触摸式“叮咚”门铃的设计报告.doc

北京交通大学电气工程学院电子技术课程设计 电子技术课程设计触摸式“叮咚”门铃的设计 自我评定：优目录1.设计目的、内容与步骤21.1.设计目的21.2.设计内容21.3.设计步骤22.总体设计33.详细设计33.1.NE555的结构及性能特点33.2.由NE555构成的单稳态触发器和多谐振荡器43.3.单稳态触发器构成的触摸开关电路设计93.4.由多谐振荡器构成的“叮咚”门铃电路设计103.5.电路完整原理图124. 将设计结果用multisim软件进行仿真分析134.1.触摸开关的仿真分析134.2.“叮咚”门铃电路的仿真分析145.组装、焊接及调试145.1.元件列表145.2.组装、焊接元件155.3.调试电路156.将有公共接地的电源替换为干电池时出现的问题以及解决方法166.1.将有公共接地的电源替换为干电池时出现的问题166.2.解决方法167.设计体会18触摸式“叮咚”门铃的设计1. 设计目的、内容与步骤1.1. 设计目的（1）、 学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路与数字电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。（2）、 学会555定时器的设计方法和性能指标测试方法。（3）、 培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。1.2. 设计内容设计触摸式“叮咚”门铃，要求完成以下主要技术指标：（1）、 触摸开关有足够的灵敏度与稳定性；（2）、 “叮”声与“咚”声频率要求差距比较大，且两种频率声音的过渡过程自然、悦耳；（3）、 “咚”声在触摸动作完成后应持续几秒钟；（4）、 电路功耗低。1.3. 设计步骤（1）、 查阅有关资料，完成总体设计框图（2）、 完成设计框图各个部分的详细设计，并选择合适参数的电子元器件完成各部分电路，绘制电路原理图。（3）、 利用multisim等仿真软件进行仿真。（4）、 统计所有元器件的参数和数量，购买元器件。（5）、 将元器件依照电路原理图焊接至电路板上，完成电源的实物制作。（6）、 调试电路，根据需要调节元件参数，必要时，替换个别元件。2. 总体设计 该直流稳压电源主要由两部分组成：触摸开关电路、“叮咚”门铃电路。（1）触摸开关电路：人体触摸时触摸开关输出高电平，触摸前以及触摸后为低电平。（2）“叮咚”门铃电路：输入端没有动作时，输出端为低电平，故输出端的扬声器没有声音。当输入端输入高电平时，输出方波，频率较高；输入端由高电平变为低电平后，输出信号可以维持一段时间，且频率较低。多谐振荡器构成的“叮咚”门铃电路触摸片本次设计采用555定时器构成的单稳态触发器与多谐振荡器。输入控制单稳态触发器构成的触摸开关3. 详细设计3.1. NE555的结构及性能特点（1）NE555的结构Pin 1 (接地)-地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。 Pin 2 (触发点)-又叫低电平触发端。这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。 Pin 3 (输出)-当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。 Pin 4 (重置)-一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。 Pin 5 (控制)-这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。 Pin 6 (重置锁定)又叫高电平触发端。 Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。 Pin 7 (放电)-这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。 Pin 8 (V +)-这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。输入输出阈值输入(VI1)触发输入(VI2)复位(RD)输出(VO)放电管T00导通11截止 1 0 导通 1 不变 不变555定时器功能表（2）NE555的性能特点a) 只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。 b) 它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出电平及输入触发电平，均能与这些系列逻辑电路的高、低电平匹配。 c) 其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。 d) 它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。3.2. 