楼宇对讲机分机电路的设计毕业论文.doc

目录楼宇对讲机分机电路的设计毕业论文目录第一章 引 言摘要.IAbstract.II目录.III第一章 引 言.51.1 课题的背景和意义51.2 近年来国内外研究的现状51.3 课题研究内容2第二章 方案论证与选择32.1 方案的论证32.1.1 单片机32.1.2 语音电路半双工与全双工42.1.3 无线系统与有线系统42.2 方案的总结5第三章 楼宇对讲机分机电路的设计63.1 主控电路的设计63.1.1 低功耗收发器MAX48563.1.2 单片机AT89C5183.1.3 主控电路的设计163.2 报警电路的设计173.2.1 7407的功能特点173.2.2 报警电路的设计193.3 开锁电路的设计203.3.1 继电器的工作原理203.3.2 开锁电路的设计263.4 语音电路的设计273.4.1 集成运算放大器的原理及特性273.4.2 语音电路的设计313.5 电源电路的设计333.5.1 LM78系列三端固定稳压器333.5.2 电源电路的设计373.6 软件设计373.6.1 软件设计流程图37结论.39参考文献.40致谢.41附录 楼宇对讲机分机电路原理图42II第一章 引 言1.1 课题的背景和意义 楼宇对讲系统在国内的发展虽然时间不长，但由于其市场前景被商家们一致看好，时至今日，生产厂商已猛增至250家左右。楼宇对讲已经与电视监控、防盗报警、门禁管理、智能停车场等共同组成了安防产业。由于社会的进步，人类生活模式和思维模式的和改变，加之，随着经济的发展，社会阶层的分化加剧，社会治安情况的不容乐观，监控服务成为安防产业重要的技术支撑手段。基于网络的可视对讲研究，将更加有利于提高市场竞争优势，提高自动化管理水平，提升管理效益。可视对讲系统根据信道中传输的信号分为：数字型和模拟型两种。数字型系统传输的是数字信号如声音、图像数字信号，但数字信号要受到频率带宽和处理机运算速率的影响。一般来说，数字信号传输中不可避免存在语音或图像信号的延时，出现语音或画面停顿现象。如果采用高速处理器和优秀的压缩算法以及足够的带宽技术，例如：采用DSP和FPGA作为处理机，工作在30 M高速环境，并采用32位高速A/D和D/A转换芯片，同时采用优秀的语音和图像压缩算法，将可以生产出高性能的数字系统。但是一个好的产品的市场推广价格因素具有重要的地位，数字系统由于需要高性能的芯片以及优秀的压缩算法，所以一般需要很高的价格，数字系统的市场价格大大高于模拟系统，这就是数字系统很难市场推广的理由。而采用微处理器控制的模拟通信可视对讲系统却具有很大的市场，该系统在延时性、抗干扰性、低价位、易调试等方面具有显著的优势。1.2 近年来国内外研究的现状对讲系统从上个世纪90年代兴起于日本和欧美，在欧美国家、香港、台湾等地区己经采用了近20年，国外的可视对讲产品主要有韩国和日本品牌。自从1992年起，国外的楼宇对讲产品制造商，陆续到中国大陆开拓市场。楼宇对讲产品最早进入国内市场的是单户型与单元型楼宇对讲产品，并且功能比较单一，只能简单实现访客系统的基本功能。自从2000年以来，有实力的生产厂家集中开发联网型楼宇智能产品，楼宇智能系统的集成度越来越高，首先实现了多门口机与多管理机系统，接着集成了安防报警、小区服务及信息发布等功能，另外还有一些厂家还集成了三表远抄、监控以及巡更等系统，产品的性能也有进一步提高。对讲系统的数字化、网络化、信息化以及智能化是楼宇监控今后发展的主要方向。当前采用的可视对讲系统是通过遥控摄像机及其辅助设备（如镜头，云台等）直接监看被监视场所的情况，把被监视场所的图像和声音传送到监控中心，用长时间录像机将图像记录在录像带上，为突发事件的及时反应和以后处理提供了方便条件和重要依据。虽然闭路电视监控系统在银行、商场等公共场所应用广泛，但是在居住小区和楼宇公共安全防范系统中的应用却很少，一个重要的原因就是闭路电视监控系统所需的多画面分割器、长时间录像机等硬件设备价格昂贵。随着可视对讲产品成本的进一步降低、市场继续扩大、新技术的不断引入，可视对讲产品的功能也日趋多元化。如门口机模块中引入图像识别技术、指纹识别技术使系统更加人性化;采用音频和视频数字化技术、ARM嵌入式技术可以使系统直接接入宽带网络;采用蓝牙技术可以实现免布线的无线楼宇对讲系统等网。目前，规模较大的生产厂家在销售、工程安装、服务方面的成本居高不下，然而随着产品日趋标准化，工程安装服务社会化，产品成本也会逐步降低。总之，楼宇可视对讲产品的发展已经到了一个全新的阶段，但是还有很多方面不很成熟，未来楼宇可视对讲产品将向新的高度发展。1.3 课题研究内容设计一款结构简单、操作方便、成本低的楼宇对讲机分机电路，以实现访客与住户对讲。住户可遥控开启防盗门，同时，若有突发事件，住户亦可通过该系统通知保安人员以得到及时的支援和处理。第二章 方案论证与选择第二章 方案论证与选择2.1 方案的论证2.1.1 单片机 单片微型计算机(Single-Chip Microcomputer)，简称单片机计算机。