觸摸式“叮咚”門鈴的設計報告

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上電子技術課程設計觸摸式“叮咚”門鈴的設計 自我評定：優(yōu)目錄27.設計體會18觸摸式“叮咚”門鈴的設計1. 設計目的、內容與步驟1.1. 設計目的（1）、 學習基本理論在實踐中綜合運用的初步經(jīng)驗，掌握模擬電路與數(shù)字電路設計的基本方法、設計步驟，培養(yǎng)綜合設計與調試能力。（2）、 學會555定時器的設計方法和性能指標測試方法。（3）、 培養(yǎng)實踐技能，提高分析和解決實際問題的能力。1.2. 設計內容設計觸摸式“叮咚”門鈴，要求完成以下主要技術指標：（1）、 觸摸開關有足夠的靈敏度與穩(wěn)定性；（2）、 “叮”聲與“咚”聲頻率要求差距比較大，且兩種頻率聲音的過渡過程自然、悅耳；（3

2、）、 “咚”聲在觸摸動作完成后應持續(xù)幾秒鐘；（4）、 電路功耗低。1.3. 設計步驟（1）、 查閱有關資料，完成總體設計框圖（2）、 完成設計框圖各個部分的詳細設計，并選擇合適參數(shù)的電子元器件完成各部分電路，繪制電路原理圖。（3）、 利用multisim等仿真軟件進行仿真。（4）、 統(tǒng)計所有元器件的參數(shù)和數(shù)量，購買元器件。（5）、 將元器件依照電路原理圖焊接至電路板上，完成電源的實物制作。（6）、 調試電路，根據(jù)需要調節(jié)元件參數(shù)，必要時，替換個別元件。2. 總體設計 該直流穩(wěn)壓電源主要由兩部分組成：觸摸開關電路、“叮咚”門鈴電路。（1）觸摸開關電路：人體觸摸時觸摸開關輸出高電平，觸摸前以及觸摸

3、后為低電平。（2）“叮咚”門鈴電路：輸入端沒有動作時，輸出端為低電平，故輸出端的揚聲器沒有聲音。當輸入端輸入高電平時，輸出方波，頻率較高；輸入端由高電平變?yōu)榈碗娖胶?，輸出信號可以維持一段時間，且頻率較低。多諧振蕩器構成的“叮咚”門鈴電路觸摸片本次設計采用555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器與多諧振蕩器。輸入控制單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構成的觸摸開關3. 詳細設計3.1. NE555的結構及性能特點（1）NE555的結構Pin 1 (接地)-地線(或共同接地) ，通常被連接到電路共同接地。 Pin 2 (觸發(fā)點)-又叫低電平觸發(fā)端。這個腳位是觸發(fā)NE555使其啟動它的時間周期。觸發(fā)信號上緣電壓須大于2/3 VCC

4、，下緣須低于1/3 VCC 。 Pin 3 (輸出)-當時間周期開始555的輸出輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時的最大輸出電流大約200 mA 。 Pin 4 (重置)-一個低邏輯電位送至這個腳位時會重置和使輸出回到一個低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。 Pin 5 (控制)-這個接腳準許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當經(jīng)營在穩(wěn)定或振蕩的運作方式下,這輸入能用來改變或調整輸出頻率。 Pin 6 (重置鎖定)又叫高電平觸發(fā)端。 Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當這個接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時啟動這個動

5、作。 Pin 7 (放電)-這個接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當輸出為ON時為LOW，對地為低阻抗，當輸出為OFF時為HIGH，對地為高阻抗。 Pin 8 (V +)-這是555個計時器IC的正電源電壓端。供應電壓的范圍是+4.5(最小值)至+16伏特(最大值)。輸入輸出閾值輸入(VI1)觸發(fā)輸入(VI2)復位(RD)輸出(VO)放電管T××00導通11截止× 1 0 導通 1 不變 不變555定時器功能表（2）NE555的性能特點a) 只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時作用。其延時范圍極廣，可由幾微秒至幾小時之久。 b) 它的操作電源范

6、圍極大，可與TTL，CMOS等邏輯電路配合，也就是它的輸出電平及輸入觸發(fā)電平，均能與這些系列邏輯電路的高、低電平匹配。 c) 其輸出端的供給電流大，可直接推動多種自動控制的負載。 d) 它的計時精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價格便宜。3.2. 由NE555構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器NE555的作用范圍很廣，但一般多應用于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（Monostable Mutlivibrator）及無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（Astable Multivibrator）。（1）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器a) 簡介l 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一個穩(wěn)定狀態(tài)，一個暫穩(wěn)態(tài)。 l 在外加脈沖的作用下，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以從一個穩(wěn)定狀態(tài)翻轉到一個暫穩(wěn)態(tài)。

