基礎課程設計采用壓電陶瓷設計震動報警器

1、電子課程設計報告電子技術課程設計報告設計課題：采用壓電陶瓷元件設計震動防盜報警器 專業(yè)班級： 09級電子信息工程02班 設計時間：2011.10.102011.11.25 一. 方案的提出與選擇4方案1. 采用壓電陶瓷元件設計震動防盜報警器4方案2. 具有時間識別功能的門鎖報警器5方案3. 停電來電報警器6方案的選擇與放棄原因7二. 總體方案分析7三. 單元電路及主要元器件分析71.tl071輸入運算放大器簡介72.觸發(fā)電路93.三極管bc54894.主要元件介紹：555定時器10四. 電路最終總視圖13五.實驗器件總體列表一覽15六.電路參數計算16七.實驗箱模擬16八.電路安裝調試20九.

2、電路板焊接20十.試驗問題分析23十一. 電路修改及拓展24十一. 參考文獻25一. 方案的提出與選擇方案1. 采用壓電陶瓷元件設計震動防盜報警器（最終選定方案） 圖1采用壓電陶瓷元件設計震動防盜報警器1.電路簡介該電路模擬一種地震儀的原理來檢測震動和聲波的，具有一定的靈敏度、精度和較強的使用性、趣味性?？捎糜趯嶒炐缘牡卣鸨O(jiān)測報警和生產、生活、工作中的各種震動檢測，也可檢測由動物和人類活動引起的振動， 還可以用于對普通振動的研究及學生科技活動。2.電路工作原理電路采用一個普通的壓電陶瓷元件作為振動檢測傳感器。正常情況下它相當于一個幾nf容量的電容器，有電壓加在其兩端時，它便存儲電荷。當它振動而

3、受到干擾時就會通過電位器vr1放電，并在電位器vr1上端產生一個電壓，從而改變集成運算放大器ic1的輸入端2、3腳的電壓，產生一個壓力差使其輸出端6腳產生一個高電平，觸發(fā)開關三極管vt1（q1）導通，第一個二極管led1（d1）放光，t1又觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路ic2的芯片ne555開始工作。2腳的輸入一個低電平，3腳輸出一個高電平，高電平定時周期由r1和c5的大小決定（定時長短t=1/rc），在周期內，由于三腳高電平使三極管vt2（q2）導通，二極管led2（d2）放光提示，同時蜂鳴器開始發(fā)聲報警。（該電路根據資料于proteus上模擬，僅為藍本，后有多處改進，后面將會一一詳細介紹，）方案2. 具有

4、時間識別功能的門鎖報警器 圖2 具有時間識別功能的門鎖報警器1.電路簡介該報警器具有時間識別功能，主任開門是正常開門，一般30s內可完成開門動作，因此它不會報警；陌生人試著開門或小偷撬門不是正常開門，通常飛逝較長，一旦時間超過30s，它就會發(fā)出報警聲，具有較大的實用 價值。2.電路原理時基電路ic1與r1、c1組成暫穩(wěn)態(tài)時間t=4min左右的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，平時ic1處于穩(wěn)態(tài)，其3腳輸出低電平，vt1截止，vt2導通，電容c2被vt2短接不能充電，時基電路ic2的閥值端6腳為高電平，3腳輸出為低電平，報警聲集齊電路ic3無供電不工作，揚聲器b無聲。m是觸摸電極片，與金屬門鎖相連。當有人開鎖時，人

5、體感應的雜波的負半周加至ic1的觸發(fā)器2腳，使ic1進入暫態(tài)，3腳輸出高電平，此時三極管vt1導通，vt2截止，電源可通過r4對c2充電，隨著充電時間的演唱，ic2的2腳電位不斷下降，約經30s，ic2翻轉，其三腳輸出高電平，使ic3得電工作報警。如果開門時間在30s內，則ic2的3腳為低電平，電路不會報警。報警聲響持續(xù)時間由ic1的暫態(tài)時間t1決定，t1=1.1r1*c1=4min，4min后，ic1的3腳輸出低電平，vt1截止，vt2導通，ic3失電，報警聲停止。如果再次觸碰門鎖超過30s，電路又會重新報警。方案3. 停電來電報警器 圖3 停電來電報警器1.電路簡介電路運用于普通家庭用電2

