觸摸式報(bào)警器

1、 黑龍江東方學(xué)院電子學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告題目：觸摸式報(bào)警器學(xué)生姓名 姜 琦 學(xué) 號(hào) 11102114 學(xué) 部 計(jì)算機(jī)科學(xué)與電氣工程學(xué)部 專 業(yè) 電子信息工程 班 級(jí) 2011級(jí)1班 指導(dǎo)教師 劉 芳 答辯日期 2013年3月15日 目 錄1. 問題提出.32. 方案選擇.33. 電路組成及工作原理.44.安裝調(diào)試.105.元器件表.116.結(jié)束語.127.參考資料.121.問題提出設(shè)計(jì)一個(gè)觸摸式防盜報(bào)警器，觸摸感引起為一金屬小片，當(dāng)有人觸摸時(shí)，蜂鳴器發(fā)出聲音，持續(xù)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，直到斷開電源為止，根據(jù)上述要求，設(shè)計(jì)出電路，并確定元件參數(shù)。2.方案選擇2.1課題來源隨著我國(guó)科技進(jìn)步，人民生活水

2、平的不斷提高，為了更好地保障人們?cè)诠ぷ鳌⑸钪械娜松碡?cái)產(chǎn)的安全預(yù)防各種事故發(fā)生顯得日趨重要，因而這觸摸感應(yīng)式報(bào)警電路適用于家庭門鎖、保險(xiǎn)柜等各種金屬物品的報(bào)警用，本設(shè)計(jì)就是為了滿足安防的需要而設(shè)計(jì)的電子報(bào)警系統(tǒng)。本文的主要內(nèi)容是對(duì)較為常見的家庭防盜報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)改進(jìn)并制作，通過對(duì)此例的研究制作，學(xué)習(xí)普通觸摸式報(bào)警器的工作原理和使用方法，根據(jù)此報(bào)警器可制作出用于不同范圍的報(bào)警裝置，并且學(xué)習(xí)電路圖和電路板的設(shè)計(jì)和制作，了解各個(gè)元件的類別、工作原理和使用方法。本文主要討論觸摸式報(bào)警器裝置的各個(gè)單元電路以及各個(gè)元器件的選擇及其性質(zhì)，分析個(gè)部分電路的具體作用，研究和分析整體電路的構(gòu)造，對(duì)整體電路進(jìn)行調(diào)試

3、測(cè)試，學(xué)習(xí)電路板的設(shè)計(jì)以及元器件的焊接，掌握該處模式報(bào)警器的作用和工作原理。通過對(duì)高觸摸式報(bào)警器的設(shè)計(jì)，對(duì)個(gè)部分單元電路的分析過程，這對(duì)今后從事電子行業(yè)是非常有益的。2.2研究?jī)?nèi)容及相關(guān)技術(shù)本設(shè)計(jì)主要是利用報(bào)警器由觸摸電極、開關(guān)電路等組成，是種線路簡(jiǎn)單、靈敏度高、性能穩(wěn)定的觸摸式報(bào)警器。它可用于家庭保險(xiǎn)柜以及門窗等地方，當(dāng)人體碰到所保護(hù)的金屬物品時(shí)，警鈴就會(huì)長(zhǎng)鳴，直到切斷電源為止。同時(shí)本設(shè)計(jì)將研究組成觸摸式報(bào)警器的整個(gè)電路的性質(zhì)和基本概況，學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單實(shí)用觸摸式報(bào)警器的本質(zhì)特征。對(duì)此次設(shè)計(jì)做出概括分析，并進(jìn)行改進(jìn)處理，并通過書籍教材及網(wǎng)絡(luò)信息查找相關(guān)資料。對(duì)該報(bào)警器使用的元器件的內(nèi)部構(gòu)造和使用進(jìn)行