7、 l 由于電路中RC延時環(huán)節(jié)的作用，該暫態(tài)維持一段時間又回到原來的穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)維持的時間取決于RC的參數(shù)值。b) 電路組成如圖所示，其中R、C為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時元件，它們的連接點Vc與的閥值輸入端（6腳）及輸出端Vo'（7腳）相連。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度tw=1.1RC。 Ri、Ci構成輸入回路的微分環(huán)節(jié)，用以使輸入信號Vi的負脈沖寬度tpi限制在允許的范圍內，一般tpi>5RiCi，通過微分環(huán)節(jié)，可使Vi'的尖脈沖寬度小于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖寬度tpo。若輸入信號的負脈沖寬度tpi本來就小于tpo，則微分環(huán)節(jié)可省略。 定時器復位輸入端（4腳）接高電平，控制輸入端V

8、m通過0.01uF接地，定時器輸出端Vo（3腳）作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的單穩(wěn)信號輸出端。c) 工作原理當輸入Vi保持高電平時，Ci相當于斷開。輸入Vi'由于Ri的存在而為高電平Vcc。此時，若定時器原始狀態(tài)為0，則集電極輸出（7腳）導通接地，使電容C放電、Vc=0，即輸入6腳的信號低于2/3Vcc，此時定時器維持0不變。 若定時器原始狀態(tài)為1，則集電極輸出（7腳）對地斷開，Vcc經(jīng)R向C充電，使Vc電位升高，待Vc值高于2/3Vcc時，定時器翻轉為0態(tài)。 結論：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器正常工作時，若未加輸入負脈沖，即Vi保持高電平，則單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出Vo一定是低電平。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作過程分為下面三個

9、階段來分析，下圖為其工作波形圖：觸發(fā)翻轉階段： 輸入負脈沖Vi到來時，下降沿經(jīng)RiCi微分環(huán)節(jié)在Vi'端產(chǎn)生下跳負向尖脈沖，其值低于負向閥值（1/3Vcc）。由于穩(wěn)態(tài)時Vc低于正向閥值（2/3Vcc），固定時器翻轉為1，輸出Vo為高電平，集電極輸出對地斷開，此時單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進入暫穩(wěn)狀態(tài)。 暫態(tài)維持階段： 由于集電極開路輸出端（7腳）對地斷開，Vcc通過R向C充電，Vc按指數(shù)規(guī)律上升并趨向于Vcc。從暫穩(wěn)態(tài)開始到Vc值到達正向閥值（2/3Vcc）之前的這段時間就是暫態(tài)維持時間tpo 。 返回恢復階段： 當C充電使Vc值高于正向閥值(2/3Vcc）時，由于Vi'端負向尖脈沖已消失

10、，Vi'值高于負向閥值（1/3Vcc），定時器翻轉為0，輸出低電平，集電極輸出端（7腳）對地導通，暫態(tài)階段結束。C通過7腳放電，使Vc值低于正向閥值（2/3Vcc），使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器恢復穩(wěn)態(tài)。d) 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應用舉例l 脈沖整形利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能產(chǎn)生一定寬度的脈沖這一特性，可以將過窄或過寬的輸入脈沖整形成固定寬度的脈沖輸出。 如所示的不規(guī)則輸入波形，經(jīng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器處理后，便可得到固定寬度、固定幅度，且上升、下降沿陡峭的規(guī)整矩形波輸出。l 脈沖定時若將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出Vo接至與門的一個輸入腳，與門的另一個輸入腳輸入高頻脈沖序列Vf。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在輸入負向窄脈沖到來時開始翻轉，與門開啟

