模電課設(shè)——感應(yīng)雙門鈴

1、中南民族大學(xué)SOUTH-CENTRAL UNIVERSITY FOR NATIONALITIES課 程 設(shè) 計 實 驗 報 告 題 目： 感應(yīng)雙音門鈴 學(xué) 院：計算機科學(xué)學(xué)院 專業(yè)班級：自動化1301班 姓 名：* * 學(xué) 號：2013* 指導(dǎo)教師：陳勉 起訖日期：2015年6月17日至6月26日 電子課程設(shè)計感應(yīng)雙音門鈴 中南民族大學(xué)計算機科學(xué)學(xué)院自動化專業(yè)指導(dǎo)老師評語理論設(shè)計40%作品完成效果30%答辯與報告30%總分： 指導(dǎo)老師簽名： 電子技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書設(shè)計題目： 感應(yīng)雙音門鈴 學(xué)生姓名：* * 學(xué)號：201* 專業(yè)：自 動 化 一、設(shè)計條件1可選元件（1）選題規(guī)定的“可選、限選元件

2、”（2）電阻、電容、電感、電位器等，按需使用（3）自備元件2可用儀器萬用表，示波器，交流毫伏表，信號發(fā)生器，直流穩(wěn)壓電源二、設(shè)計任務(wù)及要求1設(shè)計任務(wù)根據(jù)技術(shù)要求和已知條件，完成選題電路的設(shè)計、裝配與調(diào)試。2設(shè)計要求（1）選題規(guī)定的“設(shè)計內(nèi)容和要求”；（2）選擇電路方案，完成對確定方案電路的設(shè)計。包括：計算電路元件參數(shù)、選擇元件、畫出總體電路原理圖；（3）用軟件仿真整體或部分核心實驗電路，得出適當(dāng)結(jié)果；（4）裝配、調(diào)試作品，按規(guī)定格式寫出課程設(shè)計報告書。三、時間安排1第10周前：布置設(shè)計任務(wù)，講解設(shè)計要求、實施計劃、設(shè)計報告等要求。2第12周前：理解課題要求，準備元器件。3第1016周：資料查閱

3、，方案設(shè)計，模擬仿真，實際制作。4第1516周：完成設(shè)計與制作，答辯，提交設(shè)計報告。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 電子課程設(shè)計感應(yīng)雙音門鈴 中南民族大學(xué)計算機科學(xué)學(xué)院自動化專業(yè)目錄摘要11.緒論22.技術(shù)指標(biāo)及要求22.1 設(shè)計思想22.2 所需元器件清單23.元器件選擇說明23.1 二極管23.2 PNP型三極管33.3 555定時器43.4 喇叭53.5 門鈴芯片54.電路設(shè)計內(nèi)容及工作原理64.1 主要工作原理64.2 555單穩(wěn)態(tài)電路仿真74.3 整體電路圖及工作原理說明85.作品展示95.1 圖片展示96.調(diào)試與分析96.1 調(diào)試分析97.總結(jié)107.1 成果評級10 7.2 存在的問題及

4、改進的意見108.致謝109.參考文獻10 摘要 “門鈴”在中國古代較少聽說，有錢的大戶人家是在大門上裝有裝飾性的門環(huán)，叫門的人可用門環(huán)拍擊環(huán)下的門釘發(fā)出較大的響聲，有現(xiàn)代“門鈴”的作用?！伴T鈴”已在平民百姓人家廣泛普遍應(yīng)用。各式各樣的“門鈴”比比皆是，“門鈴”的作用也不僅僅是局限于給客人叫門用。感應(yīng)門鈴又稱迎賓器，是近年才有的用于小型店鋪-便利店起迎賓防盜作用的電子產(chǎn)品。迎賓器的前身是電子防盜報警器；事先人們用它來防盜的，但后來因為電子防盜報警器發(fā)出的聲音是刺耳的報警聲，對進店的顧客產(chǎn)生消極的影響，后來演變成比較悅耳的聲音，特別是：叮咚聲。關(guān)鍵詞 ：感應(yīng)；雙音；門鈴 Abstract &qu

