聲控報警電路實驗報告

1、. 實 驗 報 告 實驗名稱： 聲控報警電路設(shè)計 實驗學(xué)生： 所屬班級： 班內(nèi)序號： 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)鍵詞：報警器；CD4011；無源蜂鳴器；LM358二，引言 隨著電力電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)

2、、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。1，設(shè)計要求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，電路設(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

3、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

4、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。本實驗采用漏極輸出型電路，電路圖如下實際電路參數(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)

5、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（“虛短”、“虛斷”）可知：因為U+ = U- = Ui（“虛短”，但不是“虛地”）， I+ = I- = 0所以 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

6、為電壓跟隨器。實際電路參數(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，

7、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。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現(xiàn)特定的電壓比較。實驗原理圖即如下既此時有如下的電壓

8、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延時單元設(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現(xiàn)電路電壓下降的延時功能，具體電路圖如下實際電路參數(shù)實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。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

9、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。本實驗中采用CD4011實現(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

10、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 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 綜上，振蕩周期是 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

11、一晶體管放大再接蜂鳴器增加蜂鳴器的輸入功率，以保證更好的實驗效果。實際電路參數(shù)試驗元件初置參數(shù)如圖，采用NPN管8050和電阻R=2K。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

12、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1N4148二極管來實現(xiàn)單向?qū)?，禁止電容對前級電路放電的影響?，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。3，電路仿真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現(xiàn)無滯回的同相電壓比較功能。3，延時單元仿真 延時電路要求實現(xiàn)高電平下降的延時功能，在仿真中即給延

13、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。 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。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)動蜂鳴圖3.2.24， 電路搭建與調(diào)試1，信號放大單元搭建與調(diào)試信號放大單元采用LM358實現(xiàn)，其芯片封裝管

14、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)試電壓比較單元依舊是采用LM358來實現(xiàn)。 3，方波振蕩單元搭建與調(diào)試方波振蕩的主要元件是C

15、D4011,4，整體級聯(lián)調(diào)試 5，實驗總結(jié)與探討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，實驗元件與儀器資料1，駐極體式咪頭構(gòu)造與原理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)

16、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

17、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。 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

18、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LM3586.2.2 LM358簡介 LM358是雙運(yùn)算放大器。內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率

19、補(bǔ)償?shù)碾p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輸入共模電壓最大值VCC1.5 V3，與非門芯片CD40011 CD4011是集成了四個與非

20、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

21、，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，課題實驗心得總結(jié) 1，在選擇和找資料時，一定