聲控報警電路實(shí)驗報告.doc

_ 精品資料 實(shí)實(shí) 驗驗 報報 告告 實(shí)驗實(shí)驗名稱：名稱： 聲控報警電路設(shè)計 實(shí)驗實(shí)驗學(xué)生：學(xué)生： 所屬班所屬班級級： ： 班內(nèi)序號：班內(nèi)序號： 一，摘要一，摘要 近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，生活節(jié)奏的加快，人們 對電子報警器的需求日益增加。電子報警器應(yīng)用于安全防范，系統(tǒng)故障，交通運(yùn) 輸，醫(yī)療救護(hù)等領(lǐng)域，和社會生產(chǎn)密不可分。例如聲控報警系統(tǒng)在生活中處處可 見，樓道里的聲控節(jié)能燈，店鋪聯(lián)網(wǎng)報警器等等，其功能簡單，成本較低，因而廣 泛應(yīng)用于各種家用電器和小電子產(chǎn)品中。 本課題基于應(yīng)用需求，結(jié)合實(shí)驗要求設(shè)計電路。報告介紹了簡易的聲控報 警器的電路設(shè)計和電路的搭建調(diào)試。 關(guān)關(guān)鍵詞鍵詞： ：報警器；CD4011；無源蜂鳴器；LM358 二，引言二，引言 隨著電力電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電子設(shè)備、電 子儀器的出現(xiàn)日新月異，在市場上電子產(chǎn)品的競爭較為激烈。 本課程設(shè)計利用駐極體式咪頭作為聲傳感器獲得電壓，經(jīng) LM358 放大電路 兩級放大，然后通過電壓比較器和多諧振蕩器,輸出驅(qū)動蜂鳴器和發(fā)光二極管工 作報警。 _ 精品資料 1， ，設(shè)計設(shè)計要求要求 1，設(shè)計任務(wù)要求 設(shè)計一個聲控報警電路，在麥克風(fēng)附近擊掌（模擬異常響動），電路能發(fā)出報 警聲，持續(xù)時間大于 5 秒。聲音傳感器采用駐極體式咪頭，蜂鳴器用無源式蜂鳴 器。 2，提高要求 1，增加報警燈，使其閃爍報警；2，增加輸出功率，提高報警音量，加強(qiáng)威懾 力。 2， ，電電路路設(shè)計設(shè)計 1，系統(tǒng)組成框圖 2，系統(tǒng)總體設(shè)計思路 駐極體式咪頭作為聲音傳感器，將擊掌產(chǎn)生的聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號，微弱 的電信號經(jīng)過同相放大器放大后便于傳輸和驅(qū)動，放大信號進(jìn)入同相比較器，比 較器根據(jù)實(shí)驗可以設(shè)置合理的比較電壓 VREF，當(dāng)放大信號高于比較電壓 VREF時， 放大器輸出高電平促發(fā)方波振蕩器開始工作，振蕩產(chǎn)生的方波經(jīng)三極管放大即 可驅(qū)動無源式蜂鳴器發(fā)出報警聲音。但由于一次拍手產(chǎn)生的電信號只有短暫的 脈沖，故還需要在比較器后加入延時電路，減緩脈沖電壓下降的速度來實(shí)現(xiàn)延時 報警。 3，單元電路設(shè)計思路 聲音采集單元設(shè)計原理簡述 駐極體話筒由聲電轉(zhuǎn)換和阻抗變換兩部分組成。聲電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件是駐 _ 精品資料 極體振動膜，當(dāng)駐極體膜片遇到聲波振動時，引起電容兩端的電場發(fā)生變化，從 而產(chǎn)生了隨聲波變化而變化的交變電壓。其膜片與金屬極板之間的電容量比較 小，因而它的輸出阻抗值高，約幾十兆歐以上。這樣高的阻抗是不能直接與音頻 放大器相匹配的。所以在話筒內(nèi)接入一只結(jié)型場效應(yīng)晶體三極管來進(jìn)行阻抗變 換。 因為駐極體式麥克風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)含場效應(yīng)管，所以駐極體話筒必須提供 直流電壓才能工作。本實(shí)驗采用漏極輸出型電路，電路圖如下 實(shí)際電路參數(shù) 麥克風(fēng)中的場效應(yīng)管的 UDS 一般在 1.5V4.5V 之間，而 IDS 一般在 0.1mA1mA 之間。若供電電壓 VCC 在 6V8V 時，可知 RD 約在 2.2K5.1K 之間。實(shí)驗電路可預(yù)取 2.8K。C 為隔直電容，可采用 22uF 的電解電容。 