雙音電子門鈴設計

1、目 錄摘要1 Proteus軟件學習11.1 Proteus簡介11.2 Proteus 的功能特點11.3 Proteus電路功能仿真22 電路設計思想33 設計方案論證與比較44部分電路簡介54.1 芯片簡介54.2 充放電回路75 電路原理85.1 基于雙T正弦波振蕩器構成的電子門鈴電路85.2 雙音電子門鈴電路(拓展部分)86 設計過程及步驟107 仿真流程118 仿真結果與分析138.1基于雙T正弦波振蕩器構成的電子門鈴電路138.2 雙音電子門鈴電路（拓展部分）149 影響電路起振，波形失真及穩(wěn)定性的主要因素1610 總結17心得體會18參考文獻19基于雙T正弦波振蕩器或RC正弦波

2、振蕩器設計的電子門鈴1 Proteus軟件學習1.1 Proteus簡介本次強化訓練中對仿真有明確的要求，這就要求我們必須對所要求的使用的仿真軟件有一定的了解和使用熟練度，這里先對軟件作簡略的介紹。Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風標電子技術有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件

3、)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。1.2 Proteus 的功能特點Proteus軟件具有其它EDA工具軟件（例：multisim）的功能。這些功能是： （1）原理

4、布圖 （2）PCB自動或人工布線 （3）SPICE電路仿真 革命性的特點 （1）互動的電路仿真 用戶甚至可以實時采用諸如RAM，ROM，鍵盤，馬達，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。 （2）仿真處理器及其外圍電路 可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型 上編程，再配合顯示及輸出，能看到運行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Proteus建立了完備的電子設計開發(fā)環(huán)境。1.3 Proteus電路功能仿真在PROTEUS繪制好原理圖后，調(diào)入已編譯好的目標代碼文件：*.HEX，可以在PROTEUS的

5、原理圖中看到模擬的實物運行狀態(tài)和過程。課程設計、畢業(yè)設計是學生走向就業(yè)的重要實踐環(huán)節(jié)。由于PROTEUS提供了實驗室無法相比的大量的元器件庫，提供了修改電路設計的靈活性、提供了實驗室在數(shù)量、質(zhì)量上難以相比的虛擬儀器、儀表，因而也提供了培養(yǎng)學生實踐精神、創(chuàng)造精神的平臺 隨著科技的發(fā)展，“計算機仿真技術”已成為許多設計部門重要的前期設計手段。它具有設計靈活，結果、過程的統(tǒng)一的特點?？墒乖O計時間大為縮短、耗資大為減少，也可降低工程制造的風險。相信在單片機開發(fā)應用中PROTEUS也能茯得愈來愈廣泛的應用。 使用Proteus 軟件進行單片機系統(tǒng)仿真設計, 是虛擬仿真技術和計算機多媒體技術相結合的綜合運

6、用，有利于培養(yǎng)學生的電路設計能力及仿真軟件的操作能力；在單片機課程設計和全國大學生電子設計競賽中，我們使用 Proteus 開發(fā)環(huán)境對學生進行培訓，在不需要硬件投入的條件下，學生普遍反映，對單片機的學習比單純學習書本知識更容易接受，更容易提高。實踐證明，在使用 Proteus 進行系統(tǒng)仿真開發(fā)成功之后再進行實際制作，能極大提高單片機系統(tǒng)設計效率。因此，Proteus 有較高的推廣利用價值。2 電路設計思想本設計的要求是基于雙T振蕩器或者RC振蕩電路設計一個電子門鈴電路，要想設計出電子門鈴電路，就要滿足電子門鈴的特點。要求達到的效果應該是按下按鈕電路就會產(chǎn)生震蕩，從而讓門鈴產(chǎn)生“滴滴滴”的響聲，

7、松開按鈕以后在延時電路的作用下震蕩應該再持續(xù)片刻然后停止，門鈴的聲音也隨之消失。另外，本次強化訓練所作的拓展則是雙音電子門鈴，在按下按鈕的時候會發(fā)出“叮咚”的聲音，如果想要讓電路發(fā)出“叮咚”的聲音，就得使電路具有2個不同的頻率，即存在2個不同的狀態(tài)，當?shù)谝粋€頻率出現(xiàn)時，使其發(fā)出“?！钡穆曧懀?shù)诙€頻率出現(xiàn)時，使其發(fā)出“咚”聲響，當按鈕彈起時，聲響消失。若要完成這樣的電路，可借助于555定時器以及電阻、電容來完成，此電路在不同的充電放電狀態(tài)時具有不同的充電時間常數(shù)，所以就可以有不同的頻率，在不同的頻率下，電路可以發(fā)出不同的聲音，即所謂的電子門鈴的響聲，從而完成了電子門鈴電路的設計。3 設計方案

