母子远离报警器课程设计论文.docx

摘 要研究了基于母子远离报警器的设计方法，实现距离报警的功能。母子远离报警器是由一个微型无线电发射器和一个接收报警器组成，使用时，打开开关，将发射器置于贵重物品、行李及儿童身上，接收报警器放置在使用者身上，一旦贵重物品、行李或儿童离使用者超过一定距离时，放置在使用者身上的接收报警器内设的蜂鸣器电路将会连通，蜂鸣片震动发出报警声，提醒使用者及时找回贵重物品、行李或儿童。关键词：报警器、发射、接收哈尔滨工业大学课程设计任务书 姓 名： 宋大伟 院 （系）： 电子与信息工程学院 专 业： 通信工程专业 班 号： 0605101 任务起至日期： 2009年3月6日至2009年6月1日 课程设计题目： 随身物品防遗失警报装置 设计要求：1、 建立防遗失警报装置实施方案；2、 设计适用于防遗失警报装置的无线电遥控集成模块。主要包括适当的L-C振荡电路的方式设计、振荡器、调制器、发射天线和扬声器的设计；3、 设计出完整的电路图；4、 低功耗（预计发射器工作电流1.2mA左右，接收报警器静态守候电流0.8mA左右，故用电都很节省）；5、 体积小（预期设计体积相当于一个面包大小）；6、 无须外围元件且性能相对较稳定；7、 主要参数测试要说明用何种仪器与操作步骤；8、 编写课程设计报告：背景，方案，单元电路设计与计算，整机电路工作原理，画原理图操作，画仿真图的操作，画PCB图操作，调试，体会，其他。 同组设计者：宋大伟 高忠超 杨春宇 指导教师签字 2009年6月1日 教研室主任意见： 教研室主任签字 2009年3月1日*注：此任务书由课程设计指导教师填写。书写规范性20分原理论述20分电路设计计算25分调试与误差分析15分印刷电路与仿真波形图20分总成绩教师评语：教师签字： 2009 年 月 日目 录摘 要 第一章 课题背景 1.1 关于母子远离报警器的背景1.2 关于母子远离报警器的设计要求第二章 方案设计框图及基本原理第三章 发射电路的设计第四章 接收电路的设计 4.1 高频功率放大电路 4.2 包络检波电路 4.3 电压比较电路设计 4.4 低频振荡电路第五章 电路仿真第六章 主要参数的测试6.1 高频振荡器输出频率的测试6.2 低频振荡电路输出频率的测试6.3 电压比较器测试6.4 高频放大电路测试第七章 结论与体会附录1 元器件列表 附录 2 PCB图附录3 参考文献（资料）第一章 课题背景1.1 关于母子远离报警器的背景本次课程设计的主要内容是设计母子远离报警器。现今，无线电通信技术已广泛应用，形式多样。但是，市场上距离报警器这类产品却很少，且价格昂贵，不适宜在普通人群中推广。基于此，本课程设计中设计了一种母子远离报警装置，该产品具有体积小、能耗低、使用方便等特点。母子远离报警器是由一个微型无线电发射器和一个接收报警器组成，使用时，打开开关，将发射器置于贵重物品、行李及儿童身上，接收报警器放置在使用者身上，一旦贵重物品、行李或儿童离使用者超过一定距离时，放置在使用者身上的接收报警器内设的蜂鸣器电路将会连通，蜂鸣片震动发出报警声，提醒使用者及时找回贵重物品、行李或儿童。1.2 关于母子远离报警器的设计要求技术要求：1、低功耗（预计发射器工作电流1.2mA左右，接收报警器静态守候电流0.8mA左右，故用电都很节省）。2、调频频段在30M50M,以减小外界无线电波的干扰。3、体积小（预期设计体积相当于一个面包大小）。4、无须外围元件且性能相对较稳定。第二章 方案设计框图及基本原理母子远离报警器的设计方框图如下：正弦振荡器控制键 电池图一 发射机的设计框图电压比较器包络检波器555方波发生器功率放大器蜂鸣器外加直流电源 图二 接收机的设计框图由框图可知，实验电路主要分为三个部分：第一部分是发射电路，它主要由电容三点式振荡电路和发射天线构成，这一部分的主要任务是产生一个高频的正弦振荡信号，在由发射天线发射出去。