方案说明书婴儿尿床报警器-学位论文

中北大学2008届本科课程设计说明书PAGE中北大学2008届本科课程设计说明书目录1设计目的、意义………………………12设计内容2.1总体设计方案简介…………12.2单元电路设计及仿真结果…………………53结果分析…………………74设计总结…………………75设计心得…………………9参考文献…………………11中北大学2008届本科课程设计说明书第2页共11页第1页共11页1、设计目的、意义通过自己动手设计制作，将电子技术相关理论知识与制作实践相结合，一方面巩固我们之前所学的电子技术的理论基础知识，另一方面也能够提高我们的动手能力，加深对电子技术原理的理解，增加学习电子技术的兴趣，为今后投入电子技术的开发应用打好基础。2、设计内容2、1总体设计方案设计简介婴儿尿床报警器是在婴儿排尿后，能自动发出触发电路，使电路中的音频器（扩音器）发出声音，及时提醒母亲更换尿布，既能使婴儿湿尿布及时更换，又减少尿布更换次数，对婴儿身心健康十分有益。根据延时原理电路和音频发生器选择不同我们确定了以下三种方案。方案一以RC电路作为延时电路，以语音芯片控制语音电路如图2.1所示，它由尿液探测、延时触发电路和音响发生电路等几部分组成。闭合电源开关SA，电路进人待工作状态。此时，夹人婴儿干燥尿布中间的尿探头两电极呈开路，三极管VT1、VT2因无合适偏流均截止，集成电路IC的低电平触发端TG通过电阻器R3接电源正极，IC不工作，扬声器B无声。一旦尿探头捡拾到婴儿的尿液，由于尿里含电解质能够导电，故就相当于在探头间接人了一个几千欧姆的电阻，VT1马上由截止转为导通，电池G通过VTl、R2对C1充电，经过1min后，C1两端电压充至约1.3V时，VD和VT2相继导通，与VT2集电极相连的IC触发端TG获得低电平信号，IC受触发从OUT端反复输出内储的音响电信号，经三极管VT3功率放大后，推动B、反复发出伴有弦琴曲声的“宝宝尿啦！—”提醒语。电路中，R2和C1的充电时间常数确定尿床报警器延时发声的时间长短。R4为A的外接振荡电阻器，其阻值影响语音速度和音调。C2用来降低电池G的交流内阻，使B发声更加清晰。元器件选择IC采用HL一5168型音乐“宝宝尿啦！”语音集成电路芯片。VTl、VT2均用9014或3DG8型硅NPN小功率三极管，要求电流放大系数β＞150；VT3用9013或3DG12型硅NPN中功率三极管，要求电流放大系数β＞100。VD用1N4148型硅开关二极管。B用Φ27mmx9mm、80、0.1w超薄微型动圈式扬声器，以减小体积，方便安装。SA为小型拨动式开关。G用两节5号干电池串联而成，电压3V.尿探头须自制：取一Φ30mm左右的稍厚塑料圆片，另取〉0.8m长的多股铜芯塑皮细导线两根，绞合成引线，将一端剥去25mm长的塑皮后，平行地（间距〈10mm）穿人塑料圆片固定牢，另一端接电路盒即成。如嫌1min的延迟发声时间太长（或太短），可适当减小（或增加）C1容量或者R2阻值加以调节。但应注意R2阻值不可太大。如嫌语音声不够真切，可适当改变R4阻值（330～390kdZ）加以调节。使用时，应将尿探头夹人干燥双层尿布中间最易感受到便液的地方；婴儿排尿后，应用干布吸去探头上的尿液，方可继续再次使用。方案二以RC电路作为延迟电路，以555芯片控制语音延迟式婴儿尿床报警器原理图如图2.3所示，探头由单面敷铜板制作而成，当尿布干燥时它呈开路状态，电阻R1上端被悬空，VT1截止。VT2由电阻R2获得基极偏流而导通，电容C1两端被VT2短路不能被充电，VD与VT3均处于截止态，VT3发射极第4页共11页第3页共12页555时基电路的4脚为低电平，555时基电路被强制复位，扬声器B无声。一旦婴儿将尿布尿湿，探头因尿液导电而呈低阻状态，相当于R1上端通过一个几千欧的电阻接电源正极，VT1导通，VT2截止，解除对电容C1的封锁，正电源通过RP向C1冲充电，数分钟后，C1两端电压冲至1.4V时，VD与VT3相继导通，555时基电路的4脚跳变为高电平，强制复位被解除，电路立即起振，B就发声报信，通知妈妈快替婴儿更换尿布。图2.2婴儿尿床警报器原理图图中，S1是即时与延迟转换开关，需要延迟报尿功能时，应将开关S1合上，电路延迟时间可通过RP进行调节；当不需要延迟功能，可将S1打开，这样当探头一旦遇到尿液或其他导电液体时，电路能立即发声报信。方案三婴儿尿床报警器电路由湿敏传感器、延迟放大电路、语音报警电路和电源电路等组成，如图2.2所示。图2.3婴儿尿床警报器原理图延迟放大电路由晶体管Vl-V3、二极管VD、充电电容器Cl、电位器RP和有关外围元器件组成中北大学2008届本科课程设计说明书第5页共11页第4页共12页语音报警电路由语音集成电路IC、音频放大管V4、扬声器BL和外围阻容元件组成。