3，信號放大單元設(shè)計原理簡述 由駐極體式麥克風(fēng)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的電信號是微弱信號，經(jīng)測量在擊掌瞬間 麥克風(fēng)輸出的最大值約為 12mV，該信號必須經(jīng)過放大器放大之后與比較器 比較。該部分信號的放大由 LM358 來實(shí)現(xiàn)，用 LM358 構(gòu)成一級放大約 100 倍，第二級電壓跟隨的形式。 一級電路設(shè)計原理如下： 第一級采用同相放大電路，輸入信號從直流補(bǔ)償電阻 R1 輸入到運(yùn)放的 _ 精品資料 同相輸入端。反饋網(wǎng)絡(luò)為 R2 和 R3，構(gòu)成深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路。根 據(jù)分析集成運(yùn)算放大電路的兩個重要特點(diǎn)（“虛短”、“虛斷”）可知： 因為 U+ = U- = Ui（“虛短”，但不是“虛地”）， I+ = I- = 0 所以 Nip UUU 1 R U I N i 同相輸入運(yùn)算放大器中，當(dāng) Rf =0 或 R1 =時，Auf =1+（RfR1）=1，即輸出電 壓與輸入電壓大小相等，相位相同，這種電路稱為電壓跟隨器。 實(shí)際電路參數(shù) 麥克風(fēng)的測量中，輸出的電信號約為 150mV，故初步設(shè)定放大倍數(shù)為 100 倍，使放大級輸出約為 1.5V。放大部分電路參數(shù)如圖 2.3.2（a）。再放大 之后，緊跟一級電壓跟隨緩沖，電壓跟隨器參數(shù)如圖 2.3.2（b）所示。 3，電壓比較單元 設(shè)計原理簡述 電壓比較器是對兩個模擬電壓比較其大小,并判斷出其中哪一個電壓高，如 圖 1 所示。圖 1(a)是比較器，它有兩個輸入端：同相輸入端(“+” 端) 及反相輸入 端(“-”端)，有一個輸出端 VOUT(輸出電平信號)。另外有電源 V+及地(單電源比較 器)，同相端輸入電壓 VA，反相端輸入 VB。VA和 VB的變化如圖 2.3.3（a）所示。在 時間 0t1 時，VAVB；在 t1t2 時，VBVA；在 t2t3 時，VAVB。在這種情況下， VOUT的輸出如圖 1(c)所示：VAVB時，VOUT輸出高電平(飽和輸出)；VBVA時， VOUT輸出低電平。根據(jù)輸出電平的高低便可知道哪個電壓大 。 如果把 VA 輸入到反相端，VB輸入到同相端，VA及 VB的電壓變化仍然如 圖 1(b)所示，則 VOUT輸出如圖 1(d)所示。與圖 1(c)比較，其輸出電平倒了一下。 _ 精品資料 輸出電 平變化與 VA、VB的輸入端有關(guān)。 如果輸入電壓 VA 與某一個固定不變的電壓 VB 相比較，此固定不變的 VB 稱為參考電壓、基準(zhǔn)電壓或閾值電壓。在試驗中合理設(shè)置參考電壓便可以實(shí)現(xiàn)特 定的電壓比較。實(shí)驗原理圖即如下 _ 精品資料 既此時有如下的電壓輸出關(guān)系，當(dāng) VA VB時 , uO = +UOM 為了便于電路組合之后的調(diào)試過程，特引入電位器分壓，如圖 2.3.3（b）所示， 信號從同相端輸入，參考電壓從 2.3.4 RC 延延時單時單元元 設(shè)計原理簡述 當(dāng)有高電平加在電路輸入端時，電容 C 開始充電，直到電容兩端電壓與充電 電壓相等。當(dāng)充電電壓下降至 0 時，電容 C 開始通過電阻 R 放電，直到電容 C 儲 存的電荷全部釋放。通過這樣快充慢放的過程實(shí)現(xiàn)電路電壓下降的延時功能，具 體電路圖如下 實(shí)際電路參數(shù) 實(shí)驗要求報警時間不低于 5s，根據(jù) t=RC 初步計算，可取電阻 R=100k，電容 C=0.01uF。預(yù)計報警時長持續(xù) 10s 左右。 _ 精品資料 2.3.5 方波振蕩單元 設(shè)計原理簡述 方波振蕩器由門電路和阻容元件構(gòu)成，它沒有穩(wěn)定狀態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)， 通過電容的充電和放電，使兩個暫穩(wěn)態(tài)相互交替，從而產(chǎn)生自激振蕩，輸出周期 性的矩形脈沖信號。由于矩形脈沖含有豐富的諧波分量，因此，常將矩形脈沖產(chǎn) 生電路稱作多諧振蕩器。 本實(shí)驗中采用 CD4011 實(shí)現(xiàn)方波振蕩，電路圖如下。 輸入 UO一個高電平時，該方波振蕩器主要依靠電整一個周期的波形變化如 下。 