4、了分析。對(duì)各元器件在電路中的作用進(jìn)行分析研究。同時(shí)在各個(gè)課程設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)中，我們進(jìn)行了電路的繪制，通過此次設(shè)計(jì)制作，了解簡(jiǎn)單實(shí)用觸摸式防盜報(bào)警器的制作過程。2.3 方案設(shè)計(jì)與選擇：（一）方案方案一：直接觸發(fā)器接在發(fā)光二極管上方案二：利用單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目的方案三：使用場(chǎng)效應(yīng)管，雙極性三極管，發(fā)光二極管，可控硅等元件。將人體感應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓的變化，經(jīng)過晶體管放大，觸發(fā)可控硅，再接通電路。（二）優(yōu)缺點(diǎn)方案一：信號(hào)未放大，誤差很大方案二：部分內(nèi)容還未學(xué)，而且工作不穩(wěn)定方案三：方案最佳，可以消除感應(yīng)信號(hào)的干擾，將人體感應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓的變化，經(jīng)過晶體管放大，觸發(fā)可控硅，再接通電路，從而達(dá)到觸發(fā)報(bào)警的效

5、果。（三）選擇方案我選擇方案三進(jìn)行設(shè)計(jì)，方案最佳，可以消除感應(yīng)信號(hào)的干擾，通過場(chǎng)效應(yīng)管，人體感應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓的變化，經(jīng)過晶體管放大，觸發(fā)可控硅，再接通電路，從而達(dá)到觸發(fā)報(bào)警的效果。3.觸摸式報(bào)警器的電路組成及其原理3.1電路原理 如圖1-1所示是一種高靈敏度的觸摸式報(bào)警電路。當(dāng)人手甚至于戴著手套觸摸到電極片M時(shí)，它都會(huì)發(fā)出響亮的“嘟”報(bào)警聲，響聲可一直到手離開為止。如再次觸摸，則再發(fā)一次聲音。 圖1-1該報(bào)警器由單穩(wěn)態(tài)電路、音頻振蕩器和音頻功率放大器等組成。與非門A、B構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路，與非門C、D構(gòu)成音頻內(nèi)振蕩器，V2和V3組成互補(bǔ)型音頻功率放大器。由于CMOS電路具有極高的輸入阻抗，雖然二

6、極管V1反相連接，但它的反相電阻仍小于CMOS電路的輸入阻抗，所以，A門的1腳處于高電平。與非門B的兩個(gè)輸入端5腳與6腳處于低電平。根據(jù)“見0出1”的邏輯關(guān)系，可知B門的4腳輸出高電平，所以A門的2腳也為高電平。根據(jù)“全1為0”的邏輯關(guān)系，A門的3腳輸出低電平。這時(shí)C1兩端都為低電平，電容C1沒有充電，這是單穩(wěn)態(tài)電路的穩(wěn)定狀態(tài)。與非門C、D構(gòu)成音頻振蕩器，由于C門的9腳與B門的5、6腳相連并為低電平，所以振蕩器停振，故揚(yáng)聲器SP無聲。如果人手觸摸一下電極片M時(shí)，人體感應(yīng)的雜波信號(hào)經(jīng)V1整流，獲得一個(gè)負(fù)壓，即給A門的1腳輸入一個(gè)負(fù)脈沖，單穩(wěn)態(tài)電路就翻轉(zhuǎn)進(jìn)入暫態(tài)。其過程是：根據(jù)“見0出1”的邏輯關(guān)

7、系，當(dāng)A門的1腳輸入負(fù)脈沖時(shí)，3腳就輸出高電平，此高電平經(jīng)C1加到B門的5、6兩腳，使其4腳輸出低電平，此低電平又反饋到A門的2腳。所以人手離開M時(shí)，A門的3腳仍保持高電平輸出。但這一狀態(tài)是不穩(wěn)定的，因?yàn)锳門的3腳輸出的高電平將經(jīng)R1向電容C1充電，充電結(jié)果會(huì)使R1的上端即B門的5、6兩腳的電平不斷下降。當(dāng)電平降至1/2VDD時(shí)，B門的4腳就輸出高電平，電路恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)。電路暫態(tài)時(shí)間主要取決于R1和C1的充電時(shí)間常數(shù)。當(dāng)R1上端輸出高電平時(shí)，與非門C、D組成的振蕩器起振，D門的11腳輸出振蕩信號(hào)，經(jīng)V2和V3功放后，通過C4推動(dòng)揚(yáng)聲器SP發(fā)出響亮的“嘟”報(bào)警聲。V2和V3分別采用兩種導(dǎo)