11、，允許高頻脈沖序列通過與門從其輸出端VAND輸出。經(jīng)過tpo定時時間后，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器恢復穩(wěn)態(tài)，與門關閉，禁止高頻脈沖序列輸出。由此實現(xiàn)了高頻脈沖序列的定時選通功能。（2）多諧振蕩器a) 簡介多諧振蕩器是一種能產(chǎn)生矩形波的自激振蕩器，也稱矩形波發(fā)生器?！岸嘀C”指矩形波中除了基波成分外，還含有豐富的高次諧波成分。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。在工作時，電路的狀態(tài)在這兩個暫穩(wěn)態(tài)之間自動地交替變換，由此產(chǎn)生矩形波脈沖信號，常用作脈沖信號源及時序電路中的時鐘信號。b) 電路組成用555定時器構成的多諧振蕩器電路如圖所示：圖中電容C、電阻R1和R2作為振蕩器的定時元件，決定著輸出矩形波正、負脈沖的寬

12、度。定時器的觸發(fā)輸入端（2腳）和閥值輸入端（6腳）與電容相連；集電極開路輸出端（7腳）接R1、R2相連處，用以控制電容C的充、放電；外界控制輸入端（5腳）通過0.01uF電容接地。c) 工作原理電路接通電源的瞬間，由于電容C來不及充電，Vc=0v，所以555定時器狀態(tài)為1，輸出Vo為高電平。同時，集電極輸出端（7腳）對地斷開，電源Vcc對電容C充電，電路進入暫穩(wěn)態(tài)I，此后，電路周而復始地產(chǎn)生周期性的輸出脈沖。多諧振蕩器兩個暫穩(wěn)態(tài)的維持時間取決于RC充、放電回路的參數(shù)。暫穩(wěn)態(tài)的維持時間，即輸出Vo的正向脈沖寬度T10.7(R1+R2)C；暫穩(wěn)態(tài)的維持時間，即輸出Vo的負向脈沖寬度T20.7R2C

13、。因此，振蕩周期T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C，振蕩頻率f=1/T。正向脈沖寬度T1與振蕩周期T之比稱矩形波的占空比，由上述條件可得D=（R1+R2）/（R1+2R2），若使R2>>R1，則D1/2，即輸出信號的正負向脈沖寬度相等的矩形波（方波）。d) 應用l 模擬聲響發(fā)生器：將兩個多諧振蕩器連接起來，前一個振蕩器的輸出接到后一個振蕩器的復位端，后一個振蕩器的輸出接到揚聲器上。這樣，只有當前一個振蕩器輸出高電平時，才驅動后一個振蕩器振蕩,揚聲器發(fā)聲；而前一個振蕩器輸出低電平時，導致后面振蕩器復位并停止震蕩,此時揚聲器無音頻輸出。因此從揚聲器中聽到間歇式的"嗚.嗚

14、"聲響。l 電壓頻率轉換器：由555定時器構成的多諧振蕩器中，若定時器控制輸入端（5腳）不經(jīng)電容接地，而是外加一個可變的電壓源，則通過調節(jié)該電壓源的值，可以改變定時器觸發(fā)電位和閥值電位的大小。外加電壓越大，振蕩器輸出脈沖周期越大，即頻率越低；外加電壓越小，振蕩器輸出脈沖周期越小，即頻率越高。這樣，多諧振蕩器就實現(xiàn)了將輸入電壓大小轉換成輸出頻率高低的電壓頻率轉換器的功能。3.3. 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構成的觸摸開關電路設計在本電路中，觸摸開關并不直接用“通”、“斷”來控制電路，而是通過輸出高電平與低電平來控制電路。觸摸開關由555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構成，電路圖如下：輸出為3端（OUT），

15、平時處于復位狀態(tài)，輸出電平為低電平。當觸摸片受到觸摸時，人體感應的雜波信號加到低電平觸發(fā)端2端（TRI），電路置位，3端輸出高電平，電路被觸發(fā)進人暫態(tài)。暫態(tài)時間t=1.1R2 C4，暫態(tài)時間結束后，電路翻轉成穩(wěn)態(tài)，3端輸出低電平。3.4. 由多諧振蕩器構成的“叮咚”門鈴電路設計 “叮咚”門鈴設計的具體思路是利用555定時器的4端（復位端）控制是否輸出信號，前級電路輸入低電平，使4端為低電平時，555定時器輸出為0，前級電路輸入高電平，4端為高電平時，555定時器正常工作，輸出方波信號。另一方面，要利用不同回路造成的輸出不同的頻率來產(chǎn)生“叮咚”聲。具體過程如下：l 在前級觸摸開關沒有動作時候，D