5、ot;Doorbell" less heard of in ancient China, big money people are equipped with decorative door knocker on the door knocker available Mengen people smack doornail ring under the larger issue of sound, modern "doorbell" role . "Doorbell" it has been widely widely used in civi

6、lian homes. A variety of "doorbell" everywhere, "doorbell" role is not just limited to guests Mengen use.Induction doorbell welcome is also known, in recent years only for small shops - Electronics convenience stores play a welcome role in the theft. Welcome the predecessor of th

7、e electronic anti-theft alarm system; previously people use it to theft, but later because of electronic anti-theft alarm sound emitted by the shrill alarm sound, have a negative impact on the customers into the store, and later evolved into a relatively pleasant It sounds, in particular: Ding Dong.

8、Key words： Sensor; Two-tone; doorbell1.緒論 在21世紀這個科技與生活結(jié)合較為緊密的時代，門鈴系統(tǒng)在智能家居中占據(jù)一個非常重要的地位，所以我覺得我們很有必要去學(xué)習(xí)這方面的知識。課程設(shè)計是高等教育教學(xué)過程中一個十分重要的環(huán)節(jié)。是鍛煉學(xué)生運用所學(xué) 知識正確分析和解決實際問題的一個重要方面，也是培養(yǎng)應(yīng)用型專門人才的要求。我們本著一切從實 際出發(fā)的方針，嚴肅認真，獨立思考，自己動手、實事求是的態(tài)度完成設(shè)計。我們注重理論與實踐相結(jié)合，在指導(dǎo)老師的大力幫助下運用了自己所學(xué)做了這次設(shè)計。在這次的課程設(shè)計中，我的課題是基于模擬數(shù)字混合集成電路 555 定時器的工作原理設(shè)計

9、，我希望能夠通過這次設(shè)計，以門鈴的設(shè)計有更深入的了解。門鈴系統(tǒng)是當(dāng)今世界一直仍需研究與設(shè)計的一個方向，在智能家居中應(yīng)用領(lǐng)域中具有非常大的意義，在應(yīng)用方面也非常廣泛，仍具有很好應(yīng)用前景。 2.設(shè)計思想2.1 總的思想本次課設(shè)的任務(wù)，可以分為兩部分，第一部分是感應(yīng)開關(guān)，用555芯片形成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，來接通門鈴芯片使門鈴發(fā)出叮咚的聲音。第二部分是主要的門鈴芯片與喇叭間接入s9012三極管起放大作用，推動喇叭放大，當(dāng)門鈴芯片被接通一次，可以產(chǎn)生連續(xù)的叮咚聲。感應(yīng)開關(guān)門鈴芯片S9012三極2.2 所需元器件清單：門鈴芯片HS-088 1N4148三極管S901210nF電容2個4.7uF電容1個0.1u

10、F電容1個8 0.5w喇叭555定時芯片100k電阻3.元器件選擇說明3.1二極管 在感應(yīng)雙音門鈴中用到了晶體二極管，如圖所示。晶體二極管的工作原理：晶體二極管為一個由 p 型半導(dǎo)體和 n 型半導(dǎo)體形成的p-n 結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場。當(dāng)不存在外加電壓時，由于 p-n 結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引 起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。 當(dāng)外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場的互相抑消作 用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流。當(dāng)外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進一步 加強，形成在一定反向電壓范圍內(nèi)與反向偏置電壓值無關(guān)的反向飽和電流 I0。晶體

11、二極管在電路中常用“D”加數(shù)字表示，如：D5 表示編號為 5 的二極管。二極管的主要特性是單向?qū)щ娦?，也就是在?向電壓的作用下，導(dǎo)通電阻很小；而在反向電壓作用下導(dǎo)通電阻極大或無窮大。識別方法：二極管的識別很簡單，小功率二極管的 N 極（負極），在二極管外表大多采用一種色圈 標(biāo)出來，有些二極管也用二極管專用符號來表示 P 極（正極）或 N 極（負極），也有采用符號標(biāo)志為“P”、“N”來確定二極管極性的。發(fā)光二極管的正負極可從引腳長短來識別，長腳為正，短腳為負。二極管的主要參數(shù)二極管的特性還可用參數(shù)來描述，實用中一般通過查器件手冊，依據(jù)參數(shù)來合理使用二極管。 1.最大整流電流 IF 指二極管長期