第二部分是接收电路，它主要由接收天线、功率放大器、包络检波器和电压比较器构成，这一部分的主要任务是接收无线信号，通过功率放大器放大，经包络检波器检波得到直流电压信号。第三部分是语音电路，它主要由电压比较器、555方波发生电路和蜂鸣器构成，这一部分的主要任务是将检波出来的电压信号与定电压比较；若检波电压信号小于定信号，则触发555方波发生器，从而使蜂鸣器发生。第三章 发射电路设计发射电路如图所示。这是一个高频正弦振荡电路。晶体管的三个极分别连接于回路的三端，称为电容三点式振荡器。也称为考比兹（Colpitts）振荡器。图中，、为偏置电阻， 可用一个高频扼流圈代替，作用是防止电源对回路旁路，为耦合隔直电容，为旁路电容，Vcc为9V，、组成等效天线。 图三 电容三点式正弦波发生电路电容三点式正弦波发生电路主要由放大电路、反馈电路、先频网络和稳幅环节组成。放大电路的功能是放大信号电压，提供振荡器需要的能量；反馈电路的功能是在振荡器中形成正反馈满足振荡的相位条件和幅度平衡条件；选频网络的功能是在各种频率信号中选出所需振荡频率的信号进行放大、反馈；稳环环节的功能是保证振荡器输出的正弦波稳定且基本不失真。电容三点式正弦波发生器的优点：容易起振，振荡频率高，一般可以达到100M以上；输出波形好，由于电路的反馈电压取自电容两端的电压，而电容对高次谐波的阻抗小，反馈电路中的谐波成分少，因此振荡波形较好。第四章 接收电路设计4.1 高频功率放大电路由于远距离传输会造成发射信号在传播过程中的衰减，致使接收到的信号可能会很小，所以需要用高频功率放大以达到较大功率。高频功率放大器的特点是放大信号频率高。本设计所用的放大频率为38M。高频功率放大器的功能是用小功率的高频输入信号去控制高频功率放大器，将直流电源供给的能量转换为小功率的高频能量输出，其输出信号与输入信号的频谱相同。本设计所用的放大器原理如图所示，当输入信号为零时，放大电路中只有直流信号，C2与发射结并联。当输入信号加入放大电路时，三极管发射结上电压是直流电压和交流电压的叠加，瞬时电压uce中的交流成分经C1耦合到放大电路的输出端，于是得到一个被放大的交流电压uo。也就是说，三极管的放大是对输入信号的变化量进行放大，放大部分的能量由直流电源提供。图四 调频功率放大电路4.2包络检波电路包络检波是指检波器的输出电压直接反映输入高频调幅检波包络变化规律的一种检波方式。由于高频输入信号的振幅要大于0.5v，所以采用如图-所示的大信号检波电路。它是由输入回路，非线性器二极管D和RC低通滤波器组成。 图五 包络检波电路当输入信号uii(t)为高频等幅波时，二极管在在信号正半周处于正向导通，电容C充电且充电很快,当uo(t)大于uii(t)时二极管处于截止状态，电容器C经电阻R放电，但放电时间常数RC要远大于充电时间常数rdC,所以放电较慢，然后使uii(t)大于uo(t),电容C继续充电，如此反复，直到在一周期内电容充电电荷量与放电电荷量相等，充放电达到动态平衡进入稳定工作状态。又由于放电时间常数远大于高频电压周期，输出电压uo(t)的起伏很小，接近输入信号的包络，这样就得到了直流。4.3 电压比较电路设计 开关电路时利用电压比较器比较电压的大小从而输出高低电平来驱动后面的振荡器。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-所示的比较器，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(这是个单电源比较器)，同相端输入电压VA，反相端输入VB。VAVB时，Vout输出高电平(饱和输出)；VBVA时，Vout输出低电平。