16、2，C3，R4組成的支路兩端電壓為零（不考慮低電平電壓和二級管道通電壓），C3無法接通不進行充電，因而C3兩端的電壓為0，4端口（復位端）一直處于低電平，電路處于復位狀態(tài)，導致3端口輸出一直為0，揚聲器無法工作。而C2通過R1、R2進行充電，充滿電后，其電壓約為電源電壓5V。l 當前級觸摸開關輸出高電平，即門鈴電路輸入高電平時，電流流過二極管D2對C3經(jīng)行充電，其兩端電壓升高，4端口的電壓也開始逐漸升高。當C3端電壓上升為高電平時， 4端口輸入的是高電平，555定時器啟動， R1、R2和C2組成的多諧振蕩器開始工作，輸出頻率f1，相對較高。輸出端接的揚聲器發(fā)出“?！钡穆曇?。l 當前級輸出高電平

17、恢復為低電平時，D1截止，R4和C3組成回路，C3開始放電。同時R1、R2、R3和C2組成的多諧振蕩器開始工作，輸出頻率為f2，相對較低。當C3放電完畢的時候，4端口又恢復低電平，555定時器停止工作。輸出端的揚聲器發(fā)出“咚”的聲音。其中，f1= =715Hz;f2= =269.8Hz。3.5. 電路完整原理圖4. 將設計結果用multisim軟件進行仿真分析4.1. 觸摸開關的仿真分析將觸摸開關輸出端接在示波器兩端，開關J1連接觸摸片與地，用來代替觸摸片，開關閉合等價于人用手觸摸觸摸片。如下圖： 如上圖，在開關J1閉合以前，觸摸開關輸出低電平，J1閉合，即相當于觸摸觸摸片以后，輸出變?yōu)楦唠娖?/p>

18、，符合設計要求。4.2. “叮咚”門鈴電路的仿真分析 如上圖，前級輸入為低電平時（開關J1不閉合），門鈴電路輸出為0。前級輸入高電平時（開關J1閉合），輸出方波，頻率較高；前級輸入恢復為低電平時（開關J1再斷開），輸出仍然是方波，但頻率較低。符合設計要求。5. 組裝、焊接及調試5.1. 元件列表元件類型參數(shù)數(shù)量電阻5 k110 K133 K21 M1電容100uF210nF247uF1100nF1芯片NE5552二極管1N41484其他面包板，面包板專用插線，干電池四節(jié)，電池盒5.2. 組裝、焊接元件依照以下步驟焊接元件、組裝電路：（1）、準備好電烙鐵，剪刀、鑷子、鉗子、焊錫等工具。（2）、規(guī)

19、劃元件在電路板上的位置，注意元件的總體布局，兼顧美觀，開關、變阻器位置應便于用戶操作。（3）、在電路板上插好元件，開始組裝、焊接，逐步完成各個模塊到整個電路的焊接及連線。（4）、檢查原件引腳有沒有相互碰觸的地方，若有，應該把它們分開；檢查焊點，觀察有無虛焊點，對部分焊點進行修整。5.3. 調試電路完成電路焊接及連線以后，按照以下步驟調試電路：（1）、將觸摸開關電路中555定時器的輸出與地接在示波器輸入端，接通5V電源，用手觸摸觸摸開關，觀察示波器輸出波形的變化。若觸摸前，輸出低電平，觸摸后，輸出高電平，一段時間后恢復為低電平，則功能正常。（2）、將 “叮咚”門鈴電路555定時器的輸出端接在示波

20、器輸入端，用手觸摸觸摸片，觀察波形。若觸摸時出現(xiàn)周期較短的波形，觸摸后出現(xiàn)周期較長的波形，并持續(xù)一段時間，則門鈴功能正常。6. 將有公共接地的電源替換為干電池時出現(xiàn)的問題以及解決方法6.1. 將有公共接地的電源替換為干電池時出現(xiàn)的問題當電源為有公共接地的電源時，用戶手指碰到連接到電路公共接地的一個觸點，或由于手指進入鄰近電源線輻射的靜電場中而產(chǎn)生的一定頻率的交流電壓時，觸摸開關將產(chǎn)生動作。當將電源替換為干電池時，不再有公共接地。而人體是接地的，用手指觸摸觸摸片將不會引起觸摸開關的動作。6.2. 解決方法觸摸時，只要同時觸摸干電池組的負極以及觸摸片，就可以使得觸摸開關產(chǎn)生動作?？梢詫㈦姵刎摌O與觸摸片同時引出一根導線，并列放置在一起固定在一個絕緣片上，觸摸時同時觸摸兩根線