就是将CPU、RAM、ROM、定时/计时器和多种接口集成在一块芯片上的微型计算机。本设计室采用AT89C51单片机。 AT89C51是美国ATMAL声场的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含4K bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMAL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个十六位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但 RAM，定时/计数器串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作指导下一硬件复位。AT89C51主要性能参数：l 与MCS-51产品指令系统完全兼容l 4k字节可重擦写Flash闪速存储器l 1000次擦写周期l 全静态操作：0Hz20MHzl 三级加密程序存储器l 128*8字节内部RAMl 32个可编写I/O线l 2个十六位定时/计数器l 6个中断源l 可编程串行UART通道l 低功耗空闲和掉电模式2.1.2 语音电路半双工与全双工半双工通信就是若使用同一根传输线既作接收又作发送，虽然数据可以在两个方向上传送，但通信双方不能同时收发数据，这样的传送方式就是半双工制。采用半双工方式时，通信系统每一端的发送器和接收器，通过收/发开关转接到通信线上，进行方向的切换，因此，会产生时间延迟，但其电路设计相对比较简单，而且节省资源，适合在楼宇对讲使用。当数据的发送和接收分流，分别由两根不同的传输线传送时，通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作，这样的传送方式就是全双工通信方式。在全双工方式下，通信系统的每一端都设置了发送器和接收器，因此，能控制数据同时在两个方向上传送。全双工方式无需进行方向的切换，因此，没有切换操作所产生的时间延迟，这对那些不能有时间延误的交互式应用十分有利。这种方式要求通讯双方均有发送器和接收器，同时，需要2 根数据线传送数据信号。虽然这种方式比较方便，但其电路设计相对复杂，而且应用在楼宇对讲中比较浪费。2.1.3 无线系统与有线系统有线系统就是系统所需要的所有的零部件都是用看的见的电线进行连接的，这种方式比较浪费，而且在连接是的工作量比较大，但其工作性能比较可靠、稳定，适合应用于中小型电路。无线系统就是没有了看的见的电线的连接，主要靠的就是无线的发射和接受装置进行信号的传输。虽然这种方式使用比较方便，但其电路设计要比有线的复杂的多，而且性能不一定可靠。由于本设计主要完成报警、开锁和语音通话三种功能，报警和通话部分对无线系统的要求比较高，要求无线系统使用起来比较可靠而且抗干扰能力较好，再就是对于楼宇对讲系统使用有线系统要比无线系统经济的多并安全可靠。2.2 方案的总结综合上面的论述，从自己条件和总体硬件设计的成本以及便携性普及性考虑，主控制器选择ATMEL公司的AT89C51单片机，语音电路采用半双工的工作方式，在硬件电路设计上相对比较简单，整个系统采用有线连接，在性能上比较可靠。无论从设计要求还是性能方面都能达到一个很好的效果。- 6 -第三章 楼宇对讲机分机电路的设计第三章 楼宇对讲机分机电路的设计本设计主要包括系统硬件电路的设计和系统软件部分的设计，在硬件电路部分主要介绍硬件电路的组成、工作原理及所用到的部分元器件。为了能直观的了解硬件电路部分的设计思想，现做出设计的流程框图如3-1所示。 图3-1 硬件电路框图主控电路采用单片机作为主芯片，当有信号输入时，振铃电路工作，由按键控制各分电路的工作，以实现设计要求。3.1 主控电路的设计采用单片机作为主芯片，输入信号通过MAX485芯片的选择进入单片机，由按键控制进行选择工作方式，启动各分电路进行工作。3.1.1 低功耗收发器MAX485MAX485是用于RS-485与RS-422通信的低功耗收发器，芯片中具有一个驱动器和一个接收器。MAX485的驱动器摆率不受限制，可以实现最高2.5Mbps的传输速率。驱动器具有短路电流限制，可以通过热关断电路将驱动器输出置为高阻状态，防止过度的功率损耗。接收器输入具有失效保护特性，当输入开路时，可以保证逻辑高电平的输出。图3-2是MAX485的引脚图表3-1为其各引脚的逻辑功能。 图3-2 MAX485引脚图表3-1 MAX485各引脚功能MAX485名称功能1RO接收器输出：若AB200mA，则RO为高电平，反之则为低电平2RE接收器输出使能，当RE为低电平时，RO有效；当RE为高电平时，RO为高阻状态3DE驱动器输出使能，DE为高电平时，驱动器输出Y与Z有效，当DE为低电平时，驱动器输出为高阻状态；当驱动器输出有效时，器件被用作线驱动器，在高阻状态下，若RE为低电平，则器件被用作线接收器4DI驱动器输入DI上的低电平强制输出Y为低电平，而输出Z为高电平，DI上的高电平强制输出Y为高电平，而输出Z为低电平5GND地6A接收器同相输入端和驱动器同相输出端7B接收器反相输入端和驱动器反相输出端8Vcc正电源 4.75VVcc5.25V3.1.2 单片机AT89C51AT89C51是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机。