而輸入信號 UO是整個振蕩器的開關(guān)電平，當(dāng) UO輸入高于 Vth 的高電平時， 振蕩器正常工作輸出方波；當(dāng) UO輸入低于 Vth 的低電平時，門 G1 始終輸出高電 平 VOH，電路無法振蕩輸出方波。 實(shí)際電路參數(shù) 該多諧振蕩器的振蕩周期與時間常數(shù) RC、門電路的閥值電壓 Vth 均有關(guān)系， 頻率穩(wěn)定性較差。此處做理想近似計算。 在 T1 期間 G1 輸出高電平 VOH，G2 輸出低電平 VOL，電容 C 充電。為了 _ 精品資料 便于計算，忽略門的輸出電阻和輸入端電流，則充電常數(shù)為 RC。初值 ，終值為，穩(wěn)態(tài)值，由此可得)()(1OLOHthAVVVtVOHAVV)(thAVtV)(2 OHTH OHOLOHth AA AA VV VVVV RC VtV VtV RCT )( ln )()( )()( ln 2 1 1 在 T2 期間 G1 輸出低電平 VOL，G2 輸出高電平 VOH，電容 C 反向充電， VA 從 Vth+(VOH-VOL)開始下降，到 t=t3 時 VA 下降至 Vth，初值 VA（t1） =Vth+（VOH-VOL），終值為，穩(wěn)態(tài)值 VA（t2）=Vth，由此可得OLAVV)( OLth OLOLOHth AA AA VV VVVV RC VtV VtV RCT )( ln )()( )()( ln 2 1 1 綜上，振蕩周期是 21TTT 欲使其驅(qū)動蜂鳴器和發(fā)光二極管，設(shè)置元件參數(shù)如下： 5，無源式蜂鳴器報警單元設(shè)計原理簡述 無源蜂鳴器內(nèi)部沒有自帶的振蕩源，需要由前級輸出的頻率在 2K-5K 的方 波來驅(qū)動。試驗中加一晶體管放大再接蜂鳴器增加蜂鳴器的輸入功率，以保證更 好的實(shí)驗效果。 實(shí)際電路參數(shù) 試驗元件初置參數(shù)如圖，采用 NPN 管 8050 和電阻 R=2K。 _ 精品資料 3，單元電路的組合設(shè)計 單元電路在組合的時候還需要考慮各個單元之間的輸入輸出阻抗的平衡。先 對各級之間組合的做如下連接說明： 1，聲音采集單元與信號放大單元之間連接要注意，LM358 構(gòu)成的放大單元的 輸入阻抗理想情況接近于無窮大，放大單元的輸入阻抗作為聲音采集系統(tǒng)的輸 出負(fù)載，導(dǎo)致聲音采集單元輸出的信號電流過小且和電壓脈沖變化不明顯，這將 嚴(yán)重影響后級單元對信號的接收和處理。故在電壓放大單元的輸入端與地之間 并一個小阻值電阻來減小聲音采集單元的輸出阻抗 2，電壓比較單元和延時單元之間要防止電容對前級電路放電，電流回流。故在電 壓比較單元和延時單元之間加一個 1N4148 二極管來實(shí)現(xiàn)單向?qū)?，禁止電容?前級電路放電的影響。 3，在方波振蕩器和發(fā)光二極管之間需要串接一個 2K 左右的電阻來降低通過發(fā) 光二極管的電流，保護(hù)發(fā)光二極管因電流過大而損壞。 _ 精品資料 3， ，電電路仿真路仿真 1，單元仿真 測試信號放大單元工作情況，基本要求實(shí)現(xiàn)對小信號放大倍數(shù) 100 倍。 設(shè)計符合該單元放大一百倍的基本要求。 圖 3.1.1（c） 2，電壓比較單元仿真 電路能夠?qū)崿F(xiàn)參考電壓的比較，并且在不同的參考電壓之下電壓比較器均能 實(shí)現(xiàn)無滯回的同相電壓比較功能。 _ 精品資料 3，延時單元仿真 延時電路要求實(shí)現(xiàn)高電平下降的延時功能，在仿真中即給延時電路輸入一 個短暫的高電平，檢測輸出會發(fā)現(xiàn)輸出高電平緩慢下降。若出現(xiàn)發(fā)現(xiàn)下降緩慢且 時間大于 5S，則滿足設(shè)計要求。 在延時電路輸出端可以看到明顯的快速充電和斷開開關(guān)后緩慢放電的過程。 _ 精品資料 圖 3.1.2（c） 4，方波振蕩單元仿真 方波振蕩器要求在前級輸入高點(diǎn)電平時，震蕩輸出一個高頻的方波信號，以 驅(qū)動后級的蜂鳴器發(fā)出報警。 _ 精品資料 5，整體仿真測試 模擬麥克風(fēng)信號的輸入，整體電路對該輸入響應(yīng)，最后應(yīng)能檢測出能驅(qū)動蜂鳴器 的方波信號。 