12、運行允許通過的最大征象平均電流。使用時若超過此值，有可能燒壞二極管。2.最高反向工作電壓 URM 指允許施加在二極管兩段的最反向電壓，通常規(guī)定為擊穿電壓的一半。3.反向電流 IR 指二極管未擊穿時的反向電流值。其值會隨溫度的升高而急劇增加，其值越小，二極管單向?qū)щ?性能越好。反向電流值會隨溫度的升高而顯著增加，在實際應(yīng)用中應(yīng)加以注意。 4.最高工作頻率 fM 指保證二極管單向?qū)щ娮饔玫淖罡吖ぷ黝l率。當(dāng)工作頻率超過 fM 是時，二極管的單向?qū)щ娦阅芫?會變差，甚至失去單向?qū)щ娞匦?。PN 結(jié)具有電容效應(yīng)，其作用可用 PN 結(jié)電容來等效，它并聯(lián)于二極 管的餓兩端。由于 PN 結(jié)電容很小，對低頻的工作

13、影響很小，當(dāng)工作頻率升高時，其響應(yīng)就會增大，所 以 fM 主要決定于 PN 結(jié)電容的大小，其值越大，fM 就越小。3.2 PNP型三極管PNP型三極管發(fā)射極電位最高，集電極電位最低，UBE<0.三極管導(dǎo)通時IE=（放大倍數(shù)+1)*IB和ICB沒有關(guān)系，ICB=0 ICB>0時,可能三極管就有問題,所以三極管在正常工作時,不管是工作在放大區(qū)還是飽和區(qū)ICB=0。當(dāng)UEB>0.7V(硅)(鍺0.2V),RC/RB<放大倍數(shù)時,三極管工作在飽和區(qū),反之就工作在放大區(qū)。工作原理：晶體三極管按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)形式，但使用最多的是硅NPN

14、和PNP兩種三極管，兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹NPN硅管的電流放大原理。對于NPN管，它是由2塊N型半導(dǎo)體中間夾著一塊P型半導(dǎo)體所組成，發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié),而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結(jié)稱為集電結(jié),三條引線分別稱為發(fā)射極e、基極b和集電極c。當(dāng)b點電位高于e點電位零點幾伏時，發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，而C點電位高于b點電位幾伏時，集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，集電極電源Ec要高于基極電源Ebo。在制造三極管時，有意識地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的，同時基區(qū)做得很薄，而且，要嚴格控制雜質(zhì)含量，這樣，一旦接通電源后，由于發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（電子）極基

15、區(qū)的多數(shù)載流子（空穴）很容易地越過發(fā)射結(jié)互相向?qū)Ψ綌U散，但因前者的濃度基大于后者，所以通過發(fā)射結(jié)的電流基本上是電子流，這股電子流稱為發(fā)射極電流Ie。由于基區(qū)很薄,加上集電結(jié)的反偏，注入基區(qū)的電子大部分越過集電結(jié)進入集電區(qū)而形成集電集電流Ic，只剩下很少（1-10%）的電子在基區(qū)的空穴進行復(fù)合，被復(fù)合掉的基區(qū)空穴由基極電源Eb重新補給，從而形成了基極電流Ibo.根據(jù)電流連續(xù)性原理得：Ie=Ib+Ic。這就是說，在基極補充一個很小的Ib，就可以在集電極上得到一個較大的Ic，這就是所謂電流放大作用，Ic與Ib是維持一定的比例關(guān)系，即：1=Ic/Ib 式中：1-稱為直流放大倍數(shù)，集電極電流的變化量Ic

16、與基極電流的變化量Ib之比為：= Ic/Ib 式中-稱為交流電流放大倍數(shù)，由于低頻時1和的數(shù)值相差不大，所以有時為了方便起見，對兩者不作嚴格區(qū)分，值約為幾十至一百多。三極管是一種電流放大器件，但在實際使用中常常利用三極管的電流放大作用，通過電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷悍糯笞饔谩?.3 555 定時器 555定時器是一種電路結(jié)構(gòu)簡單、使用方法靈活、用途廣泛的多功能電路。只要外部陪接少數(shù)幾個阻容元件便可組成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器等電路。555 定時器的電源電壓范圍 寬，雙極性 555 定時器為 516V，CMOS 555 定時器為 318V。可以提供與 TTL 及 CMOS 數(shù)字電路兼容 的接口