片内带有一个4KB的Flash可编程、可擦除只读存储器（EPROM）。它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与MSC-51兼容。片内的FLASH存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。因此AT89C51是一种功能强、灵活性高，且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。1单片机内部框图单片机内部框图如图3-3所示： 图3-3 AT89C51结构框图AT89C51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0Hz，并提供两种可用软件来选择的省电方式：空闲方式（Idle Mode）和掉电方式（Power Down Mode）。在这空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，故只保存片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止。2其主要性能l 4KB可改编程序Flash存储器（可经受1000次的写入/擦除）l 全静态工作：0Hz24MHzl 3级程序存储器保密l 1288字节内部RAMl 32条可编程I/O线l 2个16位定时器/计数器l 6个中断源l 可编程串行通道l 片内时钟振荡器3功能说明AT89C51的引脚结构图，有双列直插封装（DIP）方式和方形封装方式。AT89C51的引脚功能如下（1） 主电源引脚 VCC：电源端。 GND：接地端。（2）外接晶体引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的 图3-4 AT89C51引脚信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接。（3）控制或与其他电源复用引脚RST，ALE/PROG，EA/Vpp RST：复位输H入端。当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率（此频率为振荡器频率的1/6）周期性地出现正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是：每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。在对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如果需要的话，通过对专用寄存器（SFR）区中8EH单元的D0位置数，可禁止ALE操作。该位置数后，只有在执行一条MOVX或MOVC指令期间，ALE才会被激活。另外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，该设定禁止ALE位无效。PSEN：程序存储允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号。当AT89C51/LV51由外部程序存储器取指令（或常数）时，每个机器周期两次PSEN有效（即输出2个脉冲）。但在此期间内，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。EA/Vpp：外部访问允许端。要使CPU只访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），则EA端必须保持低电平（接到GND端）。然而要注意的是，如果保密位LB1被编程，复位时在内部会锁存EA端的状态。当EA端保持高电平（接Vcc端）时，CPU则执行内部程序存储器中的程序。在Flash存储器编程期间，该引脚也用于施加12V的编程允许电源Vpp（如果选用12V编程）。（4）输入/输出引脚P0.0P0.7，P1.0P1.7，P2.0P2.7和P3.0P3.7。P0端口（P0.0P0.7）：P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入，对端口写1时，又可作高阻抗输入端用。在访问外部程序和数据存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）/数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。