4， 電路搭建與調(diào)試 模模擬擬麥克麥克風(fēng)風(fēng)信號的信號的輸輸入，整體入，整體電電路路對該輸對該輸入響入響應(yīng)應(yīng)，最后，最后應(yīng)應(yīng)能能檢測檢測出能出能驅(qū)動驅(qū)動蜂蜂鳴鳴 _ 精品資料 _ 精品資料 圖 3.2.2 4， ， 電電路搭建與路搭建與調(diào)試調(diào)試 1，信號放大單元搭建與調(diào)試 信號放大單元采用 LM358 實(shí)現(xiàn)，其芯片封裝管腳圖如圖 4.1.1 所示，該單元 電路圖如圖 4.1.2 所示，圖中設(shè)置 R2=1K 便于放大倍數(shù)的更改，更改電阻 R1 即 可快速改變該單元的放大倍數(shù)，例如圖示電路圖中 R1 為 100K，則有放大倍數(shù) 為 100 倍，按圖搭建電路如圖 4.1.3（a）所示，并設(shè)置 R1=50k。輸入信號的參數(shù)如 圖 4.1.3（b）所示，頻率為 1KHz，峰峰值為 20mV。輸出波形如圖 4.1.3（c）所示，頻 率為 1KHz，峰峰值為 1V，即設(shè)計和搭建符合要求。 最后需要注意，在級連調(diào)試時只需要更改 R1 阻值即可更改該單元的電壓放 大倍數(shù)。 2，電壓比較單元搭建與調(diào)試 _ 精品資料 電壓比較單元依舊是采用 LM358 來實(shí)現(xiàn)。 3，方波振蕩單元搭建與調(diào)試 方波振蕩的主要元件是 CD4011 ,4， _ 精品資料 整體級聯(lián)調(diào)試 5， ，實(shí)驗總結(jié)實(shí)驗總結(jié)與探與探討討 1，電阻阻值使用錯誤，最簡單的事情是差錯之后最難檢查的事情，因而保險起見， 在第一步時候就先用萬用表確認(rèn)阻值。 2，電解電容方向錯誤，易發(fā)生爆炸。 3，芯片管腳接錯，因為管腳較密，故在連接時一定要細(xì)心。, 6， ，實(shí)驗實(shí)驗元件與元件與儀儀器器資資料料 1，駐極體式咪頭 構(gòu)造與原理構(gòu)造與原理 _ 精品資料 駐極體話筒由聲電轉(zhuǎn)換和阻抗變換兩部分組成。聲電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件 是駐極體振動膜。它是一片極薄的塑料膜片，在其中一面蒸發(fā)上一層純金薄 膜。然后再經(jīng)過高壓電場駐極后，兩面分別駐有異性電荷。膜片的蒸金面向 外，與金屬外殼相連通。膜片的另一面與金屬極板之間用薄的絕緣襯圈隔離 開。這樣，蒸金膜與金屬極板之間就形成一個電容。當(dāng)駐 極體膜片遇到聲 波振動時，引起電容兩端的電場發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了隨聲波變化而變化的 交變電壓。駐極體膜片與金屬極板之間的電容量比較小，一般為幾十 pF。因 而它的輸出阻抗值很高(Xc12tfc)，約幾十兆歐以上。 這樣高的阻抗是不能直接與音頻放大器相匹配的。所以在話筒內(nèi)接入 一只結(jié)型場效應(yīng)晶體三極管來進(jìn)行阻抗變換。場效應(yīng)管的特點(diǎn)是輸入阻抗 極高、噪聲系數(shù)低。普通場效應(yīng)管有源極(S)、柵極(G)和漏極(D)三個極。這 里使用的是在內(nèi)部源極和柵極間再復(fù)合一只二極管的專用場效應(yīng)管。接二 極管的目的是在場效應(yīng)管受強(qiáng)信號沖擊時起保護(hù)作用。場效應(yīng)管的柵極接 金屬極板。這樣，駐極體話筒的輸出線便有三根。即源極 S，一般用藍(lán)色塑 線，漏極 D，一般用紅色塑料線和連接金屬外殼的編織屏蔽線。 _ 精品資料 2，極性判斷 它的電路的接法有兩種：源極輸出和漏極輸出。源極輸出有三根引出線，漏 極 D 接電源正極，源極 S 經(jīng)電阻接地，再經(jīng)一電容作信號輸出；漏極輸出有兩根 引出線，漏極 D 經(jīng)一電阻接至電源正極，再經(jīng)一電容作信號輸出，源極 S 直接接 地。所以，在使用駐極體話筒之前首先要對其進(jìn)行極性的判別。 在場效應(yīng)管的柵極與源極之間接有一只二極管，因而可利用二極管的正反向 電阻特性來判別駐極體話筒的漏極 D 和源極 S。 將萬用表撥至 R1k 檔，黑表筆接任一極，紅表筆接另一極。再對調(diào)兩表筆， 比較兩次測量結(jié)果，阻值較小時，黑表筆接的是源極，紅表筆接的是漏極。 6.1.5 電路接法 接法 1：源極輸出 源極輸出類似晶體三極管的射極輸出。需用三根引出線。漏極 D 接電源正極。 源極 S 與地之間接一電阻 Rs 來提供源極電壓，信號由源極經(jīng)電容 C 輸出。編織 線接地起屏蔽作用。源極輸出的輸出阻抗小于 2k，電路比較穩(wěn)定，動態(tài)范圍大。 但輸出信號比漏極輸出小。 接法 2：漏極輸出 漏極輸出類似晶體三極管的共發(fā)射極放入。只需兩根引出線。漏極 D 與電源 正極間接一漏極電阻 RD，信號由漏極 D 經(jīng)電容 C 輸出。