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1、声控报警电路实验报告报警电路设计实验报告实 验 报 告实验名称：声控报警电路设计实验学生：所属班级：班内序号：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：报警器； CD4011；无源蜂鸣器； LM358二，引言
2、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 ，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 ，电路设计1 ，系统组成框图2 ，系统总体设计思
3、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 V REF ，当放大信号高于比较电压 V REF 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
4、， 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 1.5V4.5V 之间，而 IDS 一般在 0.1mA1mA之间。若供电电压 VCC 在 6V8V时，可知 RD 约在2.2K5.1K 之间。实验电路可预取2.8K 。C 为隔直电容，可采用 2
5、2uF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- = U i（“虚短”，但不是“虚地”），I+ = I-
6、= 0所以 U p =U i =U NU N I i =R 1同相输入运算放大器中，当R f =0 或 R 1 = 时， A uf =1+ （R f R 1）=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
7、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V OUT( 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 V A ，反相端输入 V B 。V A 和 V B 的变化如图 2.3.3 （a ）所示。在时间 0t1 时， V A VB ；在 t1 t2 时， V B VA ；在 t2 t3 时，V A VB 。在这种情况下， V OUT 的输出如图 1(c) 所示：V A VB时， V OUT 输出高电平 ( 饱和输出 )；V B VA 时， V OUT 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
8、把 V A 输入到反相端， V B 输入到同相端， V A 及 V B 的电压变化仍然如图 1(b) 所示，则 V OUT 输出如图 1(d) 所示。与图 1(c) 比较，其输出电平倒了一下。输平变化与 V A 、V B 的输入端有关。出电如果输入电压 V A 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V A V B时 , u O = +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
9、2.3.4 RC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
10、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 U O 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 U O 是整个振荡器的开关电平，当 U O 输入高于 Vth 的高电平时，振荡器正常工作输出方波；当 U O 输入低于 Vth 的低电平时，门 G1始终输出高电平 V OH ，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
11、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V A (t 1) =V th -(V OH -V OL )，终值为V A ( ) =V OH，稳态值V A (t 2) =V th，由此可得T 1=RC ln V A (t 1) -V A () V th -(V OH -V OL ) -V OH =RCln V A (t 2) -V A () V TH -V OH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，V A 从 Vth+(VOH-VOL)开始下降，到 t=t3 时 V A 下降至 Vth ，初
12、值 V A （t1 ）=Vth+（VOH-VOL），终值为 V A ( ) =V OL ，稳态值 V A （t2 ）=Vth，由此可得 T 1=RC ln V A (t 1) -V A () Vth +(V OH -V OL ) -V OL =RC ln V A (t 2) -V A () V th -V OL综上，振荡周期是T =T 1+T 2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
13、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
14、单元和延时单元之间加一个1N41二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 ，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
15、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图 3.2.24 ， 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
16、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内容仅供参考