在Flash编程时，P0端口接收指令字节：而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。P1端口（P1.0P1.7）：P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。在对Flash编程和程序校验时，P1接收低8位地址。P2端口（P2.0P2.7）：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到最高电位，这时可用作输入口。P2作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行MOVXDPTR指令）时，P2送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器内容）在整个访问期间不会改变。在对Flash编程和程序校难期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。P3端口（P3.0P3.7）：P3是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到最高电位，这时可用作输入口。P3作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。在AT89C51中，P3端口还用于一些复用功能，如表3-2所列。在对Flash编程和程序校验地，P3还接收一些控制信号。4单片机的时钟电路MCS-51单片机内部的振荡电路是一个高增益反相放大器，引线XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。单片机内部虽有振荡电路，但要形成时钟，外部还需附加电路。MCS-51单片机的时钟产生方式有两种。表3-2 P3各端口引脚与复用功能表端口引脚复用功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2INTO(外部中断0)P3.3INTI(外部中断1)P3.4T0(定时器 0 的外部输入)P3.5T1(定时器 1 的外部输入)P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器读选通)（1） 内部时钟方式利用其内部的振荡电路在XTAL1和XTAL2引线上外接定时元件，内部振荡电路便产生自激振荡，用示波器可以观察到XTAL2输出的时钟信号。常用的是在XTAL1和XTAL2之间连接晶体振荡与电容购成稳定的自激振荡器，如图3-5所示。晶体可在1.212MHZ之间选择。MCS-5单片机在通常应用下，使用振荡频率为6MHz的石英晶体，而12MHz频率的晶体主要是在高速串行通信情况下才使用。对电容值无严格要求，但它的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有多少影响。C1和C2可在20100PF之间取值，一般取30PF左右。（2） 外部时钟方式在由单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入唯一的合用外部振荡脉冲作为各单自片机的时钟。外部时钟方式中是把外部振荡信号源直接接入XTAL1或XTAL2。由于HMOST和CHMOS单片机外部时钟进行的引线不同，其外部振荡信号源接入的方式也不同。HMOS型单片机由XTAL2进入，外部振荡信号接至XTAL2，而内部反相放大器的输入端XTAL1应接地。由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的，故还要接一上接电阻。CHMOS型单片机由XTAL2进入，外部振荡信号接至XTAL1，而XTAL2可不接地，如图3-6所示。 图3-5 使用片内振荡电路的时钟电路 图3-6 外部时钟电路5复位电路和复位状态（1）MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按键复位键两种方式。最简单的复位电路如图3-7所示。上电瞬间，RC电路充电，RST引线端出现正脉冲，只要RST端保持10mS以上的高电平，就能使单片机有效地复位。在应用系统中，有些外围芯片也需要复位。如果这些芯片复位端的复位电平的要求一致，则可以将复位信号与之相连。 图3-7 简单复位电路 图3-8 MAX690组成的复位电路在实际的应用系统中，为了保证单片机可靠地工作，常采用“看门狗”监视单片机的运行。采用MAX690的复位电路如图3-8所示，该电路具有上电复位和监视MCS-51单片机的P3.3的输出功能。一旦P3.3不输出高低电平交替变化的脉冲，MAX690就会自动产生一复位信号使单片机复位。（2）复位状态复位电路的作用是使单片机执行复位操作。