声控报警电路实验报告.doc

实 验 报 告 实验名称 实验名称 声控报警电路设计 实验学生 实验学生 所属班级 所属班级 班内序号 班内序号 一 摘要一 摘要 近年来 随着我国经济的发展和人民生活水平的提高 生活节奏的加快 人 们对电子报警器的需求日益增加 电子报警器应用于安全防范 系统故障 交 通运输 医疗救护等领域 和社会生产密不可分 例如声控报警系统在生活中 处处可见 楼道里的声控节能灯 店铺联网报警器等等 其功能简单 成本较 低 因而广泛应用于各种家用电器和小电子产品中 本课题基于应用需求 结合实验要求设计电路 报告介绍了简易的声控报 警器的电路设计和电路的搭建调试 关键词 关键词 报警器 CD4011 无源蜂鸣器 LM358 二 引言二 引言 随着电力电子技术 计算机技术 自动控制技术的迅速发展 电子设备 电子仪器的出现日新月异 在市场上电子产品的竞争较为激烈 本课程设计利用驻极体式咪头作为声传感器获得电压 经 LM358 放大电路 两级放大 然后通过电压比较器和多谐振荡器 输出驱动蜂鸣器和发光二极管工 作报警 1 1 设计要求 设计要求 1 设计任务要求 设计一个声控报警电路 在麦克风附近击掌 模拟异常响动 电路能发 出报警声 持续时间大于 5 秒 声音传感器采用驻极体式咪头 蜂鸣器用无源 式蜂鸣器 2 提高要求 1 增加报警灯 使其闪烁报警 2 增加输出功率 提高报警音量 加强 威慑力 2 2 电路设计 电路设计 1 系统组成框图 2 系统总体设计思路 驻极体式咪头作为声音传感器 将击掌产生的声音信号转化为电信号 微 弱的电信号经过同相放大器放大后便于传输和驱动 放大信号进入同相比较器 比较器根据实验可以设置合理的比较电压 VREF 当放大信号高于比较电压 VREF 时 放大器输出高电平促发方波振荡器开始工作 振荡产生的方波经三极管放 大即可驱动无源式蜂鸣器发出报警声音 但由于一次拍手产生的电信号只有短 暂的脉冲 故还需要在比较器后加入延时电路 减缓脉冲电压下降的速度来实 现延时报警 3 单元电路设计思路 声音采集单元设计原理简述 驻极体话筒由声电转换和阻抗变换两部分组成 声电转换的关键元件是驻 极体振动膜 当驻极体膜片遇到声波振动时 引起电容两端的电场发生变化 从而产生了随声波变化而变化的交变电压 其膜片与金属极板之间的电容量比 较小 因而它的输出阻抗值高 约几十兆欧以上 这样高的阻抗是不能直接与 音频放大器相匹配的 所以在话筒内接入一只结型场效应晶体三极管来进行阻 抗变换 因为驻极体式麦克风内部结构含场效应管 所以驻极体话筒必须提供 直流电压才能工作 本实验采用漏极输出型电路 电路图如下 实际电路参数 麦克风中的场效应管的 UDS 一般在 1 5V 4 5V 之间 而 IDS 一般在 0 1mA 1mA 之间 若供电电压 VCC 在 6V 8V 时 可知 RD 约在 2 2K 5 1K 之间 实验电路可预取 2 8K C 为隔直电容 可采用 22uF 的 电解电容 3 信号放大单元设计原理简述 由驻极体式麦克风转化产生的电信号是微弱信号 经测量在击掌瞬间麦 克风输出的最大值约为 12mV 该信号必须经过放大器放大之后与比较器比 较 该部分信号的放大由 LM358 来实现 用 LM358 构成一级放大约 100 倍 第二级电压跟随的形式 一级电路设计原理如下 第一级采用同相放大电路 输入信号从直流补偿电阻R1 输入到运放 的同相输入端 反馈网络为 R2 和 R3 构成深度电压串联负反馈放大电路 根据分析集成运算放大电路的两个重要特点 虚短 虚断 可知 因为 U U Ui 虚短 但不是 虚地 I I 0 所以 Nip UUU 1 R U I N i 同相输入运算放大器中 当 Rf 0 或 R1 时 Auf 1 Rf R1 1 即输 出电压与输入电压大小相等 相位相同 这种电路称为电压跟随器 实际电路参数 麦克风的测量中 输出的电信号约为150mV 故初步设定放大倍数为 100 倍 使放大级输出约为 1 5V 放大部分电路参数如图 2 3 2 a 再 放大之后 紧跟一级电压跟随缓冲 电压跟随器参数如图2 3 2 b 所示 3 电压比较单元 设计原理简述 电压比较器是对两个模拟电压比较其大小 并判断出其中哪一个电压高 如 图 1 所示 图 1 a 是比较器 