6、20v供電源，可以在市電電源停電、來電時自動報警，聲響可持續(xù)1030s。 2.電路原理合上電源開關sa，220v交流電經變壓器t降壓，整流橋vc整流=電容c1濾波，并通過電位器rp向電容c2充電。由于電容兩端電壓不恩呢個突變，所以三極管vt1無基極偏壓而截止，復合管vt2、vt3導通，揚聲器b發(fā)出聲響，告訴送點開始。隨著c2兩端電壓的升高，使vt1導通，vt2、vt3失去基極偏壓而截止，送點報警結束，報警時間可根據需要調節(jié)電位器rp及c2容量而改變。這時電容c3已充足電，為停電報警做好準備。當停電時，電容c2通過二極管vd1=電阻r2迅速放電，vt1截止。電容c3開始經電阻r3，r4及復合管的

7、be結放電，vt2，vt3因此而導通，揚聲器發(fā)出報警聲。當c3放電到電壓很低時（約0.5v），vt2、vt3截止，停電報警結束，報警時間可調節(jié)電容c3的容量加以改變。 方案的選擇與放棄原因：方案1為最終選定方案。三個方案相比，方案2對于現(xiàn)代社會門鎖防盜實用性太低，局限性太明顯，方案3運用于220v市電電路，實驗室模擬危險性顯然較大。相比之下，方案1可應用于保險箱，地震預報等各種生活科研實踐中，且實驗所用壓電陶瓷元件平時接觸少，擴展了課程實踐的趣味性，實驗所用為9v穩(wěn)壓直流電源，安全性可以保障，加上其余核心器件的要求，方案1更適合在實驗室設計，模擬，安裝，完成。所以，最終確定方案1為最終選定方案

8、。二. 總體方案分析本設計主要是利用時基電路ne555組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路設計并制作觸摸式防盜報警裝置。本設計將研究組成觸摸式報警器的整個電路的性質和基本概況，學習觸摸式傳感器的本質特征。對此次設計做出概括分析，并進行改進處理，利用電路圖繪制軟件，重新繪制電路圖，設計最終電路板，并通過書籍教材及網絡信息查找相關資料。觸摸式傳感器實際上就是一個觸摸式電子開關，他一個壓電陶瓷元件將觸摸震動過程轉化為電信號，并進而變成開關信號輸出。對該報警器使用的元器件的內部構造和使用進行了分析。對各元器件在電路中的作用進行分析研究。同時在各個單元學習之后，進行了電路的繪制，設計了最終電路板，并運用proteus軟

9、件進行仿真試驗。通過此次設計制作，了解觸摸式防盜報警器的制作過程。電路原理：電路采用一個普通的壓電陶瓷元件作為振動檢測傳感器。正常情況下它相當于一個幾nf容量的電容器，有電壓加在其兩端時，它便存儲電荷。當它振動而受到干擾時就會通過電位器vr1放電，并在電位器vr1上端產生一個電壓，從而改變集成運算放大器ic1的輸入端2、3腳的電壓，產生一個壓力差使其輸出端6腳產生一個高電平，觸發(fā)開關三極管vt1（q1）導通，第一個二極管led1（d1）放光，t1又觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路ic2的芯片ne555開始工作。2腳的輸入一個低電平，3腳輸出一個高電平，高電平定時周期由r1和c5的大小決定（定時長短t=1/rc）

10、，在周期內，由于三腳高電平使三極管vt2（q2）導通，二極管led2（d2）放光提示，同時蜂鳴器開始發(fā)聲報警。三.單元電路及主要元器件分析1. tl071輸入差分運算放大器簡介 （1）差分放大器的簡介差分放大器是一種特殊的直接耦合放大器，它能有效的抑制零點漂移；它的基本性能是放大差模信號、抑制共模信號；常用共模抑制比來表征差分放大器對共模信號的抑制能力；穩(wěn)流電阻的增加可以提高共模抑制比；但穩(wěn)流電阻不能太大，因此采用恒流源取代穩(wěn)流電阻，從而進一步的提高共模抑制比。差分放大器要求電路兩邊的元器件完全對稱，即兩管型號相同、特性相同及各對應電阻值相等。但實際中總是存在元器件不匹配的情況，從而產生失調漂

11、移。為了消除失調漂移，實驗電路采用了發(fā)射極調零電路來調節(jié)電路的對稱性；同時由于調零電路引入了負反饋，所以電路得以以犧牲增益為代價獲得了線性范圍的擴展。差分放大器的有雙端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出、單端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出四種連接方式；實驗電路采用單端輸入單端輸出的連接方式。 （2）靜態(tài)工作點的調整實驗電路通過調節(jié)電位器rp使兩個三極管的集電極電壓相等來調節(jié)電路的對稱性，完成電路的調零。 （3）靜態(tài)工作點的測量靜態(tài)工作點的測量就是測出三極管各電極對地直流電壓vbq、veq、vcq，從而計算得到vceq和vbeq。而測量直流電流時，通常采用間接測量法測量，即通過直流電壓來換算得到直流