8、論證與比較方案一：不用電池的雙音門鈴此電子門鈴電路不需要電池，電路是常規(guī)的電話機振鈴電路的變形。電路中設有門鈴按鈕，當按下門鈴按鈕時，程控交換機提供的48V（或60V）電壓，直流饋電經(jīng)二極管和電阻對電容1充電，充到一定程度時，即電容1的端電壓達到起控電壓時，電容起振送出雙音電子鈴流使蜂鳴器發(fā)聲；而當，沒有按下門鈴按鈕時，電壓達不到電容1的起控電壓，所以門鈴不會發(fā)出聲音，從而完成了電子門鈴電路的制作。方案二：555門鈴電路本電路是以一塊555時基電路組成的雙音門鈴，它發(fā)出的叮咚聲音色優(yōu)美悅耳。其電路由555和R1-R3以及D1、D2、C2等組成一個多諧振蕩器。電路中設有一按鈕，按鈕平時處于斷開狀

9、態(tài)，這時，555的4腳呈低電位，使555處于強制復位狀態(tài)，3腳輸出呈現(xiàn)低電位。當有人按壓按鈕時，電源可以通過電容及電阻進行2次充電，這2次充電會出現(xiàn)2個不同的頻率，而這2個不同的頻率會使電路發(fā)出不同的響聲，即所謂的“叮咚“的響聲。方案選擇：由于方案一主要用于家庭電話，而方案二主要用于電子門鈴，而且，方案二更容易實現(xiàn)，所以本設計采用方案二。4部分電路簡介4.1 芯片簡介本設計所用的芯片為555定時器。555 定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極性工藝制作的稱為 555，用 CMOS 工藝制作的稱為 7555，除單定時器外，還有對應的雙定時器 556/7556。555 定時

10、器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，輸出驅(qū)動電流約為 200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。（1）555定時器的引腳結構圖4-1 555的引腳結構圖555的8腳是集成電路工作電壓輸入端，電壓為518V，以UCC表示；從分壓器上看出，上比較器A1的腳接在R1和R2之間，所以5腳的電壓固定在2UCC/3上；下比較器A2接在R2與R3之間，A2的同相輸入端電位被固定在UCC/3上。1腳為地。2腳為觸發(fā)輸入端；3腳為輸出端，輸出的電平狀態(tài)受觸發(fā)器控制，而觸發(fā)器受上比較器6腳和下比較器2腳的控制。當觸發(fā)器接受上比較器A1從R腳輸入

11、的高電平時，觸發(fā)器被置于復位狀態(tài)，3腳輸出低電平。2腳和6腳是互補的，2腳只對低電平起作用，高電平對它不起作用，即電壓小于1Ucc/3，此時3腳輸出高電平。6腳為閾值端，只對高電平起作用，低電平對它不起作用，即輸入電壓大于2 Ucc/3，稱高觸發(fā)端，3腳輸出低電平，但有一個先決條件，即2腳電位必須大于1Ucc/3時才有效。3腳在高電位接近電源電壓Ucc，輸出電流最大可打200mA。4腳是復位端，當4腳電位小于0.4V時，不管2、6腳狀態(tài)如何，輸出端3腳都輸出低電平。5腳是控制端。7腳稱放電端，與3腳輸出同步，輸出電平一致，但7腳并不輸出電流，所以3腳稱為實高（或低）、7腳稱為虛高。（2）555

12、定時器的工作原理它含有兩個電壓比較器，一個基本RS觸發(fā)器，一個放電開關T，比較器的參考電壓由三只5K的電阻器構成分壓，它們分別使高電平比較器C1同相比較端和低電平比較器C2的反相輸入端的參考電平為和。C1和C2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關狀態(tài)。當輸入信號輸入并超過時，觸發(fā)器復位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電，開關管導通；當輸入信號自2腳輸入并低于時，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時放電，開關管截止。是復位端，當其為0時，555輸出低電平。平時該端開路或接。Vco是控制電壓端（5腳），平時輸出作為比較器A1的參考電平，當5腳外接一個輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，

13、從而實現(xiàn)對輸出的另一種控制，在不接外加電壓時，通常接一個0.01的電容器到地，起濾波作用，以消除外來的干擾，以確保參考電平的穩(wěn)定。T為放電管，當T導通時，將給接于腳7的電容器提供低阻放電電路。表4-1 555定時器的邏輯功能觸發(fā)閾值復位IS放電端輸出H導通LH原狀態(tài)H截止HL導通L4.2 充放電回路該設計中另一個重要的模塊就是充放電回路了，為了使電路能夠振蕩，必須使具有一個充放電的回路，才能夠完成振蕩。在按鈕斷開或是按下的不同狀態(tài)下，電容C2的充放電回路是不同的，放電常數(shù)也是不同的，這樣便可以使得具有2個不同的充放電時間常數(shù)，進而具有2個不同振蕩頻率，從而可以發(fā)出可以發(fā)出“?！焙汀斑恕钡穆曇簟?/p>

