地震报警器-模电课程设计-大学论文.doc

模拟电子技术课程设计-地震报警器摘 要从中国的汶川地震到海地地震再到今年雅安的地震，似乎地球进入了“地震年”，地震的到来总让人措手不及，造成了巨大的人员伤亡和不可预计的经济损失。在这种社会条件下，报警品应运而生。19世纪兴起的数字电路以其先天的便捷、稳定的优点在现代电子技术电路中占有越来越重要的地位，这对地震报警器的研制带来了极大的福音。数字电路与模拟电路相比有显而易见的稳定性。近年来，数字电路又有了巨大的发展。可编程逻辑器件（PAL、GAL等）的发展和普及最终使IC的设计面向了用户（这是模拟电路无法做到的），而这毫无疑问会给用户带来巨大的便捷，从而奠定它在电子电路中的对位。随着集成技术的进一步提高，各种新技术的出现和应用，人类历史横跨数码时代向更进一步发展已出现在各大型相关企业的宏伟蓝图中。新世纪里谁掌握了新技术谁就得到了获胜的资本，也仅仅是资本而矣。新世纪里电子行业的发展速度令人窒息，闻名的摩尔定律更把许多人威吓在门外。可以展望，一个由数字构成的新世界即将出现。那将是人类文明的又一飞跃。关键词：数字电路；可编程逻辑器件；单稳态触发电路；多谐振荡电路；20目录第一章 总体方案的设计31.1 方案论证与对比31.1.1 方案一31.1.2 方案二31.1.3方案总结41.2系统的总设计框图41.2.1 设计框图的介绍41.2.2 设计框图的工作流程5第二章 各芯片介绍62.1 NE555工作原理及电路图62.2 NE555构成的单稳态触发器82.3 NE555构成的多谐振荡电路11第三章 各单元电路的设计133.1单稳态触发器133.2多谐振荡器133.3报警电路13第四章 电路仿真14第五章 安装与调试165.1调试仪器165.2调试方法和过程165.3调试所遇问题及问题的解决：165.4测量结果17总结与心得18参考文献19【附录1】：元件清单20第一章 总体方案的设计1.1 方案论证与对比1.1.1 方案一 用开关闭合模拟地震震动信号，接地后触发一个NE555芯片构成单稳态触发器，驱动蜂鸣器和发光二极管工作，为防止电压过大，串联一个电阻分压，但是单稳态触发器是低电平触发，时间比较短暂，报警不明显，不易觉察，不予采用。 图1.1.1单稳态触发地震报警器1.1.2 方案二 在方案一的基础上增加多谐振荡器，再输出到报警部分两端，驱动其工作，仍然采用串联一个电阻，使得蜂鸣器正常工作，但电阻不宜过大，否则就不起作用，电路虽然增加元件，但是电路并不变得复杂，也比较经济。开关代替震动信号单稳态触发 器多谐振荡器报警电路 图1.1.2系统框图1.1.3方案总结 通过电路的多方面的比较，最终选择了方案二。1.2系统的总设计框图1.2.1 设计框图的介绍 系统的总的设计框图如图1.2.1所示。图1.2.1系统的总的设计框图1.2.2 设计框图的工作流程接通电源后，按下开关，定时器开始工作，引起蜂鸣器报警。第二章 各芯片介绍2.1 NE555工作原理及电路图 NE555是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。NE555的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。NE555时基电路有两种封装形式，一是dip双列直插8脚封装，另一种是sop-8小型（SMD）封装形式。其他HA17555、LM555、CA555分属不 同的公司生产的产品。内部结构和工作原理都相同。 NE555的内部结构可等效成23个晶体三极管.17个电阻.两个二极管.组成了比较器.RS触发器.等多组单元电路.特别是由三只精度较高5k电阻构成了一个电阻分压器.为上.下比较器提供基准电压.所以称之为555.NE555属于CMOS工艺制造. NE555引脚图介绍如下:1地 GND 2触发 3输出 4复位 5控制电压 6门限(阈值）7放电 8电源电压 应用十分广泛.下面是一个简单的NE555电路 图2.1.1 NE555内部结构图 图2.1.2 NE555外部引脚图NE555时基集成芯片的电路结构和芯片引脚图如图3.2所示。它的内部电路由分压器、两个电压比较器、简单SR锁存器、一个放电三级管T及缓冲器G组成，比较器的参考电压由三只5K的电阻构成的分压器提供。分压器分别使高电平比较器的同相输入端和低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为和。、C2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号从6脚输入并超过参考电平时，触发器复位，555的输出3脚为低电平，同时放电开关管导通。当输入信号从2脚输入并低于时，基本RS触发器置位，555的输出为高电平，同时放电开关管截止。 4脚是复位脚，当为低电平时，555输出低电平。平时4脚开路或接。5脚是外加控制电压输入端，当5脚外接一个输入电压时，则改变比较器的参考电压，不接外加电压时，5脚通常接一个0.01uF的电容到地，用来消除外来的干扰，以确保参考电平稳定。是放电管，当导通时，为放电端7脚提供低阻抗放电通路。