它有两个输入端 同相输入端 端 及反相 输入端 端 有一个输出端 VOUT 输出电平信号 另外有电源 V 及地 单 电源比较器 同相端输入电压 VA 反相端输入 VB VA和 VB的变化如图 2 3 3 a 所示 在时间 0 t1 时 VA VB 在 t1 t2 时 VB VA 在 t2 t3 时 VA VB 在这种情况下 VOUT的输出如图 1 c 所示 VA VB时 VOUT输出高电 平 饱和输出 VB VA时 VOUT输出低电平 根据输出电平的高低便可知道哪 个电压大 如果把 VA 输入到反相端 VB输入到同相端 VA及 VB的电压变化仍然 如图 1 b 所示 则 VOUT输出如图 1 d 所示 与图 1 c 比较 其输出电平倒了一 下 输 出电平 变化与 VA VB的输入端有关 如果输入电压 VA 与某一个固定不变的电压 VB 相比较 此固定不变的 VB 称为参考电压 基准电压或阈值电压 在试验中合理设置参考电压便可以实现 特定的电压比较 实验原理图即如下 既此时有如下的电压输出关系 当 VA VB时 uO UOM 为了便于电路组合之后的调试过程 特引入电位器分压 如图 2 3 3 b 所示 信号从同相端输入 参考电压从 2 3 42 3 4 RCRC 延时单元延时单元 设计原理简述 当有高电平加在电路输入端时 电容 C 开始充电 直到电容两端电压与充 电电压相等 当充电电压下降至 0 时 电容 C 开始通过电阻 R 放电 直到电容 C 储存的电荷全部释放 通过这样快充慢放的过程实现电路电压下降的延时功 能 具体电路图如下 实际电路参数 实验要求报警时间不低于 5s 根据 t RC 初步计算 可取电阻 R 100k 电 容 C 0 01uF 预计报警时长持续 10s 左右 2 3 5 方波振荡单元 设计原理简述 方波振荡器由门电路和阻容元件构成 它没有稳定状态 只有两个暂稳态 通过电容的充电和放电 使两个暂稳态相互交替 从而产生自激振荡 输出周 期性的矩形脉冲信号 由于矩形脉冲含有丰富的谐波分量 因此 常将矩形脉 冲产生电路称作多谐振荡器 本实验中采用 CD4011 实现方波振荡 电路图如下 输入 UO一个高电平时 该方波振荡器主要依靠电整一个周期的波形变化 如下 而输入信号 UO是整个振荡器的开关电平 当 UO输入高于 Vth 的高电平时 振荡器正常工作输出方波 当 UO输入低于 Vth 的低电平时 门 G1 始终输出高 电平 VOH 电路无法振荡输出方波 实际电路参数 该多谐振荡器的振荡周期与时间常数 RC 门电路的阀值电压 Vth 均有关系 频率稳定性较差 此处做理想近似计算 在 T1 期间 G1 输出高电平 VOH G2 输出低电平 VOL 电容 C 充电 为 了便于计算 忽略门的输出电阻和输入端电流 则充电常数为 RC 初值 终值为 稳态值 由此可得 1OLOHthAVVVtV OHAVV thAVtV 2 OHTH OHOLOHth AA AA VV VVVV RC VtV VtV RCT ln ln 2 1 1 在 T2 期间 G1 输出低电平 VOL G2 输出高电平 VOH 电容 C 反向充电 VA 从 Vth VOH VOL 开始下降 到 t t3 时 VA 下降至 Vth 初值 VA t1 Vth VOH VOL 终值为 稳态值 VA t2 Vth 由此可得OLAVV OLth OLOLOHth AA AA VV VVVV RC VtV VtV RCT ln ln 2 1 1 综上 振荡周期是 21TTT 欲使其驱动蜂鸣器和发光二极管 设置元件参数如下 5 无源式蜂鸣器报警单元设计原理简述 无源蜂鸣器内部没有自带的振荡源 需要由前级输出的频率在 2K 5K 的方 波来驱动 试验中加一晶体管放大再接蜂鸣器增加蜂鸣器的输入功率 以保证 更好的实验效果 实际电路参数 试验元件初置参数如图 采用 NPN 管 8050 和电阻 R 2K 3 单元电路的组合设计 单元电路在组合的时候还需要考虑各个单元之间的输入输出阻抗的平衡 先对各级之间组合的做如下连接说明 1 声音采集单元与信号放大单元之间连接要注意 LM358 构成的放大单元 的输入阻抗理想情况接近于无穷大 放大单元的输入阻抗作为声音采集系统的 输出负载 导致声音采集单元输出的信号电流过小且和电压脉冲变化不明显 