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應用電子技術畢業論文
應用電子技術畢業論文
題 目 :
專業 應用電子
聲控報警器
摘要：
在當今社會上防盜系統越來越受到人們的重視。但是市場上的報警器大部分都是用于一些大公司財政機構。價格高昂,一般人們難以接受。如果再設計和生產一種價廉、性能靈敏可靠的防盜報警器，必將在防盜和保證財產安全方面發揮更加有效的作用。本課程主要介紹了簡易的聲控報警器的電路設計和電路板的制作。以此電路為依據只需更換相應的報警顯示元件即可改裝成不同類型的報警器，如紅外報警器, 紅外線聲先報警器等。這種電路主要由聲控放大電路、單穩態觸發器電路、報警電路組成，設計利用壓電陶瓷片作為聲傳感器獲得信號并將其轉換為電壓信號，經場效應管放大后觸發由NE555集成芯片構成的單穩態觸發器和多諧振蕩器,輸出電壓驅動蜂鳴器工作。經過調試，實現課程要求。
關鍵字：場效應管VT66；NE555；單穩態觸發器；多諧振蕩器
Voice-activated alarm
Abstract ：
Today people pay more and more attention on anti-theft system. But the alarm on the market most of which are used in some large financial institutions. The high price of general is difficult to accept. If we can design and manufacture a kind of cheap and reliable performance of sensitive anti-theft alarm, that will guarantee the security and property security to play a more effective role. This course introduces the simple voice-activated alarm circuit design and circuit board production. Based on this circuit only shows the replacement of the corresponding components of the alarm can be converted into different types of alarms, such as infrared detectors, and the infrared detectors sound first. This circuit mainly by the voice amplifier circuit, monostable multivibrator circuit, alarm circuit, the design of the use of piezoelectric ceramics as a sound sensor and the signal was converted to voltage signals, amplified by the FET integrated triggered by NE555 chip consisting of monostable multivibrator and multi-harmonic oscillator, buzzer driver output voltage work. After commissioning, it’s founcation will mach the course’s requirements.
Key words: C9013;NE555;One-shot;Astable Multivibrator
目錄
前言 .................................................................................................................................................. 1 第1章 設計任務要求及方案論證選擇 .................................................................................. 2 第2章 系統框圖 ...................................................................................................................... 3 第3章 電路原理圖及工作原理 .................................................................................................... 4
3.1原理圖 ............................................................................................................................... 4 3.2聲音的采集放大 ............................................................................................................... 5
3.2.1傳感器的介紹 1、傳感器的定義..................................................................... 5 3.2.2場效應管放大電路 ............................................................................................ 9 3.3時鐘信號產生電路 ......................................................................................................... 12
3.3.1NE555 .................................................................................................................... 12 3.3.2 NE555構成單穩態觸發電路 ............................................................................. 15 3.3.3 NE555構成的多諧振蕩電路 ............................................................................. 19
第4章 電路板的組裝 .................................................................................................................. 22