由NE555构成的单稳态触发器和多谐振荡器NE555的作用范围很广，但一般多应用于单稳态触发器（Monostable Mutlivibrator）及无稳态多谐振荡器（Astable Multivibrator）。（1）单稳态触发器a) 简介l 单稳态触发器只有一个稳定状态，一个暂稳态。 l 在外加脉冲的作用下，单稳态触发器可以从一个稳定状态翻转到一个暂稳态。 l 由于电路中RC延时环节的作用，该暂态维持一段时间又回到原来的稳态，暂稳态维持的时间取决于RC的参数值。b) 电路组成如图所示，其中R、C为单稳态触发器的定时元件，它们的连接点Vc与定时器的阀值输入端（6脚）及输出端Vo（7脚）相连。单稳态触发器输出脉冲宽度tw=1.1RC。 Ri、Ci构成输入回路的微分环节，用以使输入信号Vi的负脉冲宽度tpi限制在允许的范围内，一般tpi5RiCi，通过微分环节，可使Vi的尖脉冲宽度小于单稳态触发器的输出脉冲宽度tpo。若输入信号的负脉冲宽度tpi本来就小于tpo，则微分环节可省略。 定时器复位输入端（4脚）接高电平，控制输入端Vm通过0.01uF接地，定时器输出端Vo（3脚）作为单稳态触发器的单稳信号输出端。c) 工作原理当输入Vi保持高电平时，Ci相当于断开。输入Vi由于Ri的存在而为高电平Vcc。此时，若定时器原始状态为0，则集电极输出（7脚）导通接地，使电容C放电、Vc=0，即输入6脚的信号低于2/3Vcc，此时定时器维持0不变。 若定时器原始状态为1，则集电极输出（7脚）对地断开，Vcc经R向C充电，使Vc电位升高，待Vc值高于2/3Vcc时，定时器翻转为0态。 结论：单稳态触发器正常工作时，若未加输入负脉冲，即Vi保持高电平，则单稳态触发器的输出Vo一定是低电平。单稳态触发器的工作过程分为下面三个阶段来分析，下图为其工作波形图：触发翻转阶段： 输入负脉冲Vi到来时，下降沿经RiCi微分环节在Vi端产生下跳负向尖脉冲，其值低于负向阀值（1/3Vcc）。由于稳态时Vc低于正向阀值（2/3Vcc），固定时器翻转为1，输出Vo为高电平，集电极输出对地断开，此时单稳态触发器进入暂稳状态。 暂态维持阶段： 由于集电极开路输出端（7脚）对地断开，Vcc通过R向C充电，Vc按指数规律上升并趋向于Vcc。从暂稳态开始到Vc值到达正向阀值（2/3Vcc）之前的这段时间就是暂态维持时间tpo 。 返回恢复阶段： 当C充电使Vc值高于正向阀值(2/3Vcc）时，由于Vi端负向尖脉冲已消失 ，Vi值高于负向阀值（1/3Vcc），定时器翻转为0，输出低电平，集电极输出端（7脚）对地导通，暂态阶段结束。C通过7脚放电，使Vc值低于正向阀值（2/3Vcc），使单稳态触发器恢复稳态。d) 单稳态触发器的应用举例l 脉冲整形利用单稳态触发器能产生一定宽度的脉冲这一特性，可以将过窄或过宽的输入脉冲整形成固定宽度的脉冲输出。 如所示的不规则输入波形，经单稳态触发器处理后，便可得到固定宽度、固定幅度，且上升、下降沿陡峭的规整矩形波输出。l 脉冲定时若将单稳态触发器的输出Vo接至与门的一个输入脚，与门的另一个输入脚输入高频脉冲序列Vf。单稳态触发器在输入负向窄脉冲到来时开始翻转，与门开启，允许高频脉冲序列通过与门从其输出端VAND输出。经过tpo定时时间后，单稳态触发器恢复稳态，与门关闭，禁止高频脉冲序列输出。由此实现了高频脉冲序列的定时选通功能。（2）多谐振荡器a) 简介多谐振荡器是一种能产生矩形波的自激振荡器，也称矩形波发生器。“多谐”指矩形波中除了基波成分外，还含有丰富的高次谐波成分。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。在工作时，电路的状态在这两个暂稳态之间自动地交替变换，由此产生矩形波脉冲信号，常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。b) 电路组成用555定时器构成的多谐振荡器电路如图所示：图中电容C、电阻R1和R2作为振荡器的定时元件，决定着输出矩形波正、负脉冲的宽度。定时器的触发输入端（2脚）和阀值输入端（6脚）与电容相连；集电极开路输出端（7脚）接R1、R2相连处，用以控制电容C的充、放电；外界控制输入端（5脚）通过0.01uF电容接地。c) 工作原理电路接通电源的瞬间，由于电容C来不及充电，Vc=0v，所以555定时器状态为1，输出Vo为高电平。同时，集电极输出端（7脚）对地断开，电源Vcc对电容C充电，电路进入暂稳态I，此后，电路周而复始地产生周期性的输出脉冲。多谐振荡器两个暂稳态的维持时间取决于RC充、放电回路的参数。暂稳态的维持时间，即输出Vo的正向脉冲宽度T10.7(R1+R2)C；暂稳态的维持时间，即输出Vo的负向脉冲宽度T20.7R2C。因此，振荡周期T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C，振荡频率f=1/T。正向脉冲宽度T1与振荡周期T之比称矩形波的占空比，由上述条件可得D=（R1+R2）/（R1+2R2），若使R2R1，则D1/2，即输出信号的正负向脉冲宽度相等的矩形波（方波）。d) 应用l 模拟声响发生器：将两个多谐振荡器连接起来，前一个振荡器的输出接到后一个振荡器的复位端，后一个振荡器的输出接到扬声器上。