这将严重影响后级单元对信号的接收和处理 故在电压放大单元的输入端与地 之间并一个小阻值电阻来减小声音采集单元的输出阻抗 2 电压比较单元和延时单元之间要防止电容对前级电路放电 电流回流 故在 电压比较单元和延时单元之间加一个 1N4148 二极管来实现单向导通 禁止电容 对前级电路放电的影响 3 在方波振荡器和发光二极管之间需要串接一个 2K 左右的电阻来降低通过发 光二极管的电流 保护发光二极管因电流过大而损坏 3 3 电路仿真 电路仿真 1 单元仿真 测试信号放大单元工作情况 基本要求实现对小信号放大倍数 100 倍 设计符合该单元放大一百倍的基本要求 图 3 1 1 c 2 电压比较单元仿真 电路能够实现参考电压的比较 并且在不同的参考电压之下电压比较器均 能实现无滞回的同相电压比较功能 3 延时单元仿真 延时电路要求实现高电平下降的延时功能 在仿真中即给延时电路输入一 个短暂的高电平 检测输出会发现输出高电平缓慢下降 若出现发现下降缓慢 且时间大于 5S 则满足设计要求 在延时电路输出端可以看到明显的快速充电和断开开关后缓慢放电的过程 图 3 1 2 c 4 方波振荡单元仿真 方波振荡器要求在前级输入高点电平时 震荡输出一个高频的方波信号 以驱动后级的蜂鸣器发出报警 5 整体仿真测试 模拟麦克风信号的输入 整体电路对该输入响应 最后应能检测出能驱动蜂鸣 器的方波信号 4 电路搭建与调试 模拟麦克风信号的输入 整体电路对该输入响应 最后应能检测出能驱动蜂鸣模拟麦克风信号的输入 整体电路对该输入响应 最后应能检测出能驱动蜂鸣 图 3 2 2 4 4 电路搭建与调试电路搭建与调试 1 信号放大单元搭建与调试 信号放大单元采用 LM358 实现 其芯片封装管脚图如图 4 1 1 所示 该单 元电路图如图 4 1 2 所示 图中设置 R2 1K 便于放大倍数的更改 更改电阻 R1 即可快速改变该单元的放大倍数 例如图示电路图中 R1 为 100K 则有放大倍 数为 100 倍 按图搭建电路如图 4 1 3 a 所示 并设置 R1 50k 输入信号的 参数如图 4 1 3 b 所示 频率为 1KHz 峰峰值为 20mV 输出波形如图 4 1 3 c 所示 频率为 1KHz 峰峰值为 1V 即设计和搭建符合要求 最后需要注意 在级连调试时只需要更改 R1 阻值即可更改该单元的电压放 大倍数 2 电压比较单元搭建与调试 电压比较单元依旧是采用 LM358 来实现 3 方波振荡单元搭建与调试 方波振荡的主要元件是 CD4011 4 整体级联调试 5 5 实验总结与探讨 实验总结与探讨 1 电阻阻值使用错误 最简单的事情是差错之后最难检查的事情 因而保险起 见 在第一步时候就先用万用表确认阻值 2 电解电容方向错误 易发生爆炸 3 芯片管脚接错 因为管脚较密 故在连接时一定要细心 6 6 实验元件与仪器资料 实验元件与仪器资料 1 驻极体式咪头 构造与原理构造与原理 驻极体话筒由声电转换和阻抗变换两部分组成 声电转换的关键元件 是驻极体振动膜 它是一片极薄的塑料膜片 在其中一面蒸发上一层纯金薄 膜 然后再经过高压电场驻极后 两面分别驻有异性电荷 膜片的蒸金面向 外 与金属外壳相连通 膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离 开 这样 蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容 当驻 极体膜片遇到声 波振动时 引起 电容两端的电场发生变化 从而产生了随声波变化而变化的 交变电压 驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小 一般为几十pF 因而它的输出阻抗值很高 Xc 1 2 tfc 约几十兆欧以上 这样高的阻抗是不能直接与 音频放大器 相匹配的 所以在话筒内接入 一只结型场效应 晶体三极管来进行阻抗变换 场效应管的特点是输入 阻抗 极高 噪声系数低 普通 场效应管有源极 S 栅极 G 和漏极 D 三个极 这里使用的是在内部源极和栅极间再复合一只二极管的专用场效应管 接二 极管的目的是在场效应管受强信号冲击时起保护作用 场效应管的栅极接金 属极板 这样 驻极体话筒的输出线便有三根 即源极S 