源極 S 與編織線一起接 地。漏極輸出有電壓增益，因而話筒靈敏度比源極輸出時要高，但電路動態(tài)范圍 略小。 1，集成運(yùn)放芯片 LM358 _ 精品資料 6.2.2 LM358 簡介 LM358 是雙運(yùn)算放大器。內(nèi)部包括有兩個獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)?雙運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模 式。 6.2.3 LM358 特性 直流電壓增益高(約 100dB) 。 單位增益頻帶寬(約 1MHz) 。 電源電壓范圍寬：單電源(330V)；雙電源(1.5 一15V) 。 低功耗電流，適合于電池供電。 低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流。 共模輸入電壓范圍寬，包括接地。 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍。 輸出電壓擺幅大（0 至 Vcc-1.5V) 。 6.2.4 LM358 參數(shù) 輸入偏置電流 45 nA 輸入失調(diào)電流 50 nA 輸入失調(diào)電壓 2.9mV _ 精品資料 輸入共模電壓最大值 VCC1.5 V 3，與非門芯片 CD40011 CD4011 是集成了四個與非門的芯片，即可采用單電源供電，又可采用雙電源供電。 5，無源式蜂鳴器與發(fā)光二極管 無源蜂鳴器 無源蜂鳴器內(nèi)部沒有自帶的振蕩源，需要由前級輸出的頻率在 2K-5K 的方 波來驅(qū)動。試驗中加一晶體管放大再接蜂鳴器增加蜂鳴器的輸入功率，以保證更 好的實(shí)驗效果。 發(fā)光二極管 它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能。發(fā)光二極管與普通二極 管一樣是由一個 PN 結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦?。?dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓 后，從 P 區(qū)注入到 N 區(qū)的空穴和由 N 區(qū)注入到 P 區(qū)的電子，在 PN 結(jié)附近數(shù)微 米內(nèi)分別與 N 區(qū)的電子和 P 區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體 材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時釋放出的能量多 少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或 黃光的二極管。 發(fā)光二極管的反向擊穿電壓大于 5 伏。它的正向伏安特性曲線很陡，使用時 必須串聯(lián)限流電阻以控制通過二極管的電流。限流電阻 R 可用下式計算： R=（EUF）/IF。式中 E 為電源電壓，UF為 LED 的正向壓降，IF為 LED 的正常工 作電流。發(fā)光二極管的核心部分是由 P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體組成的晶片，在 P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體之間有一個過渡層，稱為 PN 結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的 PN 結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時會把多余的能量以光的形式釋 _ 精品資料 放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN 結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入， 故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱 LED。 當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從 LED 陽極流向 陰極時，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。 7， ，課題實(shí)驗課題實(shí)驗心得心得總結(jié)總