8、電特性不同的三極管，一個(gè)用來放大正半周期信號(hào)，另一個(gè)用來放大負(fù)半周期信號(hào)，所以稱這種電路為互補(bǔ)型推挽放大器。3.2電路主要元器件介紹3.2.1芯片CD4011在數(shù)字電路中，所謂“門”就是實(shí)現(xiàn)一些基本邏輯關(guān)系的電路。最基本的邏輯關(guān)系有與、或、非三種，所以最基本的邏輯門是與門、或門和非門。u 與門是執(zhí)行與功能的邏輯部件，其邏輯關(guān)系的特點(diǎn)是：只有當(dāng)全部輸入端都是高電平時(shí)，輸出才是高電平；只要有一個(gè)輸入端為低電平，輸出端就是低電平。兩輸入端與門的邏輯表達(dá)式可寫成：Y=AB。u 或門是執(zhí)行或功能的邏輯部件，其邏輯關(guān)系的特點(diǎn)是：只要有一個(gè)輸入端是高電平，輸出才是高電平；只有全部輸入端為低電平，輸出端才是低

9、電平。兩輸入端或門的邏輯表達(dá)式可寫成：Y=A+B。u 非門是執(zhí)行非功能的邏輯部件，其邏輯關(guān)系的特點(diǎn)是：輸入端是高電平時(shí)，輸出端是低電平；輸入端為低電平時(shí)，輸出端是高電平。非門的邏輯表達(dá)式可寫成：。在門電路中，應(yīng)用最廣泛的是與非門，把與門和非門連接起來就是與非門。同理，將或門和非門連接起來，就可構(gòu)成或非門。2.3.1.1CD4011引腳圖及引腳功能本設(shè)計(jì)采用2輸入端四與非門，低功率4000B系列CMOS（CD4011）。它的引腳排列如圖1-2所示。每片集成電路中有4組獨(dú)立的與非門，其構(gòu)造和邏輯功能相同，每組都有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，與非門的邏輯符號(hào)如圖1-3所示。141VDD1A1324B1B

10、123CD40114A1Y11544Y2A2Y91063Y3B2B873AVSS圖1-2 CD4011引腳圖圖1-3 CD4011邏輯符號(hào)A1B1Y1A2B2Y2A3B3Y3A4B4Y4&&&&u 管腳功能：1A 數(shù)據(jù)輸入端2A 數(shù)據(jù)輸入端3A 數(shù)據(jù)輸入端4A 數(shù)據(jù)輸入端1B 數(shù)據(jù)輸入端2B 數(shù)據(jù)輸入端3B 數(shù)據(jù)輸入端4B 數(shù)據(jù)輸入端VDD 電源正VSS 地1Y 數(shù)據(jù)輸出端2Y 數(shù)據(jù)輸出端3Y 數(shù)據(jù)輸出端4Y 數(shù)據(jù)輸出端3.3等硅三極管9012、90133.3.1三極管 1）三極管的工作原理 晶體三極管（以下簡(jiǎn)稱三極管）按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有N

11、PN和PNP兩種結(jié)構(gòu)形式，但使用最多的是硅NPN和鍺PNP兩種三極管，兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹NPN硅管的電流放大原理。 對(duì)于NPN管，它是由2塊N型半導(dǎo)體中間夾著一塊P型半導(dǎo)體所組成，發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié),而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結(jié)稱為集電結(jié),三條引線分別稱為發(fā)射極e、基極b和集電極c。 當(dāng)b點(diǎn)電位高于e點(diǎn)電位零點(diǎn)幾伏時(shí)，發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，而C點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位幾伏時(shí)，集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，集電極電源Ec要高于基極電源Ebo。 在制造三極管時(shí)，有意識(shí)地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的，同時(shí)基區(qū)做得很薄，而且，要嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量，這樣，一旦接

