聲控報(bào)警電路實(shí)驗(yàn)報(bào)告報(bào)警電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、聲控報(bào)警電路實(shí)驗(yàn)報(bào)告報(bào)警電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告實(shí)驗(yàn)名稱：聲控報(bào)警電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)學(xué)生：所屬班級(jí)：班內(nèi)序號(hào)：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(bào)警器的需求日益增加。 電子報(bào)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(huì)生產(chǎn)密不可分。例如聲控報(bào)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(bào)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(yàn)要求設(shè)計(jì)電路。報(bào)告介紹了簡易的聲控報(bào)警器的電路設(shè)計(jì)和電路的搭建調(diào)試。關(guān)鍵詞：報(bào)警器； CD4011；無源蜂鳴器； LM358二，引言

2、隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)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(jì)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(jí)放大， 然后通過電壓比較器和多諧振蕩器 , 輸出驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和發(fā)光二極管工作報(bào)警。1 ，設(shè)計(jì)要求1 ，設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)一個(gè)聲控報(bào)警電路，在麥克風(fēng)附近擊掌（模擬異常響動(dòng)），電路能發(fā)出報(bào)警聲， 持續(xù)時(shí)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(bào)警燈，使其閃爍報(bào)警；2，增加輸出功率，提高報(bào)警音量，加強(qiáng)威懾力。2 ，電路設(shè)計(jì)1 ，系統(tǒng)組成框圖2 ，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思

3、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(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，微弱的電信號(hào)經(jīng)過同相放大器放大后便于傳輸和驅(qū)動(dòng)， 放大信號(hào)進(jìn)入同相比較器， 比較器根據(jù)實(shí)驗(yàn)可以設(shè)置合理的比較電壓 V REF ，當(dāng)放大信號(hào)高于比較電壓 V REF 時(shí)，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(dòng)無源式蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音。 但由于一次拍手產(chǎn)生的電信號(hào)只有短暫的脈沖， 故還需要在比較器后加入延時(shí)電路， 減緩脈沖電壓下降的速度來實(shí)現(xiàn)延時(shí)報(bào)警。3 ，單元電路設(shè)計(jì)思路聲音采集單元設(shè)計(jì)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)鍵元件是駐極體振動(dòng)膜， 當(dāng)駐極體膜片遇到聲波振動(dòng)時(shí)

4、， 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?yàn)轳v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(yàn)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(shí)，可知 RD 約在2.2K5.1K 之間。實(shí)驗(yàn)電路可預(yù)取2.8K 。C 為隔直電容，可采用 2

5、2uF的電解電容。 3 ，信號(hào)放大單元設(shè)計(jì)原理簡述由駐極體式麥克風(fēng)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的電信號(hào)是微弱信號(hào)，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(hào)必須經(jīng)過放大器放大之后與比較器比較。 該部分信號(hào)的放大由 LM358來實(shí)現(xiàn)，用 LM358構(gòu)成一級(jí)放大約 100 倍，第二級(jí)電壓跟隨的形式。一級(jí)電路設(shè)計(jì)原理如下：第一級(jí)采用同相放大電路， 輸入信號(hào)從直流補(bǔ)償電阻 R1 輸入到運(yùn)放的同相輸入端。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(gè)重要特點(diǎn) （“虛短”、“虛斷”）可知：因?yàn)?U + = U- = U i（“虛短”，但不是“虛地”），I+ = I-

6、= 0所以 U p =U i =U NU N I i =R 1同相輸入運(yùn)算放大器中，當(dāng)R f =0 或 R 1 = 時(shí)， A uf =1+ （R f R 1）=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(hào)約為 150mV ，故初步設(shè)定放大倍數(shù)為 100 倍，使放大級(jí)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(jí)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(jì)原理簡述電壓比較器是對兩個(gè)模擬電壓比較其大小,并判斷出其中哪一個(gè)電壓高，如圖 1 所示。圖 1(a) 是

7、比較器，它有兩個(gè)輸入端：同相輸入端 ( “+” 端)及反相輸入端 ( “- ”端 )，有一個(gè)輸出端V OUT( 輸出電平信號(hào) )。另外有電源 V+及地 ( 單電源比較器 ) ，同相端輸入電壓 V A ，反相端輸入 V B 。V A 和 V B 的變化如圖 2.3.3 （a ）所示。在時(shí)間 0t1 時(shí)， V A VB ；在 t1 t2 時(shí)， V B VA ；在 t2 t3 時(shí)，V A VB 。在這種情況下， V OUT 的輸出如圖 1(c) 所示：V A VB時(shí)， V OUT 輸出高電平 ( 飽和輸出 )；V B VA 時(shí)， V OUT 輸出低電平。根據(jù)輸出電平的高低便可知道哪個(gè)電壓大 。 如果