这样，只有当前一个振荡器输出高电平时，才驱动后一个振荡器振荡,扬声器发声；而前一个振荡器输出低电平时，导致后面振荡器复位并停止震荡,此时扬声器无音频输出。因此从扬声器中听到间歇式的呜.呜声响。l 电压频率转换器：由555定时器构成的多谐振荡器中，若定时器控制输入端（5脚）不经电容接地，而是外加一个可变的电压源，则通过调节该电压源的值，可以改变定时器触发电位和阀值电位的大小。外加电压越大，振荡器输出脉冲周期越大，即频率越低；外加电压越小，振荡器输出脉冲周期越小，即频率越高。这样，多谐振荡器就实现了将输入电压大小转换成输出频率高低的电压频率转换器的功能。3.3. 单稳态触发器构成的触摸开关电路设计在本电路中，触摸开关并不直接用“通”、“断”来控制电路，而是通过输出高电平与低电平来控制电路。触摸开关由555定时器组成的单稳态触发器构成，电路图如下：输出为3端（OUT），平时处于复位状态，输出电平为低电平。当触摸片受到触摸时，人体感应的杂波信号加到低电平触发端2端（TRI），电路置位，3端输出高电平，电路被触发进人暂态。暂态时间t=1.1R2 C4，暂态时间结束后，电路翻转成稳态，3端输出低电平。3.4. 由多谐振荡器构成的“叮咚”门铃电路设计 “叮咚”门铃设计的具体思路是利用555定时器的4端（复位端）控制是否输出信号，前级电路输入低电平，使4端为低电平时，555定时器输出为0，前级电路输入高电平，4端为高电平时，555定时器正常工作，输出方波信号。另一方面，要利用不同回路造成的输出不同的频率来产生“叮咚”声。具体过程如下：l 在前级触摸开关没有动作时候，D2，C3，R4组成的支路两端电压为零（不考虑低电平电压和二级管道通电压），C3无法接通不进行充电，因而C3两端的电压为0，4端口（复位端）一直处于低电平，电路处于复位状态，导致3端口输出一直为0，扬声器无法工作。而C2通过R1、R2进行充电，充满电后，其电压约为电源电压5V。l 当前级触摸开关输出高电平，即门铃电路输入高电平时，电流流过二极管D2对C3经行充电，其两端电压升高，4端口的电压也开始逐渐升高。当C3端电压上升为高电平时， 4端口输入的是高电平，555定时器启动， R1、R2和C2组成的多谐振荡器开始工作，输出频率f1，相对较高。输出端接的扬声器发出“叮”的声音。l 当前级输出高电平恢复为低电平时，D1截止，R4和C3组成回路，C3开始放电。同时R1、R2、R3和C2组成的多谐振荡器开始工作，输出频率为f2，相对较低。当C3放电完毕的时候，4端口又恢复低电平，555定时器停止工作。输出端的扬声器发出“咚”的声音。其中，f1= =715Hz;f2= =269.8Hz。3.5. 电路完整原理图4. 将设计结果用multisim软件进行仿真分析4.1. 触摸开关的仿真分析将触摸开关输出端接在示波器两端，开关J1连接触摸片与地，用来代替触摸片，开关闭合等价于人用手触摸触摸片。如下图： 如上图，在开关J1闭合以前，触摸开关输出低电平，J1闭合，即相当于触摸触摸片以后，输出变为高电平，符合设计要求。4.2. “叮咚”门铃电路的仿真分析 如上图，前级输入为低电平时（开关J1不闭合），门铃电路输出为0。前级输入高电平时（开关J1闭合），输出方波，频率较高；前级输入恢复为低电平时（开关J1再断开），输出仍然是方波，但频率较低。符合设计要求。5. 组装、焊接及调试5.1. 元件列表元件类型参数数量电阻5 k110 K133 K21 M1电容100uF210nF247uF1100nF1芯片NE5552二极管1N41484其他面包板，面包板专用插线，干电池四节，电池盒5.2. 组装、焊接元件依照以下步骤焊接元件、组装电路：（1）、准备好电烙铁，剪刀、镊子、钳子、焊锡等工具。（2）、规划元件在电路板上的位置，注意元件的总体布局，兼顾美观，开关、变阻器位置应便于用户操作。（3）、在电路板上插好元件，开始组装、焊接，逐步完成各个模块到整个电路的焊接及连线。（4）、检查原件引脚有没有相互碰触的地方，若有，应该把它们分开；检查焊点，观察有无虚焊点，对部分焊点进行修整。5.3. 调试电路完成电路焊接及连线以后，按照以下步骤调试电路：（1）、将触摸开关电路中555定时器的输出与地接在示波器输入端，接通5V电源，用手触摸触摸开关，观察示波器输出波形的变化。若触摸前，输出低电平，触摸后，输出高电平，一段时间后恢复为低电平，则功能正常。（2）、将 “叮咚”门铃电路555定时器的输出端接在示波器输入端，用手触摸触摸片，观察波形。若触摸时出现周期较短的波形，触摸后出现周期较长的波形，并持续一段时间，则门铃功能正常。6. 将有公共接地的电源替换为干电池时出现的问题以及解决方法6.1. 将有公共接地的电源替换为干电池时出现的问题当电源为有公共接地的电源时，用户手指碰到连接到电路公共接地的一个触点，或由于手指进入邻近电源线辐射的静电场中而产生的一定频率的交流电压时，触摸开关将产生动作。当将电源替换为干电池时，不再有公共接地。而人体是接地的，用手指触摸触摸片将不会引起触摸开关的动作。6.2. 解决方法触摸时，只要同时触摸干电池组的负极以及触摸片，就可以使得触摸开关产生动作。可以将电池负极与触摸片同时引出一根导线，并列放置在一起固定在一个绝缘片上