VA端为比较电平1V,VB端为输入接收信号，当接收的直流信号大于比较电平时，输出端输出低电平，反之输出高电平。图六 电压比较电路4.4低频振荡电路低频振荡器是利用555定时器来产生一个低频的方波，其原理图如图所示： 图七 低频振荡电路当4口接收到开关电路送来的高电平时，555定时器就会产生方波并从10口输出送给蜂鸣器使之发声报警。图八 555定时器内部结构555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如图-和图-所示。图九 555定时器逻辑符号和引脚引脚功能：Vi1（TH）：高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为TH。Vi2（）：低电平触发端，简称低触发端，标志为。VCO：控制电压端。VO：输出端。Dis：放电端。：复位端。表- 555定时器控制功能表输 入输 出THVODisVCCVCCVCCLHHHLH不变L导通截止不变导通555定时器内含一个由三个阻值相同的电阻R组成的分压网络，产生VCC和VCC两个基准电压；两个电压比较器C1、C2；一个由与非门G1、G2组成的基本RS触发器（低电平触发）；放电三极管T和输出反相缓冲器G3。是复位端，低电平有效。复位后, 基本RS触发器的端为1（高电平），经反相缓冲器后，输出为0（低电平）。分析图8.1的电路：在555定时器的VCC端和地之间加上电压，并让VCO悬空，则比较器C1的同相输入端接参考电压VCC，比较器C2反相输入端接参考电压VCC VCO为控制电压端，在VCO端加入电压，可改变两比较器C1、C2的参考电压。正常工作时，要在VCO和地之间接001F（电容量标记为103）电容。放电管Tl的输出端Dis为集电极开路输出。555定时器的控制功能说明见表8.2。根据555定时器的控制功能，可以制成各种不同的脉冲信号产生与处理电路电路，例如,史密特触发器、单稳态触发器、自激多谐振荡器等其中由555定时器构成的施密特触发器工作原理如图所示图十 自激多谐振荡器电路和波形图自激多谐振荡器用于产生连续的脉冲信号。电路采用电阻、电容组成RC定时电路，用于设定脉冲的周期和宽度。调节RW或电容C，可得到不同的时间常数；还可产生周期和脉宽可变的方波输出。电路采用电阻、电容组成RC定时电路，用于设定脉冲的周期和宽度。调节RW或电容C，可得到不同的时间常数；还可产生周期和脉宽可变的方波输出。当电源刚接上电源VCC时，因电容C是放了电的，故它的端电压VC初始是为零的，即触发端TH及TL均为0，内部触发FF被置为1，电路的输出VO起始为高电平VH。同时VCC经电阻R1,R2对C充电，时间常数,当VC升过参考电压VRL=1/3VCC时，内部触发仍维持在1状态，VO=VH不变；但到t1时刻，VC升过上参考电平VRH=2/3VCC,内部触发变为0，输出VO将降为低电平VL。同时，电容C经电阻R和T管放电，时间常数，使VC指数下降。到t2时，VC降到VRL,又使FF置1，VO跃上高电平，电容C又转成充电，VC再次上升。直到t3时刻VC又升过VRH使FF又清零，VO又降为低电平，C再次放电，以后便重复t1以后的过程。第五章 电路的仿真5.1 发生电路仿真 在Multisim7.0环境下进行仿真，如图 图十一 发射电路仿真 振荡电路所产生的高频振荡由三极管的集电极输出，方便起见，发射天线用一定值电阻代替，并进行仿真。仿真结果如图 图十二 发射高频信号波形图测得发射信号的峰峰值为10V，发射频率达到38.3MHz。仿真结果与理论值一致，达到了发射电路的发射要求。5.2 接收电路的仿真按照理论计算值，高频正弦信号传输五米左右后有效值为20mv左右，所以当接收信号有效值大于20mv时，电压比较器输出低电平，方波振荡器无法起振，蜂鸣器不鸣响；当接收信号有效值小于20mv时，电压比较器输出高电平，方波振荡器起振并驱动蜂鸣器鸣响，达到报警的效果。