隨著科技的發(fā)展，“計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)”已成為許多設(shè)計(jì)部門重要的前期設(shè)計(jì)手段。它具有設(shè)計(jì)靈活，結(jié)果、過程的統(tǒng)一的特點(diǎn)。可使設(shè)計(jì)時(shí)間大為縮短、耗資大為減少，也可降低工程制造的風(fēng)險(xiǎn)。相信在單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用中PROTEUS也能茯得愈來愈廣泛的應(yīng)用。 使用Proteus 軟件進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì), 是虛擬仿真技術(shù)和計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)相結(jié)合的綜合運(yùn)

6、用，有利于培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力及仿真軟件的操作能力；在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)和全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽中，我們使用 Proteus 開發(fā)環(huán)境對(duì)學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)，在不需要硬件投入的條件下，學(xué)生普遍反映，對(duì)單片機(jī)的學(xué)習(xí)比單純學(xué)習(xí)書本知識(shí)更容易接受，更容易提高。實(shí)踐證明，在使用 Proteus 進(jìn)行系統(tǒng)仿真開發(fā)成功之后再進(jìn)行實(shí)際制作，能極大提高單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率。因此，Proteus 有較高的推廣利用價(jià)值。2 電路設(shè)計(jì)思想本設(shè)計(jì)的要求是基于雙T振蕩器或者RC振蕩電路設(shè)計(jì)一個(gè)電子門鈴電路，要想設(shè)計(jì)出電子門鈴電路，就要滿足電子門鈴的特點(diǎn)。要求達(dá)到的效果應(yīng)該是按下按鈕電路就會(huì)產(chǎn)生震蕩，從而讓門鈴產(chǎn)生“滴滴滴”的響聲，

7、松開按鈕以后在延時(shí)電路的作用下震蕩應(yīng)該再持續(xù)片刻然后停止，門鈴的聲音也隨之消失。另外，本次強(qiáng)化訓(xùn)練所作的拓展則是雙音電子門鈴，在按下按鈕的時(shí)候會(huì)發(fā)出“叮咚”的聲音，如果想要讓電路發(fā)出“叮咚”的聲音，就得使電路具有2個(gè)不同的頻率，即存在2個(gè)不同的狀態(tài)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)頻率出現(xiàn)時(shí)，使其發(fā)出“叮”的聲響，當(dāng)?shù)诙€(gè)頻率出現(xiàn)時(shí)，使其發(fā)出“咚”聲響，當(dāng)按鈕彈起時(shí)，聲響消失。若要完成這樣的電路，可借助于555定時(shí)器以及電阻、電容來完成，此電路在不同的充電放電狀態(tài)時(shí)具有不同的充電時(shí)間常數(shù)，所以就可以有不同的頻率，在不同的頻率下，電路可以發(fā)出不同的聲音，即所謂的電子門鈴的響聲，從而完成了電子門鈴電路的設(shè)計(jì)。3 設(shè)計(jì)方案

8、論證與比較方案一：不用電池的雙音門鈴此電子門鈴電路不需要電池，電路是常規(guī)的電話機(jī)振鈴電路的變形。電路中設(shè)有門鈴按鈕，當(dāng)按下門鈴按鈕時(shí)，程控交換機(jī)提供的48V（或60V）電壓，直流饋電經(jīng)二極管和電阻對(duì)電容1充電，充到一定程度時(shí)，即電容1的端電壓達(dá)到起控電壓時(shí)，電容起振送出雙音電子鈴流使蜂鳴器發(fā)聲；而當(dāng)，沒有按下門鈴按鈕時(shí)，電壓達(dá)不到電容1的起控電壓，所以門鈴不會(huì)發(fā)出聲音，從而完成了電子門鈴電路的制作。方案二：555門鈴電路本電路是以一塊555時(shí)基電路組成的雙音門鈴，它發(fā)出的叮咚聲音色優(yōu)美悅耳。其電路由555和R1-R3以及D1、D2、C2等組成一個(gè)多諧振蕩器。電路中設(shè)有一按鈕，按鈕平時(shí)處于斷開狀

9、態(tài)，這時(shí)，555的4腳呈低電位，使555處于強(qiáng)制復(fù)位狀態(tài)，3腳輸出呈現(xiàn)低電位。當(dāng)有人按壓按鈕時(shí)，電源可以通過電容及電阻進(jìn)行2次充電，這2次充電會(huì)出現(xiàn)2個(gè)不同的頻率，而這2個(gè)不同的頻率會(huì)使電路發(fā)出不同的響聲，即所謂的“叮咚“的響聲。方案選擇：由于方案一主要用于家庭電話，而方案二主要用于電子門鈴，而且，方案二更容易實(shí)現(xiàn)，所以本設(shè)計(jì)采用方案二。4部分電路簡介4.1 芯片簡介本設(shè)計(jì)所用的芯片為555定時(shí)器。555 定時(shí)器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極性工藝制作的稱為 555，用 CMOS 工藝制作的稱為 7555，除單定時(shí)器外，還有對(duì)應(yīng)的雙定時(shí)器 556/7556。555 定時(shí)