复位操作主要是把PC初化为0000H，使单片机从程序存储器的0000H单元开始执行程序。程序存储器的0003H单元即MCS-51单片机的外部中断0的中断处理程序的入口地址。留出的0000H0002H个单元地址，仅能够放置一条转移指令，因此，MCS-51单片机的主程序的第一条指令通常情况下是一条转移指令。除PC之外，复位还对其它一些特殊功能的寄存器有影响，它们有复位状态如表3-3所示。利用它们的复位状态，可以减少应用程序中的初始化编程。由表3-3可知，除SP=07H，P0P4四个锁存器均为FFH外，其它所有的寄存器均为0，很好记忆。记住他们的复位状态，对于熟悉单片机的操作，减少应用程序中的初始化编程是十分必要的。单片机的复位不影响片内RAM的状态（包括通用寄存器Rn）。P1、P 2、P 3、P 4共有4个8位并行I/O口，它们引线为：P0.0P0.7、P1.0P1.7、P2.0P2.7、P3.0P3.7，共32条引线。这32条引线可以全部用做I/O线，也可将其中部分用做单片机的片外总线。表3-3 寄存器的复位状态寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HPSW00HTL000HSP07HTH000HDPTR0000HTL100HP0-P3FFHTH100HIPXxx00000BSCON00HIE0xx00000BPCON0xx00000B3.1.3 主控电路的设计图3-9为分机主控电路设计图，本设计采用AT89C51单片机作为控制芯片，具体操作功能通过编写程序来实现。当单元楼梯口访客通过对讲机呼叫住户时，其发出的信号便通过MAX485芯片传送给单片机，AT89C51单片机接收到该信号后就会在程序的控制下在P2.3管脚上产生一高电平，再通过电阻为三极管提供基极电流，三极管导通，振铃工作，发出声音，呼叫住户。住户听到铃声后，可选择3种操作方式：报警、开锁和语音通话。“报警”即是住户遇到危险时可通过该动作及时通知小区保安，以得到及时的援助；“开锁”即是给单片机主控电路发出命令，直接打开单元门，让访客进来；“语音通话”即是给单片机发出命令，控制语音电路工作，以实现住户与访客的语音通话。以上三种操作，不论住户进行哪种操作，单片机再主程序的控制下，在P2.4管脚上产生一低电平，占线指示灯亮，表明住户分机正在工作。在单片机应用系统设计中，单片机对键盘的控制有3种方式。1程序控制扫描方式这种方式只有单片机空闲时，才可调用键盘扫描子程序，查询键盘的输入状态是否改变。2定时扫描方式单片机对键盘的扫描也可采用定时扫描方式，即单片机每隔一定的时间对键盘扫描一次。在这种方式中，通常采用单片机内部的定时器，产生10ms的定时中断，CPU响应定时中断请求后对键盘进行扫描，以查询键盘是否有键按下。3中断扫描方式虽然采用程序查询与定时对键盘的扫描方式时的程序编制简单，但一个单片机系统在运行时的大多数时间里键盘基本是不工作的。为了进一步提高CPU的工作效率，可采用中断方式。当键盘有键动作时产生中断，CPU响应键盘中断后，执行键盘中断程序，判别键盘按下键的键号，并做相应处理。本设计中按键采用中断扫描方式，即当有按键按下时，振铃停止，同时启动分电路工作。图3-9 主控电路原理图3.2 报警电路的设计报警电路完成的是向小区保安报警的电路，其设计是采用压电式蜂鸣器进行报警，而蜂鸣器是采用7407芯片进行驱动，使其能够工作。3.2.1 7407的功能特点图3-10 7407引脚图其中1A6A为输入引脚，1Y6Y为输出引脚。7407为集电极开路输出的六组同相驱动器，其外部引脚图及内部框图分别如3-10和3-11所示。图3-11 7407内部结构框图7407工作时的极限值：l 电源电压：7Vl 输入电压：5.5Vl 输出截止态电压：30Vl 工作环境：070l 贮存环境：-65150表3-4、3-5、3-6分别介绍了7407的工作条件、静态特性和动态特性。表3-4 7407的工作条件最小额定最大单位电源电压Vcc4.7555.25V输入高电平电压Vh2V输入低电平电压Vl0.8V输出截止态电压Vo30V输出低电平电流ol40mA表3-5 7407的静态特性参数测试条件最大单位Vik输入钳位电压VCC=最小；Iik-12mA-1.5VIo输出截止态电流Vcc=最小；Vil=0.8V；Vo=30V250uAVol输出低电平电压Vcc=最小；Vih=2V；Iol=16mA0.4VIi最大输入电压时电流Vcc=最大；Vi=5.5V1mAIih输入高电平电流Vcc=最大；Vih=2.4V40uAIil输入低电平电流Vcc=最大；Vil=0.4V-1.6mAIcch输出高电平时电源电流Vcc=最大41mAIccl输出低电平时电源电流Vcc=最大30mA表3-6 7407动态特性参数测试条件最大单位输出由低电平到高电平传输延迟时间Vcc=5VCl=15pfRl=11010nS输出由高电平到低电平传输延迟时间30nS3.2.2 报警电路的设计 本电路所设计的报警电路是单频音报警电路，其电路设计相对比较简单，其发音元件通常可以采用压电蜂鸣器，这种蜂鸣器只需在其两引线上加3V15V的直流电压，就可以产生3kHz左右的蜂鸣震荡音响，比电研式蜂鸣器结构简单，耗电少，更适合在单片机应用系统中使用。