一般用蓝色塑 线 漏极 D 一般用红色塑料线和连接金属外壳的编织屏蔽线 2 极性判断 它的电路的接法有两种 源极输出和漏极输出 源极输出有三根引出线 漏极 D 接电源正极 源极 S 经电阻接地 再经一电容作信号输出 漏极输出有 两根引出线 漏极 D 经一电阻接至电源正极 再经一电容作信号输出 源极 S 直接接地 所以 在使用驻极体话筒之前首先要对其进行极性的判别 在场效应管的栅极与源极之间接有一只二极管 因而可利用二极管的正反 向电阻特性来判别驻极体话筒的漏极 D 和源极 S 将万用表拨至 R 1k 档 黑表笔接任一极 红表笔接另一极 再对调两 表笔 比较两次测量结果 阻值较小时 黑表笔接的是源极 红表笔接的是漏 极 6 1 5 电路接法 接法 1 源极输出 源极输出类似晶体三极管的射极输出 需用三根引出线 漏极 D 接电源正 极 源极 S 与地之间接一电阻 Rs 来提供源极电压 信号由源极经电容 C 输出 编织线接地起屏蔽作用 源极输出的输出阻抗小于 2k 电路比较稳定 动态范 围大 但输出信号比漏极输出小 接法 2 漏极输出 漏极输出类似晶体三极管的共发射极放入 只需两根引出线 漏极 D 与电 源正极间接一漏极电阻 RD 信号由漏极 D 经电容 C 输出 源极 S 与编织线一起 接地 漏极输出有电压增益 因而话筒灵敏度比源极输出时要高 但电路动态 范围略小 1 集成运放芯片 LM358 6 2 2 LM358 简介 LM358 是双运算放大器 内部包括有两个独立的 高增益 内部频率补偿 的双运算放大器 适合于电源电压范围很宽的单电源使用 也适用于双电源工 作模式 6 2 3 LM358 特性 直流电压增益高 约 100dB 单位增益频带宽 约 1MHz 电源电压范围宽 单电源 3 30V 双电源 1 5 一 15V 低功耗电流 适合于电池供电 低输入失调电压和失调电流 共模输入电压范围宽 包括接地 差模输入电压范围宽 等于电源电压范围 输出电压摆幅大 0 至 Vcc 1 5V 6 2 4 LM358 参数 输入偏置电流 45 nA 输入失调电流 50 nA 输入失调电压 2 9mV 输入共模电压最大值 VCC 1 5 V 3 与非门芯片 CD40011 CD4011 是集成了四个与非门的芯片 即可采用单电源供电 又可采用双电源供电 5 无源式蜂鸣器与发光二极管 无源蜂鸣器 无源蜂鸣器内部没有自带的振荡源 需要由前级输出的频率在 2K 5K 的方 波来驱动 试验中加一晶体管放大再接蜂鸣器增加蜂鸣器的输入功率 以保证 更好的实验效果 发光二极管 它是半导体二极管的一种 可以把电能转化成光能 发光二极管与普通二 极管一样是由一个 PN 结组成 也具有单向导电性 当给发光二极管加上正向 电压后 从 P 区注入到 N 区的空穴和由 N 区注入到 P 区的电子 在 PN 结附近 数微米内分别与 N 区的电子和 P 区的空穴复合 产生自发辐射的荧光 不同的 半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同 当电子和空穴复合时释放出的 能量多少不同 释放出的能量越多 则发出的光的波长越短 常用的是发红光 绿光或黄光的二极管 发光二极管的反向击穿电压大于 5 伏 它的正向伏安特性曲线很陡 使用 时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流 限流电阻 R 可用下式计算 R E UF IF 式中 E 为电源电压 UF为 LED 的正向压降 IF为 LED 的正 常工作电流 发光二极管的核心部分是由 P 型半导体和 N 型半导体组成的晶片 在 P 型半导体和 N 型半导体之间有一个过渡层 称为 PN 结 在某些半导体材 料的 PN 结中 注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的 形式释放出来 从而把电能直接转换为光能 PN 结加反向电压 少数载流子难 以注入 故不发光 这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管 通称 LED 当它处于正向工作状态时 即两端加上正向电压 电流从 LED 阳极流向阴极时 半导体晶体就发出从紫外到红外不同