555定时器主要通过电阻R和电容C构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。利用它可以构成从微秒到数十分钟的延时电路、单稳态触发电路、多谐振荡器、施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路。综合上述分析，可得NE555定时器功能表，如表表2.1所示 表2.1 555定时器功能表 输入输出阀值输入（）触发输入（）复位()输出()放电管0111010不变导通截止导通不变2.2 NE555构成的单稳态触发器用555定时器构成的单稳态触发器如图2.2.1所示，图2.2.2为其简化图。将555定时器的2号脚作为外触发信号的输入端，将THR输入端与放电三极管的放电端DISC连在一起，并接在RC回路中的端。 图2.2.1 用555定时器组成的单稳态触发器 图2.2.2由NE555构成的单稳态触发器简化电路单稳态触发器的外触发信号的有效电平为低电平，如果没有触发信号，处于高电平（）。这时，放点三极管导通约为0，即时，如果此时输入的触发已消失，回到高电平，则RS触发器将被置0，输出返回=0状态，同时变为导通状态，电容通过迅速放电，直到约等于0，电路自动恢复到稳态，。在输入触发信号作用下，和相应的电压波形如图2.2.3所示： 图2.2.3 由NE555构成的单稳态触发器工作波形图单稳态触发器的脉冲宽度为 通过改变改变、C的大小,可以使脉冲宽度在一定的时间内变化，因此可以得到不同的定时时间和延迟时间。2.3 NE555构成的多谐振荡电路用555定时器构成的多谐振荡器电路如图3.3.1所示。接通电源后，电容C被充电，当上升到时，使为低电平，同时放电，三极管T导通，此时电容C通过和T放电，下降。当下降到时，翻转为高电平。电容C放电所需的时间为 图2.3.1 由NE555构成的多谐振荡器 当放电结束时，T截止，通过、向电容C充电，由上升到所需时间为 当上升到时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。电路的工作波形如图3.3.2，其震荡频率为图2.3.2 由NE555构成的多谐振荡器工作波形图由于555定时器内部的比较器灵敏度较高。而且采用差分电路形式，用555定时器组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。电路的且占空比固定不变。第三章 各单元电路的设计3.1单稳态触发器 单稳态触发器有一个稳态和暂态。正常工作时，若未加入负脉冲，即vi保持高电平，则单稳态触发器的输出vo一定是低电平。由于是低电平触发，所以时间比较短暂，可以实现一段时间的报警。有开关闭合模拟地震的震动，通过接地来触发单稳态触发器。3.2多谐振荡器 多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。在工作时，电路的状态在这两个暂稳态之间自动的交替变换。由此产生矩形波脉冲信号，使得报警器可以持续反复的报警。3.3报警电路此部分由蜂鸣器和发光二极管组成，其中发光二极管和蜂鸣器为串联，发光二极管在导通状态下电阻约等于0，故可以串联。 第四章 电路仿真 经过各单元电路的设计以后，原理图基本上己经完整了，现在对电路图进行仿真调试，本仿真是在multisim软件上仿真。根据以下原理图析，可把电路分为以下四个模块，且各模块的的功能介绍和相互之间连接原理如下。第一模块：是开关控制部分。利用开关代替地震震动信号，当开关闭合时，代表地震震动信号到达，通过单稳态触发器和多谐振荡器作用后，产生高低电平，使得LED灯闪烁，蜂鸣器发出响声。第二模块：是单稳态触发器部分。主要由555-VIRTUAL定时器、两个电容和一个电阻组成。它的2号引脚应接开关，来模拟地震发生的情况。3号应接下一个LMC555CM定时器的4号的端口。第三部分：是多谐振荡器部分。主要由LMC555CM定时器、两个电阻、两个电容组成。LMC555CM定时器的2、6号端口应接在一起，在接到电容，完成电容充放电的线路。4号端口低电平有效，接到上个定时器的3号输出端口，作为控制信号，来实现蜂鸣器的报警。3号输出端直接在LED上。当有高电平的时候，驱动其发光。第三部分：是报警电路部分。主要由LED灯和蜂鸣器组成。LMC555CM定时器的3号端口输出的是高电平的时候，LED灯亮，蜂鸣器发出声音报警。图4.1.1 电路仿真图示波器波形图如下图4.1.2所示。图4.1.2示波器波形图第五章 安装与调试5.1调试仪器DT9202 数字万用表1个5V直流稳压电源1个 示波器 1个5.2调试方法和过程 电路板做好后即可进行调试步骤如下：（1）首先观察电路有无断点或可疑点，若有则用电烙铁进行焊接。在本次实验所印电路没有断线。腐朽过程还是做的比较好的。