4.1電路板的制作過程 ......................................................................................................... 22 第5章 電路的調試 ...................................................................................................................... 23
5.1調試方法過程 ................................................................................................................. 23 5.2防盜報警器誤報的分析及解決方法 ............................................................................. 23 謝辭 ................................................................................................................................................ 25 參考文獻 ........................................................................................................................................ 26
前言
近年來，隨著改革開放的深入發展，電子電器的飛速發展.人民的生活水平有了很大提高。各種高檔家電產品和貴重物品為許多家庭所擁有。然而一些不法分子也是越來越多。這點就是看到了大部分人防盜意識還不夠強.造成偷盜現象屢見不鮮。因此，越來越多的居民家庭對財產安全問題十分擔憂。
報警器這時正為人們解決了不少問題.但是市場上的報警器大部分都是用于一些大公司財政機構。價格高昂,一般人們難以接受。如果再設計和生產一種價廉、性能靈敏可靠的防盜報警器，必將在防盜和保證財產安全方面發揮更加有效的作用。由于聲控報警器體積小，靈敏度高具有很強的隱蔽性和保密性，因此在防盜、警戒等安保裝置中得到了廣泛的應用。聲控報警器大多數采用國外的先進技術,其功能也非常先進。其中包括腳步觸發報警器，汽車報警器，聲控語音報時鐘，“聲控燈”等符合現在人們提倡的節能意識的產品更是受到現代人的青睞。此外，其價格低廉、技術性能穩定等特點也受到廣大用戶和專業人士的歡迎。
第1章 設計任務要求及方案論證選擇
設計一個簡單的電路使其能利用物體的撞擊、行人的腳步聲、車輛行駛的震動聲作為觸發信號，使蜂鳴器發出報警信號，也可改用LED做為報警信號，或者兩者兼用。
要求電路盡量設計得簡單明了，使用的元器件盡可能的少，但是要求其功能明顯，穩定性高，不易產生誤報警。靈敏度高。
在日常生活中，經常使用的報警器有中，機械報警器是屬于傳統的報警器。其缺點是：
1、 硬件電路復雜。 2、 靈敏度低。 3、 制作成本高。
本課程設計的聲控報警器利用壓電式陶瓷傳感器作為感應器件，集NE555芯片組成的觸發電路而制成。不僅靈敏度高且制作成本低廉。
第2章 系統框圖
第3章 電路原理圖及工作原理
3.1原理圖
圖3-1
高靈敏聲控報警器電路如圖所示。場效應管VT1組成一級電壓放大器，通過可調電阻RP調節場效應管放大器的柵極偏壓來調節電壓放大器的增益。由于場效應管放大器具有很高的電壓增益，因此用一級放大器就可滿足電路的要求。壓電陶瓷聲傳感器被聲波激發后輸出脈沖電信號，并經過VT1放大后由漏極D輸出，通過耦合電容C1去觸發一個單穩態觸發器。
由555時基集成電路與R4、C3組成的單穩態觸發器，受低電平或脈沖下降沿的觸發而翻轉。平時，IC 1的3腳輸出低電平。當聲傳感器受到觸發后輸出脈沖信號并經VT1放大后由漏極D輸出時，輸出脈沖的下降沿將單穩態電路觸發并使其翻轉，3腳輸出高電平。IC1翻轉后，電路進人暫穩態，電源通過R4向C2充電，充電時間約2min。2min后，C3充電電壓升高到6腳的閥值電平，觸發器自動翻轉，3腳恢復低電平，電路進人穩態。
報警聲發生電路是一個由555時基集成電路組成的多諧振蕩器，受總復位
端4腳的控制而工作。平時由于IC1的3腳輸出低電平，振蕩器不工作，當IC1輸出高電平時，振蕩器開始工作，發出報警聲。多諧振蕩器的振蕩頻率由R5、R6與C4的數值決定，本電路約為4. 8kHz。調整R5、R6及C4的數值，可得到所需要的振蕩頻率和報警聲。
圖中IC 1、IC2可選用NE555、LM555或用一只556來代替兩只555。 場效應三極管選用VT66或V40AT型場效應管；壓電陶瓷傳感器B1選用協27 mm的壓電陶瓷片，如FT一27、HTD27 A一1型等，B2均選用YD57一2型等80、0.25W小型動圈式揚聲器。其他元器件無特殊要求，可按圖4一66所標明的型號及參數選用。
3.2聲音的采集放大
3.2.1傳感器的介紹
1、傳感器的定義
傳感器英文名稱：transducer / sensor。國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。
2、傳感器的分類
可以用不同的觀點對傳感器進行分類：它們的轉換原理(傳感器工作的基本物理或化學效應)；它們的用途；它們的輸出信號類型以及制作它們的材料和工藝等。
根據傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學傳感器二大類 ：
傳感器工作原理的分類物理傳感器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉換成電信號。
化學傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應等現象為因果關系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉換成電信號。
有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學類。大多數傳感器是以物理原理為基礎運作的。化學傳感器技術問題較多，例如可靠性問題，規模生產的可能性，價格問題等，解決了這類難題，化學傳感器的應用將會有巨大增長。
常見傳感器的應用領域和工作原理列于表1.1。 按照其用途，傳感器可分類為： 壓力敏和力敏傳感器 ?位置傳感器 液面傳感器 ?能耗傳感器 速度傳感器 ?熱敏傳感器 加速度傳感器 ?射線輻射傳感器 振動傳感器? 濕敏傳感器 磁敏傳感器? 氣敏傳感器
真空度傳感器? 生物傳感器等。? 以其輸出信號為標準可將傳感器分為：
模擬傳感器——將被測量的非電學量轉換成模擬電信號。?
數字傳感器——將被測量的非電學量轉換成數字輸出信號(包括直接和間接轉換)。?
膺數字傳感器——將被測量的信號量轉換成頻率信號或短周期信號的輸出(包括直接或間接轉換)。?
開關傳感器——當一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，傳感器相應地輸出一個設定的低電平或高電平信號。
在外界因素的作用下，所有材料都會作出相應的、具有特征性的反應。它們中的那些對外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被
用來制作傳感器的敏感元件。從所應用的材料觀點出發可將傳感器分成下列幾類：
(1)按照其所用材料的類別分?
金屬? 聚合物? 陶瓷? 混合物?
(2)按材料的物理性質分? ? 導體? 絕緣體? 半導體? 磁性材料?
(3)按材料的晶體結構分? 單晶? 多晶? 非晶材料?
與采用新材料緊密相關的傳感器開發工作，可以歸納為下述三個方向：?