仿真电路如图 图十三 接收电路仿真方便起见，电路中的接收天线直接用一交流电源代替。首先，设定交流电源的参数为：50mv、38MHz，此电压大于临界电压20mv，仿真后，蜂鸣器未发生鸣响，并测得555的OUT引脚无电流输出；改变交流电源参数为：5mv、38MHz,此电压小于临界电压，仿真后，蜂鸣器发生鸣响，并测得555的OUT引脚有交流信号输出。由此可见，当发射器与接收器相距5m以上时，蜂鸣器就会被启动并开始鸣响；当发射器与接收器相距5m以内时，蜂鸣器不会被启动，从而达到无线报警的效果。第六章 主要参数的测定6.1低频振荡电路输出频率的测试 低频振荡电路采用方波信号，此电路的理想输入电压为3V左右的直流电压，故用一个3V的直流电压源代替电压比较器输入的高电平。仿真电路如图 图十四 方波振荡电路方波振荡信号由555的OUT脚输出，测得方波振荡信号如图 图十五 方波信号波形测得方波的峰值为3V，振荡频率为2.6KHz，能够有效地驱动蜂鸣器产生鸣响，并且与理论值一致。6.2 电压比较器测试电路仿真中集成运算放大器所用型号为：LT1079SW。其中，3脚为1V的直流电压输入，为参考电压，用一1V的直流电源代替；2脚为检波电路输入的待比较的直流信号，仿真中也用直流电压源代替。当2脚的输入电压小于1V时，1脚的输出3V左右的高电平；当2脚的输入电压大于1V时，1脚输出低电平，电压表没有示数。图十六 电压比较器仿真6.3 高频功率放大电路测试 放大电路的输入信号为电线的接收信号，经过衰减，此临界信号的有效值为20mv，振荡频率保持不变，即38MHz，因此用一个交流信号源作为放大器的输入信号进行仿真。仿真电路如图图十七 功率放大电路仿真 从输出端测得放大信号的有效值为1V，频率为38MHz,符合理论值，放大效果理想。 6.4 包络检波电路测试包络检波电路的输入信号是放大电路的输出信号，为有效值为1V左右的正弦波振荡信号，频率为38MHz，在此用以信号发生器代替输入交流信号。仿真电路如图图十八 包络检波电路仿真 仿真结果如下图图十九 检波输入交流信号信号 图二十 检波输出直流信号 可见，输入本电路的等幅正弦信号检波后输出为幅度为1.4V直流信号，结果符合设计要求。第七章 结论和体会关于本次课程设计的内容母子远离报警器，我已经基本完成了任务书所要求的内容。这一次设计数母子远离报警器，使我进一步加深了对LC振荡电路的理解，熟悉高频正弦振荡电路的基本电路形式，掌握了功率放大器及电压比较器的基本电路形式，特别是大致学会了软件Protel 99SE以及Multisim 7的基本用法，学会了如何用Protel 99SE画出电路的工作原理图、PCB图以及如何用Multisim 7实行电路仿真。也就是说，无论从高频电路来讲，还是从数字电路设计来讲，或者是计算机软件技术来讲，都得到了不同幅度的提高。再者，这是我第一次做课程设计，可能很多方面都显得不太成熟，安排得不太合理，但经过了这一次的锻炼，我相信在下一次，甚至是以后的所有课程设计方面，我会做得一次比一次更加出色。最后，这一次课程设计带给了我许多，令我受益匪浅。附录1 元器件列表Type Part TypeDesignator Footprint电阻 7.5kR1RES0.5 电阻 15kR2RES0.25电阻 2.7kR3RES0.5电阻 2kR4RES0.25电阻 20kR5RES0.25电阻 1kR6RES0.5 电阻 100R7RES0.25电阻 1KR8RES0.5 电阻 5.62KR9RES0.25电阻 169R10RES0.25电阻 1.21KR11RES0.25电阻 18KR12RES0.25电阻 18KR13RE