12、通電源后，由于發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（電子）極基區(qū)的多數(shù)載流子（空穴）很容易地越過發(fā)射結(jié)互相向?qū)Ψ綌U(kuò)散，但因前者的濃度基大于后者，所以通過發(fā)射結(jié)的電流基本上是電子流，這股電子流稱為發(fā)射極電流了。 由于基區(qū)很薄,加上集電結(jié)的反偏，注入基區(qū)的電子大部分越過集電結(jié)進(jìn)入集電區(qū)而形成集電集電流Ic，只剩下很少（1-10%）的電子在基區(qū)的空穴進(jìn)行復(fù)合，被復(fù)合掉的基區(qū)空穴由基極電源Eb重新補(bǔ)給，從而形成了基極電流Ibo.根據(jù)電流連續(xù)性原理得： Ic=Ib+Ie 這就是說，在基極補(bǔ)充一個(gè)很小的Ib，就可以在集電極上得到一個(gè)較大的Ic，這就是所謂電流放大作用，Ic與Ib是維持一定的比例關(guān)系，即： 1=I

13、c/Ib 式中：1-稱為直流放大倍數(shù)， 集電極電流的變化量Ic與基極電流的變化量Ib之比為： = Ic/Ib 式 中-稱為交流電流放大倍數(shù)，由于低頻時(shí)1和的數(shù)值相差不大，所以有時(shí)為了方便起見，對(duì)兩者不作嚴(yán)格區(qū)分，值約為幾十至一百多。 三極管是一種電流放大器件，但在實(shí)際使用中常常利用三極管的電流放大作用，通過電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷悍糯笞饔谩?）三極管的分類 a.按材質(zhì)分: 硅管、鍺管； b.按結(jié)構(gòu)分: NPN 、 PNP； c.按功能分: 開關(guān)管、功率管、達(dá)林頓管、光敏管等； d.按功率分：小功率管、中功率管、大功率管； e.按工作頻率分：低頻管、高頻管、超頻管； f.按結(jié)構(gòu)工藝分：合金管、平面管；3）

14、三極管的主要參數(shù)a. 特征頻率fT當(dāng)f= fT時(shí),三極管完全失去電流放大功能.如果工作頻率大于fT,電路將不正常工作.b. 工作電壓/電流用這個(gè)參數(shù)可以指定該管的電壓電流使用范圍.c. hFE 電流放大倍數(shù).d. VCEO集電極發(fā)射極反向擊穿電壓,表示臨界飽和時(shí)的飽和電壓.e. PCM 最大允許耗散功率.f. 封裝形式 指定該管的外觀形狀,如果其它參數(shù)都正確，封裝不同將導(dǎo)致組件無法在電路板上實(shí)現(xiàn).4）判斷基極和三極管的類型 三極管的腳位判斷，三極管的腳位有兩種封裝排列形式，如右圖： 三極管是一種結(jié)型電阻器件，它的三個(gè)引腳都有明顯的電阻數(shù)據(jù)，測(cè)試時(shí)（以數(shù)字萬用表為例，紅筆+，黒筆-）我們將測(cè)試檔

15、位切換至二極管檔（蜂鳴檔）標(biāo)志符號(hào)如右圖： 正常的NPN結(jié)構(gòu)三極管的基極（B）對(duì)集電極（C）、發(fā)射極（E）的正向電阻是430-680（根據(jù)型號(hào)的不同，放大倍數(shù)的差異，這個(gè)值有所不同）反向電阻無窮大；正常的PNP結(jié)構(gòu)的三極管的基極（B）、集電極（C）、發(fā)射極（E）的反向電阻是430-680，正向電阻無窮大。集電極C對(duì)發(fā)射極E在不加偏流的情況下，電阻為無窮大?；鶚O對(duì)集電極的測(cè)試電阻約等于基極對(duì)發(fā)射極的測(cè)試電阻，通常情況下，基極對(duì)集電極的測(cè)試電阻要比基極對(duì)發(fā)射極的測(cè)試電阻小5-100左右（大功率管比較明顯），如果超出這個(gè)值，這個(gè)元件的性能已經(jīng)變壞，請(qǐng)不要再使用。如果誤使用于電路中可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)或部分