(1)在已知的材料中探索新的現象、效應和反應，然后使它們能在傳感器技術中得到實際使用。?
(2)探索新的材料，應用那些已知的現象、效應和反應來改進傳感器技術。
(3)在研究新型材料的基礎上探索新現象、新效應和反應，并在傳感器技術中加以具體實施。?
現代傳感器制造業的進展取決于用于傳感器技術的新材料和敏感元件的開發強度。傳感器開發的基本趨勢是和半導體以及介質材料的應用密切關聯的。表1.2中給出了一些可用于傳感器技術的、能夠轉換能量形式的材料。?
按照其制造工藝，可以將傳感器區分為：
集成傳感器?薄膜傳感器?厚膜傳感器?陶瓷傳感器
集成傳感器是用標準的生產硅基半導體集成電路的工藝技術制造的。通常還將用于初步處理被測信號的部分電路也集成在同一芯片上。?
薄膜傳感器則是通過沉積在介質襯底(基板)上的，相應敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時，同樣可將部分電路制造在此基板上。?
厚膜傳感器是利用相應材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后進行熱處理，使厚膜成形。
陶瓷傳感器采用標準的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產。?
完成適當的預備性操作之后，已成形的元件在高溫中進行燒結。厚膜和陶瓷傳感器這二種工藝之間有許多共同特性，在某些方面，可以認為厚膜工藝是陶瓷工藝的一種變型。?
每種工藝技術都有自己的優點和不足。由于研究、開發和生產所需的資本投入較低，以及傳感器參數的高穩定性等原因，采用陶瓷和厚膜傳感器比較合理。
3、壓電傳感器
壓電傳感器是利用某些電介質受力后產生的壓電效應制成的傳感器。所謂壓電效應是指某些電介質在受到某一方向的外力作用而發生形變（包括彎曲和伸縮形變）時，由于內部電荷的極化現象，會在其表面產生電荷的現象。常見的壓電材料有三類：壓電晶體（石英晶體）、壓電陶瓷（陶瓷晶體）和高分子壓電材料。
應該指出的是，自然界中，大多數晶體都具有壓電效應，然而大多數晶體的壓電效應都十分微弱。
壓電傳感器只能應用于動態測量：
由于外力作用在壓電元件上產生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態測量。
壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補充，可以供給測量回路以一定的電流，故只適用于動態測量（一般必須高于100Hz，但在50kHz以上時，靈敏度下降）。
圖3-2 壓電陶瓷片的符號和外形
3.2.2場效應管放大電路
1、場效應管的直流偏置和靜態工作點計算
圖3-3
（1）.自給柵偏壓電路(只適用于耗盡型FET)，
Rg為柵極泄放電阻，泄放柵極感生電荷，通常取
0.1MΩ～10MΩ。Rs為源極偏置電阻，作用類似
于共射電路的Re，可以穩定電路的靜態工作點Q
。
自偏壓電路由于IG＝0，所以Rg上無直流壓降，VG＝0。由于耗盡型FET在VGS＝0時存在導電溝道，所以電路有漏極電流ID，。
（2）. 分壓式自偏壓電路，適用于耗盡型和增強型FET。
圖3-4
若VG＞IDRs，則可適用于增強型管(N溝道)；若VG＜IDRs，則可適用于耗盡型MOS管或JFET。
靜態工作點的計算
1.圖解法求靜態工作點：由轉移特性曲線和偏壓線方程(為一直線)求輸入回路的工作點；由輸出特性曲線和直流負載線求輸出回路的工作點。
2.估算法求靜態工作點：由FET的電流方程和偏壓線方程兩組方程聯立求解，通常舍去不合題意的一組解，然后得到靜態工作點。
圖3-5
電壓傳輸特性：
圖3-6
2、場效應管放大與開關應用舉例
圖3-7
用作放大器：BCQD段：VT＜VGS＜6V，FET工作在恒流區(放大區)內。
例如：
用作可控開關:
圖3-8
AB段：VGS＜VT，FET工作在截止區，VO＝VDD；EFG段：VGS＞6V，FET工作在可變電阻區，VO≈0。
圖3-9
當VGS=9V時，工作點移至F點，MOS管工作于可變電阻區，VDS=0.2V，相當于開關接通；當VGS=0V時，工作點移至A，MOS管截止，VDS=12V,
iD=0,相當于開關斷開。
FET反相器的輸入/輸出波形：
圖3-10
用作壓控電阻：在可變電阻區，iD隨VDS近似線性增加，且 VDS與iD的比值(即RDS)受VGS控制，等效為壓控電阻
圖3-11
3.3時鐘信號產生電路
3.3.1NE555
NE555 (Timer IC)大約在1971?由Signetics Corporation發布，在當時是唯一非常快速且商業化的Timer IC，在往后的30??非常普遍被使用，且延伸出許多的應用電?，盡管近??CMOS技術版本的Timer IC如MOTOROLA的MC1455已被大?的使用，但原規格的NE555依然正常的在市場上供應，盡管新版IC在功能上有部份的改善，但其腳位勁能并沒變化，所以到目前?可直接的代用。