电源电路由电源开关S、电源GB和滤波电容器C3组成。

接通电源开关S后，电源GB为整机各电路提供工作电压。

在婴幼儿未尿床时，湿敏传感器两端的电阻值几乎为无穷大，晶体管Vl截止，V2导通，二极管VD和晶体管V3均截止，语音集成电路IC因5脚(触发端TRI)始终为低电平而不工作，扬声器BL不发声。

一且婴幼儿尿床，湿敏传感器两端因尿液导电而由高阻状态变为低阻状态，使Vl正偏导通，V2截止，电源电压经RP对电容器CI充电，当Cl充电结束后(1-2min)，二极管VD与晶体管V3相继导通，V3发射极输出的高电平使IC受触发而工作，从lC的7脚(O/P输出端)输出语音信号，该信号经V4放大后，推动扬声器BL发出语音提醒声。

调节RP的电阻值，可以改变婴幼儿尿床后报警器动作的延迟时司。

改变R3的电阻值，可改变报警语音的声调。

元器件选择：VD选用1N4148型硅开关二极管。

VI-V3均选用S9014或3DC6型硅NPN型晶体管;V4选用S9013或C8050型硅NPN型晶体管。

IC选用内部储存"注意换尿布"语音信息的CMOS语音集成电路。

BL选用8Ω、O.25-0.5W的微型电动式扬声器。

湿敏传感器采用2Ommx2Omm的敷铜板刻制。

考虑以上方案的简洁程度以及能否仿真等特点，我们决定对方案一和方案二进行实际的研究和仿真，以验证电路的实用性。2、1单元电路设计及仿真中北大学2008届本科课程设计说明书第5页共11页第5页共12页方案一以RC电路作为延时电路，以语音芯片控制语音的单元电路设计和仿真。总的电路可分为：1、尿液探测电路，以便能实时监测。当婴儿尿床时，尿液是电解质，会使电路导通，尿液探头相当于是一个几千欧的电阻。图2.4尿液探测电路导通后电路图及其仿真结果2、RC延时电路，延迟后续电路触发，使报警时间延迟。同时可通过调节变阻器RP的大小，按需求的调节报警时间。 图2.5延迟时间可调电路及其仿真结果图3、尿床后，电路触发，语音芯片输入端产生低电平输入信号的电路图。图2.6语音芯片输入信号产生电路及仿真结果4功率放大电路，产生足够大的信号，刺激扬声器放出声音。第6页共11页图2.7功率放大电路及仿真波形方案二：以RC电路作为延迟电路，以555芯片控制语音的单元电路设计和仿真。1、尿液探测电路RC延时电路同方案一的原理相同图2.8尿床后电路导通电容充电电路及充电后仿真结果第7页共11页2、555芯片4端复位端的输入信号产生电路及仿真结果。图2.9555芯片4端输入信号的产生电路及方针结果3、555芯片接入组成多谐振荡器产生使扬声器起振的电路。图2.10555芯片组成多谐振荡器电路及仿真结果波形图3、结果分析方案一中含有集成语音芯片，在仿真软件中无法实现，故将电路分为两部分。第一部分电路只要输出一个低电平即可。由结果可知，集电极电压为334.495mV，为低电平，可以将语音芯片触发。第二部分电路为一功率放大器。原电路中该部分输入为语音信号，在仿真中，用一信号发生器替代。从输出波形可以看出，该部分电路完成了其应有的功能。总体来说，此方案中电路相对比较简单，易于实现，可行性比较高。第8页共11页方案二虽无语音芯片，但含有555芯片。整个电路分三部分，延时电路、产生高电位电路和多谐振荡器。前两部分比较简单，易于实现。延时电路采用RC电路实现，比较简单。产生高电位电路的输出为2.277V，基本满足高电位要求。多谐振荡器的复位端对电位大小要求较高，稳定性太差，故电路不容易实现。综上所述，方案二较方案一复杂，不如方案一中电路稳定，输出容易失真，可行性较差。