压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流。因此，可以使用TTL系列集成电路7407低电压驱动，也可以使用一个晶体三极管驱动，在本设计中采用7407低电压驱动。其电路原理图如图3-12所示。图3-12 报警电路原理图图中，驱动器的输入端接单片机，当单片机的输出口输出低电平时，7407的输出为低电平，是压电式蜂鸣器引线获得将近5V的直流电压，而产生蜂鸣音响，当单片机的输出口输出为高电平时，7407的输出端升高到+5V，压电式蜂鸣器的两引线之间的直流电压降至接近0V，发音停止。3.3 开锁电路的设计开锁电路完成遥控开启门锁的功能，采用继电器实现。继电器有多种分类，下面先介绍一些常用的继电器。3.3.1 继电器的工作原理继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。 一常见几种继电器1电磁继电器 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。 2热敏干簧继电器 热敏干簧继电器是一种利用热敏磁性材料检测和控制温度的新型热敏开关。它由感温磁环、恒磁环、干簧管、导热安装片、塑料衬底及其他一些附件组成。热敏干簧继电器不用线圈励磁，而由恒磁环产生的磁力驱动开关动作。恒磁环能否向干簧管提供磁力是由感温磁环的温控特性决定的。 3固态继电器（SSR） 固态继电器是一种两个接线端为输入端，另两个接线端为输出端的四端器件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离。 固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型。按开关型式可分为常开型和常闭型。按隔离型式可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型，以光电隔离型为最多。 SSR成功地实现了弱信号（Vsr）对强电（输出端负载电压）的控制。由于光耦合器的应用，使控制信号所需的功率极低（约十余毫瓦就）正常工作，而且Vsr所需的工作电平与TTL、HTL、CMOS等常用集成电路兼容，可以实现直接联接。这使SSR在数控和自控设备等方面得到广泛应用。在相当程度上可取代传统的“线圈簧片触点式”继电器（简称“MER” ）。SSR由于是全固态电子元件组成，与MER相比，它没有任何可动的机械部件，工作中也没有任何机械动作；SSR由电路的工作状态变换实现“通”和“断”的开关功能，没有电接触点，所以它有一系列MER不具备的优点，即工作高可靠、长寿命（有资料表明SSR的开关次数可达108109次，比一般MER的106高几百倍）；无动作噪声；耐振耐机械冲击；安装位置无限制；很容易用绝缘防水材料灌封做成全密封形式，而且具有良好的防潮防霉防腐性能；在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳。这些特点使SSR可在军事（如飞行器、火炮、舰船、车载武器系统）、化工、井下采煤和各种工业民用电控设备的应用中大显身手，具有超越MER的技术优势。交流型SSR由于采用过零触发技术，因而可以使SSR安全地用在计算机输出接口上，不必为在接口上采用MER而产生的一系列对计算机的干扰而烦恼。此外，SSR还有能承受在数值上可达额定电流十倍左右的浪涌电流的特点。二主要参数与选用功率固态继电器的特性参数包括输入和输出参数，下面以北京科通继电器总厂生产的GX-10F继电器为例，列出输入、输出参数，详见表3-7，根据输入电压参数值大小，可确定工作电压大小。如采用TTL或CMOS等逻辑电平控制时，最好采用有足够带载能力的低电平驱动，并尽可能使“0”电平低于0.8 V。如在噪声很强的环境下工作，不能选用通、断电压值相差小的产品，必需选用通、断电压值相差大的产品，（如选接通电压为8 V或12 V的产品)这样不会因噪声干扰而造成控制失灵。输出参数的项目较多，现对主要几个参数说明如下：表3-7 继电器输入、输出参数参数名称（单位）参数值最小典型最大输入端直流控制电压（V）3.214输入电流（mA）20接通电压（V）3.2关断电压（V）1.5反极向保护电压（V）15绝缘电阻（）109介质耐压（V）1500输出端额定输出电压（V）25250额定输出电流（A）10浪涌电流（A）100过零电压（V）15输出压降（V）2.0输出漏电流（mV）10接通电间（ms）10关断时间（ms）10工作频率（Hz）4.770功率损耗（W）1.5关断dV/dT（V/uS）200晶闸管结温（）110工作温度（）-20+801额定输入电压它是指定条件下能承受的稳态阻性负载的最大允许电压有效值。