17、電平。555 定時器還可輸出一定的功率，可驅(qū)動微電機、指示燈、揚聲器等。它在脈沖波形的 產(chǎn)生與變換、儀器與儀表、測量與控制、家用電器與電子玩具等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。555 定時器 它的各個引腳功能如下： 1 腳：外接電源負端 VSS 或接地，一般情況下接地。 8 腳：外接電源 VCC，雙極型時基電路 VCC 的范圍是 4.5 16V，CMOS 型時基電路 VCC 的范圍為 3 18V。一般用 5V。3 腳：輸出端 Vo 2 腳：TL低觸發(fā)端 6 腳：TH 高觸發(fā)端 4 腳： D R 是直接清零端。當(dāng) D R 端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TL、TH 處于何電平，時基電路輸出為“0”，該

18、端不用時應(yīng)接高電平。 5 腳：VC 為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器的基準電壓，當(dāng)該端不用時， 應(yīng)將該端串入一只 0.01F 電容接地，以防引入干擾。 7 腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電。 555 定時器的功能表 表中第一行說明 555 定時器的清零作用。4 腳加入低電平，將對 RS 觸發(fā)器直接置“0”。當(dāng) TH 高觸發(fā)端 6 腳加入的電平大于 2/3Vcc，TL 低觸發(fā)端 2 腳的電平大于時，比較器 A1 輸出高電 平，比較器 A2 輸出低電平，觸發(fā)器置“0”，放電管飽和，7 腳為低電平。 當(dāng) TH 高觸發(fā)端加入的電平小于 2/3Vcc，TL

19、低觸發(fā)端的電平大于 1/3Vcc 時，比較器 A1 輸出低電 平，比較器 A2 輸出低電平，觸發(fā)器狀態(tài)不變，仍維持前一行的電路狀態(tài)，輸出低電平，放電管飽和， 7 腳為低電平。 當(dāng) TH 高觸發(fā)端 6 腳加入的電平小于 2/3Vcc，TL 低觸發(fā)端的電平小于 2/3Vcc 時，比較器 A1 輸出 低電平，比較器 A2 輸出高電平，觸發(fā)器置“1”，輸出高電平，放電管截止，7 腳為高電平。因 7 腳為 集電極開路輸出，所以工作時應(yīng)有外接上拉電阻，故 7 腳為高電平。 當(dāng)從功能表的最后一行向倒數(shù)第二行變化時，電路的輸出將保持最后一行的狀態(tài)，即輸出為高電 平，7 腳高電平。只有高觸發(fā)端和低觸發(fā)端的電平變

20、化到倒數(shù)第三行的情況時，電路輸出的狀態(tài)才發(fā) 生變化，即輸出為低電平，7 腳為低電平。 1.555 定時器有兩個閾值，分別是 1/3Vcc 和 2/3Vcc。 2輸出端 3 腳和放電端 7 腳的狀態(tài)一致，輸出低電平對應(yīng)放電管飽和，在 7 腳外接 有上拉電阻時，7 腳為低電平。輸出高電平對應(yīng)放電管截止，在有上拉電阻時，7 腳為高電平。3.輸出端狀態(tài)的改變有滯回現(xiàn)象，回差電壓為 1/3Vcc。4輸出與觸發(fā)輸入反相。 3.4喇叭 目前絕大多數(shù)的喇叭都還是用傳統(tǒng)的錐盆式單體前后運動聲。早在一八七七年德國西門子的 Erenst Vemer 就獲得了動圈式喇叭的專利，不過真空管遲至一九 0 七年才正式運用，