16、電路的工作點(diǎn)變壞，這個(gè)元件也可能不久就會(huì)損壞，大功率電路和高頻電路對(duì)這種劣質(zhì)元件反應(yīng)比較明顯。4.安裝和調(diào)試按圖所示的電路結(jié)構(gòu)及其實(shí)際要求設(shè)計(jì)印制電路板并逐一焊接。在安裝的過程中應(yīng)注意各元器件在電路板上的整體布局，應(yīng)使各管腳相連的導(dǎo)線橫平豎直，各導(dǎo)線間盡量少交叉，電源線和地線要明顯區(qū)別開，這樣看起來導(dǎo)線不會(huì)很亂，直觀上給人清晰、美觀的感覺。在焊接的過程中應(yīng)注意各管腳不能虛焊，同時(shí)不相連的管腳不能焊接在一起防止引起短路，在焊接完某一局部時(shí)應(yīng)該用萬用表及時(shí)的檢查各管腳的連接是否正確無誤，每一步驟都應(yīng)該仔細(xì)認(rèn)真的檢查，防止調(diào)試的過程中不導(dǎo)通或者燒壞元器件，這樣才不會(huì)出錯(cuò)，只要元器件良好連接無誤，一般

17、情況不用調(diào)試，通電后就能正常工作，若需要調(diào)試應(yīng)從局部到整體一點(diǎn)一點(diǎn)的用萬用表調(diào)試，測(cè)量某些點(diǎn)的電位和理論值是否相同，這樣就能很快的調(diào)試成功，如需改單穩(wěn)態(tài)電路的暫態(tài)時(shí)間，即每次接觸后的響聲持續(xù)時(shí)間，可以調(diào)整電阻R1的阻值。R1阻值增大，響聲的持續(xù)時(shí)間就會(huì)變長(zhǎng)，R1阻值調(diào)小，響聲持續(xù)時(shí)間就會(huì)變短。如果要改變響聲音調(diào)的高低，可以調(diào)節(jié)R2或者C2的數(shù)值，R2、C2的值越小，響聲的音調(diào)就會(huì)越高尖，R2、C2的值越大，響聲的音調(diào)就會(huì)越低沉。這樣可以根據(jù)需要來調(diào)節(jié)個(gè)元器件的數(shù)值，調(diào)試工作是需要有足夠的耐心和認(rèn)真的態(tài)度才能最終調(diào)試成功，從安裝到調(diào)試是最能檢驗(yàn)我們動(dòng)腦和動(dòng)手能力的一步，經(jīng)過過多次的努力，我還是調(diào)

18、試成功了，很有成就感。若將本觸摸式報(bào)警器用在門鎖上，可在電子門鎖上引出一根導(dǎo)線接到與非門A的一腳上即可。 注意引線不宜過長(zhǎng)，且門鎖必須對(duì)地絕緣好，否則電路不能正常工作。這樣，當(dāng)有人開門時(shí)，室內(nèi)的報(bào)警器就會(huì)發(fā)報(bào)警聲音，此電路也可用于金屬品的防盜報(bào)警，方法是將需要保護(hù)的金屬物品作為電極M，即用導(dǎo)線將金屬品和與非門的1腳連接。這樣，當(dāng)有人去拿金屬物品時(shí)，電路就會(huì)發(fā)出響亮的"嘟."報(bào)警聲。5.元器件表 元器件表1-1序號(hào)名稱代碼規(guī)格型號(hào)1電阻R13902電阻R2RTX-1/4-36K3電容C1CD11-16V-47µF4電容C2CD11-16V-4700PF5電容C3CD11-16V-100µF6電容C4CD11