如果受控负载是非稳态或非阻性的，必需考虑所选产品是否能承受工作状态或条件变化时（冷热转换、静动转换、感应电势、瞬态峰值电压、变化周期等) 所产生的最大合成电压。例如负载为感性时，所选额定输出电压必须大于两倍电源电压值，而且所选产品的阻断（击穿)电压应高于负载电源电压峰值的两倍。如在电源电压为交流220V、一般的小功率非阻性负载的情况下，建议选用额定电压为400V600V的SSR产品；但对于频繁启动的单相或三相电机负载，建议选用额定电压为660V800V的SSR产品。2额定输出电流和浪涌电流额定输出电流是指在给定条件下（环境温度、额定电压、功率因素、有无散热器等)所能承受的电流最大的有效值。一般生产厂家都提供热降额曲线。如周围温度上升，应按曲线作降额使用。浪涌电流是指在给定条件下（室温、额定电压、额定电流和持续的时间等)不会造成永久性损坏所允许的最大非重复性峰值电流。交流继电器的浪涌电流为额定电流的510倍（一个周期)，直流产品为额定电流的1.55倍(一秒)。在选用时，如负载为稳态阻性，SSR可全额或降额10%使用。对于电加热器、接触器等，初始接通瞬间出现的浪涌电流可达3倍的稳态电流，因此，SSR降额20%30%使用。对于白织灯类负载，SSR应按降额50%使用，并且还应加上适当的保护电路。对于变压器负载，所选产品的额定电流必须高于负载工作电流的两倍。对于负载为感应电机，所选SSR的额定电流值应为电机运转电流的24倍，SSR的浪涌电流值应为额定电流的10倍。固态继电器对温度的敏感性很强，工作温度超过标称值后，必须降热或外加散热器，例如额定电流为10A的JGX-10F产品，不加散热器时的允许工作电流只有10A。3继电器主要产品技术参数 额定工作电压 是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。 直流电阻是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。 吸合电流是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。 释放电流是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。 触点切换电压和电流是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。 4继电器测试 （1）测触点电阻 用万能表的电阻档，测量常闭触点与动点电阻，其阻值应为0；而常开触点与动点的阻值就为无穷大。由此可以区别出那个是常闭触点，那个是常开触点。 （2）测线圈电阻 可用万能表R10档测量继电器线圈的阻值，从而判断该线圈是否存在着开路现象。 （3）测量吸合电压和吸合电流 找来可调稳压电源和电流表， 给继电器输入一组电压，且在供电回路中串入电流表进行监测。慢慢调高电源电压，听到继电器吸合声时，记下该吸合电压和吸合电流。为求准确，可以试多几次而求平均值。（4）测量释放电压和释放电流 也是像上述那样连接测试，当继电器发生吸合后，再逐渐降低供电电压，当听到继电器再次发生释放声音时，记下此时的电压和电流，亦可尝试多几次而取得平均的释放电压和释放电流。一般情况下，继电器的释放电压约在吸合电压的1050，如果释放电压太小（小于1/10的吸合电压），则不能正常使用了，这样会对电路的稳定性造成威胁，工作不可靠。 （5）继电器的电符号和触点形式 继电器线圈在电路中用一个长方框符号表示，如果继电器有两个线圈，就画两个并列的长方框。同时在长方框内或长方框旁标上继电器的文字符号“J”。继电器的触点有两种表示方法：一种是把它们直接画在长方框一侧，这种表示法较为直观。另一种是按照电路连接的需要，把各个触点分别画到各自的控制电路中，通常在同一继电器的触点与线圈旁分别标注上相同的文字符号，并将触点组编上号码，以示区别。5继电器的触点有三种基本形式（1）动合型（H型）线圈不通电时两触点是断开的，通电后，两个触点就闭合。以合字的拼音字头“H”表示。 （2）动断型（D型）线圈不通电时两触点是闭合的，通电后两个触点就断开。用断字的拼音字头“D”表示。 （3）转换型（Z型）这是触点组型。这种触点组共有三个触点，即中间是动触点，上下各一个静触点。线圈不通电时，动触点和其中一个静触点断开和另一个闭合，线圈通电后，动触点就移动，使原来断开的成闭合，原来闭合的成断开状态，达到转换的目的。这样的触点组称为转换触点。用“转”字的拼音字头“z”表示。3.3.2 开锁电路的设计本设计的开锁电路采用继电器控制的开关量输出电路，开关量输出电路常常控制着动力设备的启停。如果设备的启停负荷不太大，而且启停操作的响应速度也要求不高，则适合于采用继电器隔离的开关量输出电路。由于继电器线圈需要一定的电流才能动作，所以必须在单片机的I/O口与继电器线圈之间接7407或75452P等驱动器，本设计师采用的外接7407驱动器。继电器线圈是感性负载，当电路开断时会出现电感性浪涌电压。