8、把 V A 輸入到反相端， V B 輸入到同相端， V A 及 V B 的電壓變化仍然如圖 1(b) 所示，則 V OUT 輸出如圖 1(d) 所示。與圖 1(c) 比較，其輸出電平倒了一下。輸平變化與 V A 、V B 的輸入端有關(guān)。出電如果輸入電壓 V A 與某一個(gè)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(yàn)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(yàn)原理圖即如下既此時(shí)有如下的電壓輸出關(guān)系，當(dāng)V A V B時(shí) , u O = +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(hào)從同相端輸入，參考電壓從

9、2.3.4 RC延時(shí)單元設(shè)計(jì)原理簡述當(dāng)有高電平加在電路輸入端時(shí)，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(shí)，電容 C 開始通過電阻 R 放電，直到電容 C 儲(chǔ)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(shí)功能，具體電路圖如下實(shí)際電路參數(shù)實(shí)驗(yàn)要求報(bào)警時(shí)間不低于 5s ，根據(jù) t=RC 初步計(jì)算，可取電阻R=100k，電容 C=0.01uF。預(yù)計(jì)報(bào)警時(shí)長持續(xù) 10s 左右。2.3.5方波振蕩單元設(shè)計(jì)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(gè)暫穩(wěn)態(tài)，通過電容的充電和放電，使兩個(gè)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

10、脈沖信號(hào)。 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(yàn)中采用 CD4011實(shí)現(xiàn)方波振蕩，電路圖如下。輸入 U O 一個(gè)高電平時(shí)，該方波振蕩器主要依靠電整一個(gè)周期的波形變化如下。而輸入信號(hào) U O 是整個(gè)振蕩器的開關(guān)電平，當(dāng) U O 輸入高于 Vth 的高電平時(shí)，振蕩器正常工作輸出方波；當(dāng) U O 輸入低于 Vth 的低電平時(shí)，門 G1始終輸出高電平 V OH ，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(shí)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(jì)算。在 T1 期間 G1輸出高電平 VOH ，G2輸出

11、低電平 VOL ，電容 C 充電。為了便于計(jì)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V A (t 1) =V th -(V OH -V OL )，終值為V A ( ) =V OH，穩(wěn)態(tài)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 期間 G1輸出低電平 VOL ，G2輸出高電平 VOH，電容 C 反向充電，V A 從 Vth+(VOH-VOL)開始下降，到 t=t3 時(shí) V A 下降至 Vth ，初

12、值 V A （t1 ）=Vth+（VOH-VOL），終值為 V A ( ) =V OL ，穩(wěn)態(tài)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綜上，振蕩周期是T =T 1+T 2欲使其驅(qū)動(dòng)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(bào)警單元設(shè)計(jì)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(jí)輸出的頻率在2K-5K 的方波來驅(qū)動(dòng)。試驗(yàn)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(yàn)效果。實(shí)際電路參數(shù)

13、試驗(yàn)元件初置參數(shù)如圖，采用NPN 管 8050 和電阻 R=2K。3 ，單元電路的組合設(shè)計(jì)單元電路在組合的時(shí)候還需要考慮各個(gè)單元之間的輸入輸出阻抗的平衡。先對各級(jí)之間組合的做如下連接說明：1 ，聲音采集單元與信號(hào)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(hào)電流過小且和電壓脈沖變化不明顯， 這將嚴(yán)重影響后級(jí)單元對信號(hào)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(gè)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(shí)單元之間要防止電容對前級(jí)電路放電，電流回流。故在電壓比較

14、單元和延時(shí)單元之間加一個(gè)1N41二極管來實(shí)現(xiàn)單向?qū)?，禁止電容對前?jí)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(gè)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。3 ，電路仿真1 ，單元仿真測試信號(hào)放大單元工作情況， 基本要求實(shí)現(xiàn)對小信號(hào)放大倍數(shù) 100 倍。設(shè)計(jì)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)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。3 ，延時(shí)單元仿真延時(shí)電路要求實(shí)現(xiàn)高電平下降的延時(shí)功能，在仿真中即給延時(shí)電路輸入一個(gè)短暫的高電平， 檢測輸出會(huì)發(fā)現(xiàn)輸出高電

15、平緩慢下降。 若出現(xiàn)發(fā)現(xiàn)下降緩慢且時(shí)間大于 5S ，則滿足設(shè)計(jì)要求。在延時(shí)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。圖 3.1.2 （c ）4 ，方波振蕩單元仿真方波振蕩器要求在前級(jí)輸入高點(diǎn)電平時(shí)，震蕩輸出一個(gè)高頻的方波信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)后級(jí)的蜂鳴器發(fā)出報(bào)警。5 ，整體仿真模擬麥克風(fēng)信號(hào)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(dòng)蜂鳴器的方波信號(hào)。4 ， 電路搭建與調(diào)試模擬麥克風(fēng)信號(hào)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(dòng)蜂鳴圖 3.2.24 ， 電路搭建與調(diào)試1 ，信號(hào)放大單元搭建與調(diào)試信號(hào)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 1