12、電流。這樣即可以避免更動電路，同時操作也簡單。 （4）電壓放大倍數的測量差分放大器有差模和共模兩種工作模式，因此電壓放大倍數有差模電壓放大倍數和共模電壓放大倍數兩種。在差模工作模式下，差模輸出端uod1是反相輸出端，uod2是同相輸出端，則差模電壓放大倍數為： 在共模工作模式下，共模輸出端uoc1、uoc2均為反相輸出端，則共模電壓放大倍數為： 電路的共模抑制比kcmr為： 或 （5）輸入電阻的測量差分放大器差模輸入電阻ri遠小于測量儀表的內阻，所以測試采用圖1-2所示的測試方法。在信號源和電路的輸入端之間串接一個電阻r，將微小的輸入電流ii轉換成電壓進行測量；在輸出波形不失真的情況下輸入信號

13、ui，測量出us及ui，則輸入電阻為： 圖4 輸入電阻測量原理圖 圖5 輸出電阻測量原理圖可以證明，只有在時測量誤差最??；同電阻r的準確度直接影響測量的準確度，電阻r不宜取得過大，否則易引入干擾；也不宜取得過小，否則易引起較大的測量誤差。因此，電阻r應選擇精密的電阻，同時選取r和ri一個數量級，且rri，以減小測量誤差。 （6）輸出電阻的測量 差分放大器差模單端輸出的輸出電阻ro的測量采用圖1-3所示的測試方法。開關k打開時測出uo，開關k閉合時測出uol，測輸出電阻為：可以證明，只有在時測量誤差最小；同時電阻rl的準確度直接影響測量的準確度，因此電阻rl應選擇精密的電阻，同時選取rl和ro一

14、個數量級，且rlro，以減小測量誤差。 （7）差模傳輸特性的測量差模傳輸特性是指差分放大器在差模信號輸入時，輸出電流ic隨輸入電壓uid的變化規(guī)律。由于在電路確定以后，輸出電流-ic1（-ic2）的變化規(guī)律與uc1（uc2）的變化規(guī)律完全相同，而且測量電壓比測量電流要方便，所以可以用示波器來測量差模傳輸特性曲線；差分放大器的差模單端輸出特性曲線如圖1-4所示，差模雙端輸出特性曲線如圖1-5所示。 圖6 差模單端輸出直流傳輸特性曲線 圖7 差模雙端輸出交流傳輸特性曲線 附： 圖8 tl071符號標識 圖9 tl071管腳圖 2. 觸發(fā)電路 圖10 觸發(fā)電路 該電路的核心器件為一差分放大器，在保持

15、壓電陶瓷元件無震動的狀況下調節(jié)電位器使2,3腳電位相同，在有震動或觸摸時壓電陶瓷放電，導致2,3腳產生電平差，從而使6腳產生一高電平，給下面的電路以工作信號。3. 三極管bc548 圖11 圖12電路中所用到的兩個三極管作用均相當于開關，當基極b輸入高電平時，三極管導通，電源電壓加載到二極管/喇叭電路上去，使器件開始工作。 4. 主要元件介紹：555定時器集成時基電路又稱為集成定時器或555電路，是一種數字，模擬混合型的中規(guī)模集成電路，應用十分廣泛。它是一種產生時間延遲和多種脈沖信號的電路，由于內部電壓標準使用了三個5k的電阻，故取名555電路。 555電路的內部電路框架圖如下圖所示：圖13

16、555內部電路及引腳位配置555定時器的內部電路由分壓器，電壓比較器c1和c2，簡單sr鎖存器，放電三極管t以及緩沖器g組成，3個5k的電阻串聯(lián)組成分壓器，為比較器c1，c2提供參考電壓。當控制電壓端（5）懸空時，比較器c1，c2的基準電壓分別為2vcc/3和vcc/3。放電三極管t為外接電路提供放電通路，在使用定時器時，該三極管的集電極（7）腳一般都要外界上拉電阻。當v112vcc/3，v12vcc/3時，比較器c1輸出低電平，比較器c2輸出高電平，簡單sr鎖存器q端置0，放電三極管t導通，輸出端vo為低電平。當v112vcc/3，v12vcc/3時，比較器c1輸出高電平，c2輸出低電平，簡