NE555是屬于555系列的計時IC的其中的一種型號，555系列IC的接腳功能及運用都是相容的，只是型號不同的因其價格不同其穩定度、省電、可產生
的振蕩頻率也不大相同；而555是一個用途很廣且相當普遍的計時IC，只需少數的電阻和電容，便可產生數位電路所需的各種不同頻率之脈沖信號。 a. NE555的特點有：
1.只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時作用。其延時范圍極廣，可由幾微秒至幾小時之久。
2.它的操作電源電壓范圍極大，可與TTL，CMOS等邏輯電路配合，也就是它的輸出準位及輸入觸發準位，均能與這些邏輯系列的高、低態組合。
3.其輸出端的供給電流大，可直接推動多種自動控制的負載。
4.它的計時精確度高、溫度穩定度佳，且價格便宜。
5.靜態電流 最大值 VCC = 5 V, RL = ∞ =6mA VCC =15 V, RL = ∞ =15mA b. NE555引腳位功能配置說明下：
圖3-12 NE555各腳功能-管腳圖
Pin 1 (接地) -地線(或共同接地) ，通常被連接到電路共同接地。
Pin 2 (觸發點) -這個腳位是觸發NE555使其啟動它的時間周期。觸發信號上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。
Pin 3 (輸出) -當時間周期開始555的輸出輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時的最大輸出電流大約200 mA 。
Pin 4 (重置) -一個低邏輯電位送至這個腳位時會重置定時器和使輸出回到一個低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。
Pin 5 (控制) -這個接腳準許由外部電壓改變觸發和閘限電壓。當計時器經營
在穩定或振蕩的運作方式下,這輸入能用來改變或調整輸出頻率。
Pin 6 (重置鎖定) - Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態。當這個接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時啟動這個動作。
Pin 7 (放電) -這個接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當輸出為ON時為LOW，對地為低阻抗，當輸出為OFF時為HIGH，對地為高阻抗。
Pin 8 (V +) -這是555個計時器IC的正電源電壓端。供應電壓的范圍是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。
參數功能特性：
?供應電壓4.5-18V
?供應電?3-6 mA
?輸出電?225mA (max)
?上升/下?時間100 ns
NE555的相關應用:
NE555的作用范圍很廣，但一般多應用于單穩態多諧振蕩器（Monostable Mutlivibrator）及無穩態多諧振蕩器(Astable Multivibrator)。
圖3-13 555集成電路內部電路圖
3.3.2 NE555構成單穩態觸發電路
單穩態觸發器只有一個穩定狀態，在外加脈沖的作用下，單穩態觸發器可以從一個穩定狀態翻轉到一個暫態，該暫態維持一段時間又回到原來的穩態。
1、用555定時器構成單穩態觸發器：
（1）.電路組成
圖3-14由555定時器構成的單穩態觸發器
如圖3-14所示，其中R、C為單穩態觸發器的定時元件，它們的連接點Vc與定時器的閥值輸入端（6腳）及輸出端Vo'（7腳）相連。單穩態觸發器輸出脈沖寬度tpo=1.1RC。
Ri、Ci構成輸入回路的微分環節，用以使輸入信號Vi的負脈沖寬度tpi限制在允許的范圍內，一般tpi>5RiCi，通過微分環節，可使Vi'的尖脈沖寬度小于單穩態觸發器的輸出脈沖寬度tpo。若輸入信號的負脈沖寬度tpi本來就小于tpo，則微分環節可省略。
定時器復位輸入端（4腳）接高電平，控制輸入端Vm通過0.01uF接地，定時器輸出端Vo（3腳）作為單穩態觸發器的單穩信號輸出端。
（2）.工作原理
當輸入Vi保持高電平時，Ci相當于斷開。輸入Vi'由于Ri的存在而為高電平Vcc。此時，①若定時器原始狀態為0，則集電極輸出（7腳）導通接地，使電容C放電、Vc=0，即輸入6腳的信號低于2/3Vcc，此時定時器維持0不變。 ②若定時器原始狀態為1，則集電極輸出（7腳）對地斷開，Vcc經R向C充電，使Vc電位升高，待Vc值高于2/3Vcc時，定時器翻轉為0態。
結論：單穩態觸發器正常工作時，若未加輸入負脈沖，即Vi保持高電平，則單穩態觸發器的輸出Vo一定是低電平。
單穩態觸發器的工作過程分為下面三個階段來分析，圖3-15為其工作波形圖：
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