21、而愛迪生最早的唱機是唱針直接帶動振膜而后經(jīng)號角放大發(fā)聲，所以西門子的專利一直沒有用上。一九二 0 年美國奇 異公司的 Chester Rice 與 Edward Kerrog 還有愛迪生貝爾 P.G.Hokuto 首度發(fā)展出實用的動圈式喇叭，下面是幾種常見的喇叭發(fā)聲方式：動圈式、電磁式、電感式、靜電式、平面式、絲帶式、號角式等。 本設(shè)計中用到的為 8 歐的小型喇叭。3.5門鈴芯片 門鈴芯片的應(yīng)用使本次的設(shè)計變的簡單了許多，下圖是使用門鈴芯片最簡單的電路圖，只需接入幾個元器件便可以成為一個簡易門鈴。本次再加入一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路便可以完成本次課設(shè)。當(dāng)接通一次開關(guān)時，門鈴便會被接通，喇叭便發(fā)出叮咚聲

22、。4.電路設(shè)計內(nèi)容及工作原理4.1 主要工作原理單穩(wěn)態(tài)電路：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一個穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。在未加觸發(fā)信號之前，觸發(fā)器處于穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)觸發(fā)后，觸發(fā)器由穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為暫穩(wěn)狀態(tài)，暫穩(wěn)狀態(tài)保持一段時間后，又會自動翻轉(zhuǎn)回原來的穩(wěn)定狀態(tài)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一般用于延時和脈沖整形電路。接通電源后，未加負脈沖 ，而C充電， Vc上升，當(dāng)Vc=2Vcc/3 時，RS電路輸出為低電平，放電管T導(dǎo)通，Vc快速放電， 使 Vc= 0。這樣，在加負脈沖前， 輸出為低電平，即Vo= 0，這是電路的穩(wěn)態(tài)。在t = t0時刻 Vi負跳變（ Vi端電平小于 Vcc/3），而 Vc= 0（TH端電平小于2Vcc/3 ），所以輸出Vo

23、翻為高電平，T截止，VC充電。 按指數(shù)規(guī)律上升。t = t1時， 負脈沖消失。t = t2時 Vc上升到2Vcc/3（此時TH端電平大于2Vcc/3 ， TR端電平大于Vcc/3 ）， Vo又自動翻為低電平。 在tw這段時間電路處于暫穩(wěn)態(tài)。t > t2，T導(dǎo)通，C快速放電，電路又恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。555定時器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖如上圖，構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，上圖為由555定時器和外接定時元件R、C構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。D為鉗位二極管，穩(wěn)態(tài)時555電路輸入端處于電源電平，內(nèi)部放電開關(guān)管T導(dǎo)通，輸出端Vo輸出低電平，當(dāng)有一個外部負脈沖觸發(fā)信號加到Vi端。并使2端電位瞬時低于1/3VCC，低電平比較器

24、動作，單穩(wěn)態(tài)電路即開始一個穩(wěn)態(tài)過程，電容C開始充電，Vc按指數(shù)規(guī)律增長。當(dāng)Vc充電到2/3VCC時，高電平比較器動作，比較器A1翻轉(zhuǎn)，輸出Vo從高電平返回低電平，放電開關(guān)管T重新導(dǎo)通，電容C上的電荷很快經(jīng)放電開關(guān)管放電，暫態(tài)結(jié)束，恢復(fù)穩(wěn)定，為下個觸發(fā)脈沖的來到作好準備。4.2.555定時器單穩(wěn)態(tài)電路部分仿真4.3.整體電路圖及工作原理說明電路原理圖如上圖所示。555時基集成電路工作在單穩(wěn)狀態(tài)，平時3腳和7腳均為低電平當(dāng)用手觸摸一下金屬感應(yīng)片M時,人體的感應(yīng)信號通過0.1F電容加至555時基集成電路的2腳，使電路翻轉(zhuǎn)進入暫穩(wěn)態(tài)，這時3腳輸出高電平直接加到門鈴芯片的觸發(fā)端，芯片被觸發(fā)并通過三極管推動揚聲器發(fā)聲。同時7腳也變?yōu)楦唠娖?，電源通過100K電阻對4.7F電容充電,當(dāng)電容上的電壓充至2/3電源電壓時，電路又翻轉(zhuǎn)，暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，3腳又變?yōu)榈碗娖?。待再觸摸一次M時，上述工作過程周而復(fù)始。因此每觸摸一次M，門鈴就被觸發(fā)一次。3腳上