17、單sr鎖存器置1，放電三極管截止，輸出端vo為高電平。當v11vcc/3時,簡單sr鎖存器r=1，s=1，鎖存器狀態(tài)不變，電路保持原狀態(tài)不變。1. 由555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路（電路中為定時和控制電路） 圖14 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路及波形分析沒有觸發(fā)信號時vi處于高電平(vivcc/3),如果接通電源后q=0，vo=0,t導通，電容通過放電三極管t放電，使vc=0，vo保持低電平不變。如果接通電源后q=1，放電三極管t就會截止，電源通過電阻r向電容c充電，當vc上升到2vcc/3時，由于r=0，s=1，鎖存器置0，vo為低電平。此時放電三極管t導通，電容c放電，vo保持低電平不變。因此，電路通

18、電后在沒有觸發(fā)信號時，電路只有一種穩(wěn)定狀態(tài)vo=0。若觸發(fā)輸入端施加觸發(fā)信號（vi.以ne555芯片為核心的多諧震蕩電路（電路中用于發(fā)聲電路） 圖15 多諧振蕩電路 接通電源后，電容c被充電，當vc上升到2vcc/3時，使vo為低電平，同時放電三極管t導通，此時電容c通過r2和t放電，vc下降。當vc下降到vcc/3時，vo翻轉為高電平。當放電結束時，t截止，vcc將通過r1、r2向電容c充電。當vc上升到2vcc/3時，電路又翻轉為低電平。如此周而復始，于是在電路的輸出端就得到一個周期性的矩形波，波形如下圖： 圖16 多諧振蕩電路波形圖 由于555定時器內部的比較器靈敏高，而且采用差分電路形

19、式，因此用555定時器組成的多諧振蕩器的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小。 四.電路最終總視圖（包含多處改進及拓展） 圖17 電路最終總試圖五. 實驗器件總體列表一覽序號名稱規(guī)格型號數量備注1差分運算放大器tl07122壓電陶瓷元件 1常態(tài)下為幾f電容3icne55524三極管bc54825電位器1m1微型6電解電容100f /50v37電解電容10f /50v18電解電容1f /50v19電解電容0.01f /25v310電阻100k/0.5w411電阻470k/0.5w112電阻10k/0.5w313電阻1k/0.5w214電阻470/0.5w115電阻300/0.5w116led放

20、光二極管32red17蜂鳴器118喇叭8/0.25w119開關2a/250v120萬能版15*15cm2用于固定所有模塊21接線柱2用于電路總正負極22導線若干連接電路各元件23八腳插座2用于放置固定核心元件課程設計制作過程使用的儀器和工具儀器/工具名稱數量用途筆記本電腦1臺繪制原理圖和模擬電路圖電烙鐵和烙鐵架1套焊接吸錫器1把拆焊示波器1臺觀察功放電路輸入和輸出波形交流毫伏表1臺測試信號的電壓斜口鉗1把剪元件腳尖嘴剝線鉗1把剝線尖嘴鉗1把夾取元件鑷子1把夾取元件六. 電路參數計算1.電路電位器 rv1 = 1m 2.整個電路最核心的數據為模塊二的ne555芯片的暫穩(wěn)態(tài)時間，控制喇叭出聲時間及

21、led2的發(fā)光時間 tw = 1.1 r c（r=r1=100k； c=c5=100） tw = 11s實際測試為t1 = 11 +- 1s,與理論數據相符合。3.實驗的第二個需要測試的數據為喇叭功能電路ne555芯片的輸出時間參數 t = tw1 + tw2 tw1= 0.7(r1 + r2)c tw2= 0.7 r2 c (r1 = 10k; r2 = 100k; c = 0.01） tw1= 7.7*10-4s tw2= 7 *10-4s t = 1.47*10-3s=1.47ms f = 1/t = 680hz實際測試 t = 13.6ms f = 737hz 七. 實驗箱模擬 1.