4、设计总结通过设计研究和仿真电路，我们意识到其实婴儿尿床第8页共11页报警器组成的基本原理都基本相似，即都含有：尿液检测电路，基本延时可调电路，语音模块，功率放大电路以及扬声器。而区别则是以不同的电路、数电、模电知识去实现这些功能电路。实现尿液检测一般是利用湿度传感器，利用湿度传感器，对尿布的湿度进行检测，当婴儿尿床后，湿度传感器会给出一个信号，立即发光报警。实现延时则一般采用RC延时电路，通过电容的充电时间来控制延迟时间，同时用555芯片也可实现延时，而且延迟时间还更精准一些，只是相对RC电路更复杂些。语音模块与功率放大，实现的方式则相对而言更丰富一些，555定时器，晶体管等都能够实现。婴儿尿床报警器通过系列电路，驱动语音模块发声，在第一时间提醒看护人员婴儿尿床以便及时更换尿布，又不对婴儿造成惊吓，有利于婴儿的身心健康，这正是设计这一报警器的实用意义。第9页共11页5、设计心得为期两周的课程设计终于要结束了，现在算是可以放松下来休息一下了。回想起来，这两周的确是有些辛苦，怎么来说呢，痛苦并快乐着吧，其中也收获了不少，给自己的记忆更深刻一些吧。接到任务后，就感觉到，的确是有些茫然！为了完成任务，我和搭档在图书馆借了基本相关书籍，仔细的研读起来。细看之后才发现，确实有些棘手，但在和搭档的共同讨论研究之后，逐渐发现了一点眉目。另外我们还在网上找见了几个做好的实例，仔细分析研究之后，我们对自己的设计方案，也有了大致的轮廓。很快我们的第一种方案也就定了下来，但我们并没有停下，一鼓作气把第二三种方案也定了下来。方案定下来了，接下来就是做枯燥的电路仿真了。虽说已经有了心理准备，但我们还是被狠狠的打击了一番。原理图与实际电路图，可以说差别很大，参数稍有偏差根本出不了结果。难归难，但我们总不能停滞不前吧，在我跟搭档好几天的奋战，终于将第第10页共11页第9页共11页一种方案的结果仿真了出来。有了前面的经验，第二种发难也很开仿真了出来。我们有认真的对设计过程进行了总结，最终完成了设计报告。在这两周里，我们不仅要完成课程设计的所有内容，还要参加期末考试，可以说是时间紧任务重。但我和搭档都没有退缩，勇敢地迎上去，顺利的完成了期末考试，课程设计也完成的差不多了。在这次课程设计中，我有以下几点心得：(1)有利于我们学习能力的提高。这里所说的学习能力包括获取资料的能力、理解前人思路的能力、系统设计能力、动手能力、分析排除故障能力、表达能力等很多方面，课程设计的课题及要求决定了上述能力缺一不可。(2)有利于我们团队精神的培养。在课堂之外实际的工作中，我们一般都要与人合作共同完成某一项目，这就非常需要团队精神，而这一点在课堂常规教学中得到的锻炼是很有限的。课程设计要求两人组队，共同完成设计内容，这就要求二个人必须互相信任、互相配合、分工合作。在顺境时要相互提醒保持冷静，逆境时要相互鼓励共度难关，出现问题时不能相互埋怨。这些与课堂教学强调独立性是有明显区别的。(3)有利于我们心理素质的锻炼。课程设计结果的产生有很大的不确定性，一个极其偶然的失误都会导致最终的不理想结果，因此需要我们具备良好的心理素质，全心全意投入到设计方案，并且以一颗平常心面对最终的结果。戒骄戒躁，要有足够的耐心。这次一次非常有意义的课程设计，让我们的动手能力有了很大的提高。在这两周中，非常感谢老师对我们的帮助，没有她们的帮助，我们也不会这么顺利的完成课程设计。还有很多同学也对我们提供了帮助，在这里非常感谢他们。课程设计就要结束了，虽然我们都很累，但我相信我所收获的，并非设计报告上的那些东西。相信这次课程设计将让我受益终身。第11页共11页参考文献1．傅劲松.电子制