14、充放電回路電路圖如下：圖4-2 充放電回路圖5 電路原理5.1 基于雙T正弦波振蕩器構成的電子門鈴電路電路原理圖如下圖所示：圖5-1 雙T正弦波振蕩器構成的電子門鈴電路由圖可知，雙T正弦波振蕩器構成的電子門鈴電路主要由雙T正弦波振蕩器和555定時器構成。555定時器是用來定時的，而雙T正弦波振蕩器由電阻R11、R12、R13以及C12、C11、C10構成，它們的作用是在參數(shù)選擇恰當?shù)臅r候并且開關閉合的時候發(fā)生震蕩，從而產(chǎn)生正弦波，而當參數(shù)選擇不恰當?shù)臅r候，就不一定會使電路能夠仿真出正弦波，所以，一定要選擇恰當?shù)膮?shù)，才能使得電路有一個震蕩頻率，發(fā)出“滴滴滴”的門鈴響聲。5.2 雙音電子門鈴電路

15、(拓展部分)本電路是以一塊555時基電路為核心組成的雙音門鈴，它發(fā)出的聲音色優(yōu)美悅耳。其電路圖如下圖所示：圖5-2 雙音門鈴電路原理圖555時基電路和電阻R2R4，電容C4組成無穩(wěn)態(tài)音頻振蕩器，當SW未按下時，555時基電路因強制復位端4腳通過R1接地呈低電位，電路被復位，振蕩器停振。當按下SW時，電源一路經(jīng)VD1向C2充電，使4腳電位升高，當4腳電位大于0.4V時，振蕩器起振。電源另一路經(jīng)VD2，R3，R4向C4充電，這時電阻R2不起作用，C4充電時間常數(shù)是（R3+R4）C4，放電時間常數(shù)是R4C4，振蕩器振蕩頻率為：f1=1.43/（R3+2R4）C4=1.44KHz此時，揚聲器發(fā)出的是模

16、擬的“叮”聲。當打開SW后，C2向R1放電，仍能維持集成塊4腳位高電平，這時VD2反偏截止，R2被接入振蕩回路，C4的充電時間常數(shù)為（R2+R3+R4）C4，放電時間常數(shù)仍為R4C4，所以振蕩頻率變?yōu)椋篺2=1.43/（R2+R3+2R4）C4=1.04KHz此時，揚聲器發(fā)出的是模擬的“咚”聲。最后，因為，開關一直處于斷開狀態(tài)，隨著C2不斷放電，是4腳電位不斷下降，當降至0.4V以下，振蕩器停振，這時一個延時的過程，伴隨著4腳的電位從（5-0.7）V降至0.4V，這個過程中，“咚”聲會一直延續(xù)，一直到放電完成，此時，“咚”聲消失，電路恢復狀態(tài)。6 設計過程及步驟為了完成本設計，可以分以下步驟進

17、行：分析電路原理本題目的要求為：基于雙T正弦波振蕩器或RC正弦波振蕩器，設計一個電子門鈴，進行仿真，并說明影響電路起振，波形失真及穩(wěn)定性的主要因素。由于我們所學的知識中涉及RC正弦波振蕩器的內(nèi)容比較多，所以可以采用RC正弦波振蕩器來完成本電路的設計。運用所學過的數(shù)電知識可知，運用555振蕩器構成的多諧振蕩器便可以滿足這個要求，因此，采用多諧振蕩器構成的電路圖以及開關便可以完成此電路的設計。繪制電路原理圖本次基礎強化訓練的目的之一就是學會運用Protues仿真，所以可以采用Protues軟件進行電路原理圖的繪制。首先，需要新建一個設計，然后進行放置電路元件，可點擊右鍵選擇Place-Compon

18、ent,就可以放置電路元件了，放置好電路元件后就開始直接連線了。電路仿真與分析先在繪制好的電路原理中放置電源，然后再放置示波器，然后便可進行仿真，仿真時選擇合適的檔位，可使仿真出來的波形比較好。7 仿真流程（1）新建設計首先，打開Proteus軟件，可見如下窗口：圖7-1 Proteus界面窗口然后新建一個設計，選擇File的下拉菜單中的New Design，然后會彈出如下Creat New Design窗口：圖7-2 Creat New Design窗口選擇其中的Landscape A4，即選擇A4紙的大小。（2）放置元件新建好了以后，便可以仿真元件了，點擊右鍵，選擇Place右拉菜單中的C