22、1實驗箱模擬用ne555組建的多諧震蕩電路圖18 ne555多諧振蕩電路 2喇叭電路中喇叭工作時ne555芯片三腳輸出信號 圖19 輸出信號 圖20/21 信號具體參數，有跳躍 2.主體電路實驗箱模擬 圖22 主體電路模擬 3.電路整體視圖 圖23 電路整體模擬4.實驗箱狀態(tài)下有震動時電路的響應狀態(tài) 圖24 震動響應狀態(tài)八. 電路安裝調試原理了解后，進行安裝之前，首先運用所學知識用萬用表對所要安裝焊接的元器件進行校對檢驗，確保電路的元器件都是好的，再對焊接板進行元器件整體布局，以達到線路整潔，布局美觀。接下來就要進行焊接，整個焊接的過程是需要耐心的，尤其在高溫下使用電焊鐵需格外小心，避免燙傷灼

23、傷。盡量減少兩條線路的共同焊接處，防止焊接不當造成不必要的短路與短路，最后將接地與接輸入正極的電線引出，便于后期的調試與檢查。焊接完畢后比較電路圖對實物進行多次檢查，有無虛焊漏焊的地方，再次用萬用表對核心器件進行檢查，防止因為焊接時間過長產生的高溫影響元器件的功能，對后續(xù)功能的實現(xiàn)造成不必要的影響與錯誤。確認無誤后，將各器件的引腳剪掉，避免較長互相接觸，造成不必要的短接。最后接入電路要求的+9v電壓，觸動壓電陶瓷片，蜂鳴器/喇叭作響，手松開，在暫穩(wěn)態(tài)時間到達后蜂鳴器/喇叭不響，電路調試成功。 九. 電路板焊接a) 最終實體電路板正反面視圖 圖25 最終成品正面視圖 圖26 成品電路板反面線路b

24、) 電路元器件首次位置模擬 圖27 首次元器件位置模擬c) 電路板狀態(tài)下有震動時電路的響應（喇叭響） 圖28 電路板狀態(tài)下有震動時電路的響應（喇叭響）d) 當震動消失，電路仍處在響應延遲狀態(tài)下（喇叭響） 圖29 當震動消失，電路仍處在響應延遲狀態(tài)下（喇叭響）十. 試驗問題分析1. 第一次連接電路，三極管bc548被擊穿，喇叭燒壞分析：操作錯誤，穩(wěn)壓直流電源電壓未調便接入電路，電壓為120v+，導致三極管vt2直接被擊穿，喇叭被燒壞，之后更換三極管、喇叭。電壓調為+9v，重新連接電路2. 電路在實驗箱初步連接，按動壓電陶瓷片，放光二極管不亮分析：放光二極管led1的發(fā)光原理為：在壓電陶瓷元件未觸

25、動時，差分放大器2、3腳電壓基本相同，6腳為低電平；當壓電陶瓷片被觸動時，2、3腳產生電壓差，6腳輸出高電平，使三極管vt1導通使二極管led1發(fā)光，所以實驗前必須調節(jié)電位器vr1使2、3腳電壓相同。找到問題后，調節(jié)電位器阻值大約為1m歐，再次觸動壓電陶瓷片，二極管led1發(fā)光。3. 實驗中，測試數據發(fā)現(xiàn)，555芯片2腳保持高電平（大約為8.xv）無變化分析：經多次監(jiān)測分析，發(fā)現(xiàn)如圖所示0.1u電容（原始方案視圖里的電容c3）阻礙了電流信號由三極管集電極向一號555芯片傳輸，去掉該電容后，檢測2管腳電壓開始受壓電陶瓷的按下與否開始變化，有震動時2腳為低電平，無振動時為高電平4. 電路在實驗箱上

26、進行初步模擬實驗時，燈泡2不亮，喇叭不響分析：開始所用喇叭為4/0.5w，后換成8/0.25w均無效，檢測器件均為正常，后分析得知，由于喇叭電阻太低，與二極管2所在電路相比近似短路，無法實現(xiàn)發(fā)光，后將喇叭用實驗箱自帶蜂鳴器替代，實現(xiàn)設計期望功能。后重新設計一以555芯片為核心的多諧振動電路，由第一塊555芯片3腳直接提供輸入信號，實現(xiàn)了喇叭功能5. 實驗整體功能實現(xiàn)以后，發(fā)現(xiàn)燈泡2發(fā)光持續(xù)時間太長，不便演示電路基本功能分析：由于電路原先設計初步延遲時間為2min，因為開始引用公式錯誤，先將1m電阻換為3m，發(fā)現(xiàn)問題仍然存在，在查找資料，尋求同學幫助后，發(fā)現(xiàn)引用公式的錯誤，于是將原始電路中的電阻r1由1m換為100k，使延遲時間縮短10倍，經測試，喇叭、二極管2工作時間為12s左右，與設計相符合。6. 焊接電路板，導通無實驗現(xiàn)象分析：由于為第一次接觸實物焊接，初步元件