（2）用万用表测试所有线路，确保都为正常电路；（3）调节电源为6伏，用万用表测试电压，保证电压正常能够使芯片工作；（4）先不插芯片，将电源正确的接在电路的正负两端，此时绿灯亮，测量芯片的工作电压是否正常，测试为5.89V，能使芯片工作正常；（5）正确插上芯片，合上开关，看是否报警，报警为发声及发光，如果没有信号指示证明电路没有工作，从前面开始检测电路，用示波器检测555是否产生振荡，确保在每部分电路都工作的情况下在测试，没有现象证明灵敏度不够，开始改变电阻的阻值，直到电路能够正常工作；（6）在确保电路连接正确的情况下，按设计的方案验证实现的功能。5.3调试所遇问题及问题的解决： 1.当没有报警的时候，首先怀疑芯片坏掉了，不能工作，特别是555，很容易被烧坏； 2.调试时电源接通，没有报警，开始怀疑是555没有工作，被烧坏了，但是检测后发现前面几部分电路都工作正常，蜂鸣器、发光二极管单独测试也都正常，但是报警电路不工作，两端电阻为0，可能是由于刚开始测试的时候万用表的表笔接触使短路，以上两种情况只能更换元件； 3.前面做过的声控报警电路不合理，始终没调试出来，分析原因如下： a. 参数不对，虽然都是用的单稳态和多谐振电路，但是前面的电路不能使这两部分电路触发工作，不能触发单稳态工作，导致后面电路不能正常触发，选择正确参数的电阻、电容。 c.电容使用不当，造成自激，造成接通电源就会报警，但是不是正常的报警，声音不大，频率不对，像是噪声在驱动报警电路工作,经验证在不影响电路稳定及正常工作的情况下去掉多余电容就能使放大部分正常工作。5.4测量结果经测量计算，从工作电压可以看出，555工作在正常状态，当没有没有合上开关时电路不工作，当开关合上时，电路立即工作，并且能够按照预想的状态报警，表明电路调试成功。总结与心得经过大家一星期的努力，地震报警器的课程设计终于圆满地落下帷幕。虽然大二了，但这是我们第一次接触课程设计，前面的都只是一些实习而已，并没有亲手实践的经历。所以我们必须从设计要求、设计原理、安装multisim仿真软件并进行仿真、整理整个课程设计说明书都亲力亲为。体会到了有问题时的郁闷和纠结，但也尝到了努力过后获得成功的那份兴奋和喜悦。总之是获益匪浅啊！在此过程中，我们把课程设计要求仔细地研读了一遍，知道此次的设计目的基础上，便开始疯狂地查阅资料，包括网上的和图书馆借的书，偶尔也翻看模拟电子技术基础课本，小组成员聚在一起讨论讨论，基本上掌握了地震报警器的设计原理，这个阶段花的时间和精力蛮多的，俗话说：“万事开头难”。只有打好地基，才能开始接下来的事情。因为我们电脑上都没有仿真软件，所以还必须先安装multisim 11.0 的软件，安装过程还是挺顺利的，先从网上下载那个软件，然后对照着安装步骤一步步的来，我们每个人都装好了。再接下来就是仿真了。对于这个阶段，我最大的感受就是好事多磨，因为我们困惑不断，总是仿真不出正确的结果，心情上可以说是濒临崩溃，但是我们没有放弃，而是反复地纠错，一个元件、一个芯片的检查，找不到问题出在哪，就会引来一阵躁动，找到了又会非常激动和欢快。有时大家会就一个问题产生争议，但还是尊重真理，不存在任何的不满和不屑，而只有满心的佩服。 真是人多力量大，在大家的齐心协力的配合下，终于仿真成功了，这是最关键的一步最后就是写课程设计说明书了，前面的设计原理整理好后，我们把仿真得到的结果截下来，包括电路仿真的部分和示波器的部分。实践是检验真理的唯一标准，通过此次课程设计也很好地证实了这一点。我们不仅对模拟电子技术、地震报警器、放置各种元器件、仿真有了更深刻的理解，而且体会到团队合作的乐趣和重要性。还有最重要的一点就是：做任何事都要有耐心，不能轻易言弃，只有坚持不懈的努力才能换来成功！ 同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。某个人的离群都可能导致导致整项工作的失败。实习中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。而这次实习也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。 对我们而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次实习必将成为我们人生旅途上一个非常美好的回忆！ 参考文献 1张克农.数字电子技术.高等教育出版社.第一版.2006年 2彭介华.电子技术课程设计指导.高等教育出版社出版.第一版.1997年 3曾建唐.电工电子基础实践教程.机械工业出版社.2002年 4康光华.电子技术基础.高等教育出版社.第四版.1999年 5赵志刚.Protel DXP实用教程.清华大学出版社.北京交通大学出版社.第一版.2004年 6童诗白、何金茂.电子技术基础试题汇编.北京：高等教育出版社，1992年 7朱正涌.半导体集成电路.北京：清华大学出版社，2001年 8冯民昌.模拟集成电路原理与应用.广州：华南理工大学出版社，1995年 9王远.模拟电子技术.北京：机械工业出版社，1994年 10谢嘉奎.电子线路第四版.北京：高等教育出版社，1999年 【附录1】：元件清单符号型号 参数数量备注NE555NE555P2RRes2 100K1RRes2 200K1RRes2 47K1RRes2 10K1RRes2 101C 105 1uF2C103 0.01uF2