19、omponent選項，再選擇From Libraries,會彈出以下Pick Devices窗口：圖7-3 Pick Devices窗口之后便可以選擇元件了。（3）連線元件選擇好了之后便可以直接連線。（4）放置電源及示波器從左窗口中選擇DC VOLTMETER即為電壓表，OSCILLOSCOPE即為示波器。 圖7-4 電壓表 圖7-5 示波器（5）進行仿真將電源及示波器接到電路中點擊開始鍵便可以進行仿真了。在仿真所用的示波器中要選擇合適的檔位才能得到較好的波形。8 仿真結果與分析8.1基于雙T正弦波振蕩器構成的電子門鈴電路示波器接線圖及仿真波形圖如下圖所示：圖8-1 示波器接線圖仿真結果如下圖

20、所示：圖8-2 雙T震蕩波形由圖可知，在R及C的的參數(shù)選擇合適的情況下，以及在檔位合適的情況下，可使電路仿真出不失真的正弦波。而且還可以在開關閉合的時候發(fā)出“嘀嘀嘀”的聲音。8.2 雙音電子門鈴電路（拓展部分）示波器接線圖及仿真波形圖如下圖所示：圖8-3 示波器接線圖圖8-4 雙音門鈴震蕩波形1圖8-5 雙音門鈴震蕩波形2由圖可知，在R及C的的參數(shù)選擇合適的情況下，以及在檔位合適的情況下，可使電路仿真出不失真的方波，而且可以在開關閉合的時候發(fā)出“叮咚”的聲音。但是當接入喇叭后，情況則有所不同：圖8-6 雙音門鈴接入喇叭后波形1圖8-7 雙音門鈴接入喇叭后波形2由上圖可見，接入喇叭后，即電路帶上

21、負載后波形會產(chǎn)生明顯變化，在上升沿可以看見有明顯失真，當然，這種情況是可以接受的，對實驗結果并無明顯影響。9 影響電路起振，波形失真及穩(wěn)定性的主要因素從前面的仿真過程可知，影響電路起振，波形失真及穩(wěn)定性的主要因素是電容及電阻的取值，因為振蕩頻率只與電路中的電容及電阻的取值有關，若電容與電阻的取值合適的話，便可以是振蕩回路起振，而且也可使電路發(fā)出“嘀嘀嘀”或是“叮咚”的響聲。另一個原因就是555內(nèi)部比較器動作到充放電（傳輸延遲時間）有時間延遲（尤其是觸發(fā)定時的延遲）。因此，計算值與實際值有一定的偏差。因為555振蕩頻率上限為500KHz，因此計算的值小于555振蕩頻率的上限，即可使電路穩(wěn)定工作。

22、10 總結“叮咚”電子門鈴的功能就是在按鈕按下時發(fā)出“?！钡穆曇?，而在按鈕按下的時候發(fā)出“咚”的聲音。所以設計電路的結果便是使電路在按鈕由斷開到閉合時，電路發(fā)出“叮咚”的聲音。由于原理電路圖中存在不同的充放電回路，而且還有一個按鈕開關，在按鈕斷開或是在按鈕斷開或是按下的不同狀態(tài)下，電容C2的充放電回路是不同的，放電常數(shù)也是不同的，這樣便可以使得具有2個不同的充放電時間常數(shù)，進而具有2個不同振蕩頻率，從而可以發(fā)出可以發(fā)出“?！焙汀斑恕钡穆曇簟Ｐ牡皿w會在畫家眼里，設計是一幅清明上河圖或是一幅向日葵；在建筑師眼中，設計是昔日鎏金般的圓明園或是今日一塑自由女神像；在電子工程師心中，設計是貝爾實驗室的電話機或是華為的程控交換機。凡此種種，但凡涉及設計都是一件美好的事情，因為她能給人以美的幻想，因為她能給人以金般財富，因為她能給人以成就之感，更為現(xiàn)實的是她能給人以成長以及成長所需的營養(yǎng)，而這種營養(yǎng)更是一種福祉，一輩子消受不竭享用不盡。我就是以此心態(tài)對待此次強化訓練課程設計的，所謂“態(tài)度決定一切”，于是偶然又必然地收獲了諸多，概而言之，大約以下幾點： 溫故而知新。課程設計發(fā)端之始，思緒全無，舉步維艱，對于理論知識學習不夠扎實的我深感“書到用時方恨少”，于是想起圣人之言“溫故而知新”，便重拾教材與實驗手冊，對知識系統(tǒng)而全面進行了梳