10、器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，輸出驅(qū)動(dòng)電流約為 200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。（1）555定時(shí)器的引腳結(jié)構(gòu)圖4-1 555的引腳結(jié)構(gòu)圖555的8腳是集成電路工作電壓輸入端，電壓為518V，以UCC表示；從分壓器上看出，上比較器A1的腳接在R1和R2之間，所以5腳的電壓固定在2UCC/3上；下比較器A2接在R2與R3之間，A2的同相輸入端電位被固定在UCC/3上。1腳為地。2腳為觸發(fā)輸入端；3腳為輸出端，輸出的電平狀態(tài)受觸發(fā)器控制，而觸發(fā)器受上比較器6腳和下比較器2腳的控制。當(dāng)觸發(fā)器接受上比較器A1從R腳輸入

11、的高電平時(shí)，觸發(fā)器被置于復(fù)位狀態(tài)，3腳輸出低電平。2腳和6腳是互補(bǔ)的，2腳只對(duì)低電平起作用，高電平對(duì)它不起作用，即電壓小于1Ucc/3，此時(shí)3腳輸出高電平。6腳為閾值端，只對(duì)高電平起作用，低電平對(duì)它不起作用，即輸入電壓大于2 Ucc/3，稱高觸發(fā)端，3腳輸出低電平，但有一個(gè)先決條件，即2腳電位必須大于1Ucc/3時(shí)才有效。3腳在高電位接近電源電壓Ucc，輸出電流最大可打200mA。4腳是復(fù)位端，當(dāng)4腳電位小于0.4V時(shí)，不管2、6腳狀態(tài)如何，輸出端3腳都輸出低電平。5腳是控制端。7腳稱放電端，與3腳輸出同步，輸出電平一致，但7腳并不輸出電流，所以3腳稱為實(shí)高（或低）、7腳稱為虛高。（2）555

12、定時(shí)器的工作原理它含有兩個(gè)電壓比較器，一個(gè)基本RS觸發(fā)器，一個(gè)放電開關(guān)T，比較器的參考電壓由三只5K的電阻器構(gòu)成分壓，它們分別使高電平比較器C1同相比較端和低電平比較器C2的反相輸入端的參考電平為和。C1和C2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)輸入并超過時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時(shí)放電，開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號(hào)自2腳輸入并低于時(shí)，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時(shí)放電，開關(guān)管截止。是復(fù)位端，當(dāng)其為0時(shí)，555輸出低電平。平時(shí)該端開路或接。Vco是控制電壓端（5腳），平時(shí)輸出作為比較器A1的參考電平，當(dāng)5腳外接一個(gè)輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，

13、從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的另一種控制，在不接外加電壓時(shí)，通常接一個(gè)0.01的電容器到地，起濾波作用，以消除外來的干擾，以確保參考電平的穩(wěn)定。T為放電管，當(dāng)T導(dǎo)通時(shí)，將給接于腳7的電容器提供低阻放電電路。表4-1 555定時(shí)器的邏輯功能觸發(fā)閾值復(fù)位IS放電端輸出H導(dǎo)通LH原狀態(tài)H截止HL導(dǎo)通L4.2 充放電回路該設(shè)計(jì)中另一個(gè)重要的模塊就是充放電回路了，為了使電路能夠振蕩，必須使具有一個(gè)充放電的回路，才能夠完成振蕩。在按鈕斷開或是按下的不同狀態(tài)下，電容C2的充放電回路是不同的，放電常數(shù)也是不同的，這樣便可以使得具有2個(gè)不同的充放電時(shí)間常數(shù)，進(jìn)而具有2個(gè)不同振蕩頻率，從而可以發(fā)出可以發(fā)出“叮”和“咚”的聲音。

14、充放電回路電路圖如下：圖4-2 充放電回路圖5 電路原理5.1 基于雙T正弦波振蕩器構(gòu)成的電子門鈴電路電路原理圖如下圖所示：圖5-1 雙T正弦波振蕩器構(gòu)成的電子門鈴電路由圖可知，雙T正弦波振蕩器構(gòu)成的電子門鈴電路主要由雙T正弦波振蕩器和555定時(shí)器構(gòu)成。555定時(shí)器是用來定時(shí)的，而雙T正弦波振蕩器由電阻R11、R12、R13以及C12、C11、C10構(gòu)成，它們的作用是在參數(shù)選擇恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候并且開關(guān)閉合的時(shí)候發(fā)生震蕩，從而產(chǎn)生正弦波，而當(dāng)參數(shù)選擇不恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候，就不一定會(huì)使電路能夠仿真出正弦波，所以，一定要選擇恰當(dāng)?shù)膮?shù)，才能使得電路有一個(gè)震蕩頻率，發(fā)出“滴滴滴”的門鈴響聲。5.2 雙音電子門鈴電路