所以，在继电器两端要并联一个泄流二极管以保护继电器。图3-13为本设计开锁电路的原理图，单片机的输出口通过驱动器7407控制继电器线圈。当单片机输出口的输出为低电平时，继电器线圈有电流通过，则继电器动作；反之，当单片机输出口输出高电平时，继电器上无电流通过，开关恢复到原始状态。图3-13 开锁电路原理图3.4 语音电路的设计语音电路的设计主要是采用集成运算放大器，其电路设计相对比较简单，而且具有较好的抗干扰能力。3.4.1 集成运算放大器的原理及特性集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入阻抗和低输出阻抗的多级直接耦合放 大电路。它的种类很多，电路也不一样，但 结构有共同之处。一般由输入级、中间 ( 放大 ) 级、输出级、电平移动级、补偿和过载保护电路等组成。根据其结构特点，一般利用差动电路抑制包括温漂在内的共模干扰，利用电流源解决弱电流偏置问题，利用有源负载提高开环增益。集成运算放大器的组成框图如图3-14所示。输入级中间级输出级偏置电路图3-14 集成运算放大器组成框图输入级：要求输入电阻高，差模放大倍数高，抑制零点漂移和共模干扰信号的能力强。都采用差分放大电路。中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。偏置电路：为各级放大电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，一般由恒流源电路构成。一集成电路运算放大器的参数1输入失调电压VIO一个理想的集成运放，当输入电压为零时，输出电压也应为零（不加调零装置）。但实际上它的差分输入级很难做到完全对称，通常在输入电压为零时，存在一定的输出电压。在室温（25）及标准电源电压下，输入电压为零时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压VIO。实际上指输入电压VI=0时，输出电压VO折合到输入端的电压的负值，即 。VIO的大小反应了运放制造中电路的对称程度和电位配合情况。VIO值愈大，说明电路的对称程度愈差，一般约为（110）mV。2输入偏置电流IIBBJT的集成运放的两个输入端是差分对管的基极，因此两个输入端总需要一定的输入电流IBN和IBP。输入偏置电流是指集成运放输出电压为零时，两个输入端静态电流的平均值，如图3-15所示。当 时，偏置电流为输入偏置电流的大小，在电路外接电阻确定之后，主要取决于运放差分输入级BJT的性能，当它的b值太小时，将引起偏置电流增加。从使用角度来看，偏置电流愈小，由信号源内阻变化引起的输出电压变化也愈小，故它是重要的技术指标。一般为10nA1mA。 图3-15 集成运算放大器内部结构框图3输入失调电流IIO在BJT集成电路运放中，输入失调电流IIO是指当输出电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差，即由于信号源内阻的存在，IIO会引起一输入电压，破坏放大器的平衡，使放大器输出电压不为零。所以，希望IIO愈小愈好，它反映了输入级有效差分对管的不对称程度，一般约为1 nA0.1 mA.4温度漂移 放大器的温度漂移是漂移的主要来源，而它又是由输入失调电压和输入失调电流随温度的漂移所引起的，故常用下面方式表示：（1）输入失调电压温漂DVIO/DT这是指在规定温度范围内VIO的温度系数，也是衡量电路温漂的重要指标。DVIO/DT不能用外接调零装置的办法来补偿。高质量的放大器常选用低漂移的器件来组成，一般约为（1020）mV/。（2）输入失调电流温漂DIIO/DT这是指在规定温度范围内IIO的温度系数，也是对放大器电路漂移的量度。同样不能用外接调零装置来补偿。高质量的运放每度几个pA。5最大差模输入电压Vidmax所指的是集成运放的反相和同相输入端所能承受的最大电压值。超过这个电压值，运放输入级某一侧的BJT将出现发射结的反向击穿，而使运放的性能显著恶化，甚至可能造成永久性损坏。利用平面工艺制成的NPN管约为5V左右，而横向BJT可达30V以上。6最大共模输入电压Vicmax这是指运放所能承受的最大共模输入电压。超过Vicmax值，它的共模抑制比将显著下降。一般指运放在作电压跟随器时，使输出电压产生1%跟随误差的共模输入电压幅值，高质量的运放可达13V。7最大输出电流Iomax最大输出电流是指运放所能输出的正向或负向的峰值电流。通常给出输出端短路的电流。二模拟选通运算放大器F3140A和F3140BF3140是一种多功能的集成运算放大器，其各管脚功能如表3-8所示。表3-8 F3140个管脚的功能管脚号23615478符号IN-IN+OUTOA+OA-V+V-S功能输入输出调零电源选通F3140的工作状态受选通端S控制，当S端低电位时，无论输入端有无信号输入，输出端均无信号输出，即F3140被阻断；当S端高电位时，F3140将输入信号放大输出，即F3140被选通。因此,将二个始终