15、(拓展部分)本電路是以一塊555時(shí)基電路為核心組成的雙音門鈴，它發(fā)出的聲音色優(yōu)美悅耳。其電路圖如下圖所示：圖5-2 雙音門鈴電路原理圖555時(shí)基電路和電阻R2R4，電容C4組成無穩(wěn)態(tài)音頻振蕩器，當(dāng)SW未按下時(shí)，555時(shí)基電路因強(qiáng)制復(fù)位端4腳通過R1接地呈低電位，電路被復(fù)位，振蕩器停振。當(dāng)按下SW時(shí)，電源一路經(jīng)VD1向C2充電，使4腳電位升高，當(dāng)4腳電位大于0.4V時(shí)，振蕩器起振。電源另一路經(jīng)VD2，R3，R4向C4充電，這時(shí)電阻R2不起作用，C4充電時(shí)間常數(shù)是（R3+R4）C4，放電時(shí)間常數(shù)是R4C4，振蕩器振蕩頻率為：f1=1.43/（R3+2R4）C4=1.44KHz此時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)出的是模

16、擬的“?！甭?。當(dāng)打開SW后，C2向R1放電，仍能維持集成塊4腳位高電平，這時(shí)VD2反偏截止，R2被接入振蕩回路，C4的充電時(shí)間常數(shù)為（R2+R3+R4）C4，放電時(shí)間常數(shù)仍為R4C4，所以振蕩頻率變?yōu)椋篺2=1.43/（R2+R3+2R4）C4=1.04KHz此時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)出的是模擬的“咚”聲。最后，因?yàn)?，開關(guān)一直處于斷開狀態(tài)，隨著C2不斷放電，是4腳電位不斷下降，當(dāng)降至0.4V以下，振蕩器停振，這時(shí)一個(gè)延時(shí)的過程，伴隨著4腳的電位從（5-0.7）V降至0.4V，這個(gè)過程中，“咚”聲會(huì)一直延續(xù)，一直到放電完成，此時(shí)，“咚”聲消失，電路恢復(fù)狀態(tài)。6 設(shè)計(jì)過程及步驟為了完成本設(shè)計(jì)，可以分以下步驟進(jìn)

17、行：分析電路原理本題目的要求為：基于雙T正弦波振蕩器或RC正弦波振蕩器，設(shè)計(jì)一個(gè)電子門鈴，進(jìn)行仿真，并說明影響電路起振，波形失真及穩(wěn)定性的主要因素。由于我們所學(xué)的知識(shí)中涉及RC正弦波振蕩器的內(nèi)容比較多，所以可以采用RC正弦波振蕩器來完成本電路的設(shè)計(jì)。運(yùn)用所學(xué)過的數(shù)電知識(shí)可知，運(yùn)用555振蕩器構(gòu)成的多諧振蕩器便可以滿足這個(gè)要求，因此，采用多諧振蕩器構(gòu)成的電路圖以及開關(guān)便可以完成此電路的設(shè)計(jì)。繪制電路原理圖本次基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練的目的之一就是學(xué)會(huì)運(yùn)用Protues仿真，所以可以采用Protues軟件進(jìn)行電路原理圖的繪制。首先，需要新建一個(gè)設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行放置電路元件，可點(diǎn)擊右鍵選擇Place-Compon

18、ent,就可以放置電路元件了，放置好電路元件后就開始直接連線了。電路仿真與分析先在繪制好的電路原理中放置電源，然后再放置示波器，然后便可進(jìn)行仿真，仿真時(shí)選擇合適的檔位，可使仿真出來的波形比較好。7 仿真流程（1）新建設(shè)計(jì)首先，打開Proteus軟件，可見如下窗口：圖7-1 Proteus界面窗口然后新建一個(gè)設(shè)計(jì)，選擇File的下拉菜單中的New Design，然后會(huì)彈出如下Creat New Design窗口：圖7-2 Creat New Design窗口選擇其中的Landscape A4，即選擇A4紙的大小。（2）放置元件新建好了以后，便可以仿真元件了，點(diǎn)擊右鍵，選擇Place右拉菜單中的C

19、omponent選項(xiàng)，再選擇From Libraries,會(huì)彈出以下Pick Devices窗口：圖7-3 Pick Devices窗口之后便可以選擇元件了。（3）連線元件選擇好了之后便可以直接連線。（4）放置電源及示波器從左窗口中選擇DC VOLTMETER即為電壓表，OSCILLOSCOPE即為示波器。 圖7-4 電壓表 圖7-5 示波器（5）進(jìn)行仿真將電源及示波器接到電路中點(diǎn)擊開始鍵便可以進(jìn)行仿真了。在仿真所用的示波器中要選擇合適的檔位才能得到較好的波形。8 仿真結(jié)果與分析8.1基于雙T正弦波振蕩器構(gòu)成的電子門鈴電路示波器接線圖及仿真波形圖如下圖所示：圖8-1 示波器接線圖仿真結(jié)果如下圖

20、所示：圖8-2 雙T震蕩波形由圖可知，在R及C的的參數(shù)選擇合適的情況下，以及在檔位合適的情況下，可使電路仿真出不失真的正弦波。而且還可以在開關(guān)閉合的時(shí)候發(fā)出“嘀嘀嘀”的聲音。8.2 雙音電子門鈴電路（拓展部分）示波器接線圖及仿真波形圖如下圖所示：圖8-3 示波器接線圖圖8-4 雙音門鈴震蕩波形1圖8-5 雙音門鈴震蕩波形2由圖可知，在R及C的的參數(shù)選擇合適的情況下，以及在檔位合適的情況下，可使電路仿真出不失真的方波，而且可以在開關(guān)閉合的時(shí)候發(fā)出“叮咚”的聲音。但是當(dāng)接入喇叭后，情況則有所不同：圖8-6 雙音門鈴接入喇叭后波形1圖8-7 雙音門鈴接入喇叭后波形2由上圖可見，接入喇叭后，即電路帶上

21、負(fù)載后波形會(huì)產(chǎn)生明顯變化，在上升沿可以看見有明顯失真，當(dāng)然，這種情況是可以接受的，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并無明顯影響。9 影響電路起振，波形失真及穩(wěn)定性的主要因素從前面的仿真過程可知，影響電路起振，波形失真及穩(wěn)定性的主要因素是電容及電阻的取值，因?yàn)檎袷庮l率只與電路中的電容及電阻的取值有關(guān)，若電容與電阻的取值合適的話，便可以是振蕩回路起振，而且也可使電路發(fā)出“嘀嘀嘀”或是“叮咚”的響聲。另一個(gè)原因就是555內(nèi)部比較器動(dòng)作到充放電（傳輸延遲時(shí)間）有時(shí)間延遲（尤其是觸發(fā)定時(shí)的延遲）。因此，計(jì)算值與實(shí)際值有一定的偏差。因?yàn)?55振蕩頻率上限為500KHz，因此計(jì)算的值小于555振蕩頻率的上限，即可使電路穩(wěn)定工作。

22、10 總結(jié)“叮咚”電子門鈴的功能就是在按鈕按下時(shí)發(fā)出“?！钡穆曇?，而在按鈕按下的時(shí)候發(fā)出“咚”的聲音。所以設(shè)計(jì)電路的結(jié)果便是使電路在按鈕由斷開到閉合時(shí)，電路發(fā)出“叮咚”的聲音。由于原理電路圖中存在不同的充放電回路，而且還有一個(gè)按鈕開關(guān)，在按鈕斷開或是在按鈕斷開或是按下的不同狀態(tài)下，電容C2的充放電回路是不同的，放電常數(shù)也是不同的，這樣便可以使得具有2個(gè)不同的充放電時(shí)間常數(shù)，進(jìn)而具有2個(gè)不同振蕩頻率，從而可以發(fā)出可以發(fā)出“?！焙汀斑恕钡穆曇?。心得體會(huì)在畫家眼里，設(shè)計(jì)是一幅清明上河圖或是一幅向日葵；在建筑師眼中，設(shè)計(jì)是昔日鎏金般的圓明園或是今日一塑自由女神像；在電子工程師心中，設(shè)計(jì)是貝爾實(shí)驗(yàn)室的電話機(jī)或是華為的程控交換機(jī)。凡此種種，但凡涉及設(shè)計(jì)都是一件美好的事情，因?yàn)樗芙o人以美的幻想，因?yàn)樗芙o人以金般財(cái)富，因?yàn)樗芙o人以成就之感，更為現(xiàn)實(shí)的是她能給人以成長以及成長所需的營養(yǎng)，而這種營養(yǎng)更是一種福祉，一輩子消受不竭享用不盡。我就是以此心態(tài)對(duì)待此次強(qiáng)化訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)的，所謂“態(tài)度決定一切”，于是偶然又必然地收獲了諸多，概而言之，大約以下幾點(diǎn)： 溫故而知新。課程設(shè)計(jì)發(fā)端之始，思緒全無，舉步維艱，對(duì)于理論知識(shí)學(xué)習(xí)不夠扎實(shí)的我深感“書到用時(shí)方恨少”，于是想起圣人之言“溫故而知新”，便重拾教材與實(shí)驗(yàn)手冊(cè)，對(duì)知識(shí)系統(tǒng)而全面進(jìn)行了梳