课程设计叮咚门铃试验说明书.doc

目 录
1．设计指标 2
2.设计方案及其比较 2
2.1 方案一 2
2.1.1原理图 2
2.1.2电路原理 2
2.1.3电路数据 3
2.1.4数据计算 3
2.1.5 调节数据 3
2.1.6元器件功能 4
2.2方案二 4
2.2.1原理图 4
2.2.2电路原理 5
2.2.3电路数据 5
2.2.4数据计算 5
2.3方案三 6
2.3.1电路原理图 6
2.3.2电路原理 6
2.3.3参数计算 7
2.3.4调节数据 7
2.4方案比较 7
3实现方案 8
3.1器件介绍 8
3.2原理图 11
3.3电路器件 11
3.4电路数据 11
3.5电路原理 11
3.6参数计算 12
3.7 调节数据 12
3.8元器件功能 12
3.9布线图 13
3.10思考题 13
4调试过程及结论 14
4.1调试过程 14
4.2 设计结论 14
5心得体会 14
6参考文献 16

叮咚门铃电路设计
1．设计指标
设计一个叮咚门铃电路，设一个按钮，按下按钮时发出门铃的较高频率“叮”声，松开按钮，发出较低频率的“咚”声。门铃叮咚声的声音频率和声音连续时间可调。正常人听力范围在20Hz~20230Hz，而1000Hz~5000Hz则是人耳最敏感的声音频率范围，因此，“叮咚”声最佳在这个范围内或者左右。“叮咚”两声频率规定差距比较大，声音连续时间规定适合。电路最佳能功耗低。
2.设计方案及其比较
2.1 方案一
2.1.1原理图

a. 方案一原理图
2.1.2电路原理
本电路是以一块NE555时基电路为核心组成的叮咚门铃。
NE555和R1、R2、R3、D1、D2、C2组成了一个多谐振荡器，SA是门上的叮咚门铃的按钮开关，在平日，按钮开关处在断开的状态，此时C2通过R2R3充电，C2处电压接近电源电压。由于D1D2的阻截，C1没法充电，因此C1处电压为零，使NE555的4端口一直处在低电平，而NE555的4接口是复位段，低电平使其复位，所以3端口输出为0，扬声器不响。
当闭合SA时，D1正向导通，通过R1向C1充电，C1处电压升高，NE555的4端为高电平，无法复位，于此同时，C2则通过R3向NE555的7端口放电，它们以及NE555和C3构成了一个多谐振荡器，此时f=1.44/(R+2R3)C2约等于1230Hz（R为D1D2的电阻，约为400欧）
松开SA时，已经充满电的C1开始放电，R2、R3、C2和NE555构成一个多谐振荡器，此时f=1.44/(R2+2R3)C2约等于680Hz
2.1.3电路数据
R1=10k ；R2=10k ;R3=5.6k ;R4=150 ;C1=100u ；C2=0.1u ；C3=0.01u ；VCC=4.5V
2.1.4数据计算
按下SA之后：
叮的频率f=1.44/(2R+2R3)*C2= 1230Hz (R为二极管导通后电压，约为150欧)
C2充电时间t11<C2*(R3+2R)= (5.9e-4)s （同上）
C2放电时间t12<C2*R3=(5.6e-4)s
由于叮间隔的间隔特别的小，人耳无法分辨出间断的叮声，所以人们听到的是连续的叮声
松开SA之后：
咚的频率f=1.44/（R2+2R3）*C2=680Hz
C2充电时间t11<C2*(R3+R2)=(1.56e-3)s
C2放电时间t12<C2*R3=(5.6e-4)s
C1放电时间t=C1*R1=1s
咚声连续的时间为:1s
2.1.5 调节数据
叮的频率：减小R、R3，频率变大，反之则变小；减小C2，频率变大，反之则变小
咚的频率:减小R2、R3，频率变大，反之则变小：减小C1，频率变大，反之则变小
咚声连续的时间：减小C1、R1，则连续时间变短，反之则变长
2.1.6元器件功能
R1：给C1充放电
R2：SA断开后，给C2充电
R3：给C2充放电
R4：限制电流，防止三极管被烧坏
C1：充放电控制NE555的4端口的，来控制扬声器的工作
C2：充放电来控制NE555，使其发出脉冲波
C3：滤波,防止干扰
D1、D2：防止闭合SA后，尚有电流流过C1使其充电
SA：开关按钮，控制“叮咚”声的开始和叮声的结束
VT：放大电流
扬声器：使其发出叮咚的声音
2.2方案二
2.2.1原理图

b. 方案二原理图
2.2.2电路原理
该叮咚电子门铃电路由触发控制电路、音频振荡器A,音频振荡器B和音频输出电路组成。
触发控制电路：由门铃按钮SA、二极管V D5、电容器C2和电阻器R1,R2组成
音频振荡器A：由四与非门集成电路IC (D1一D4)内部的D1, D2和电阻器R3、电容器C3组成
音频振荡器B：由IC内部的D3、D4和电位器RP,电容器C4组成
音频输出电路：由电阻器R4、R5、二极管VD6、V D7、晶体管V和扬声器BL组成。
平时，两个音频振荡器均不工作，扬声器BL不发声。当客人按下门铃按钮S时，C2快速放电，两个音频振荡器同时工作，产生的音频信号经VD6, VD7混合后通过V放大，驱动BL发出“叮”声。当客人松开S时，C2快速充电，音频振荡器A停止工作，音频振荡器B产生的音频信号经V放大后，推动BL发出“咚”声
2.2.3电路数据
R1=12k ;R2=12k ;R3=20k ;R4=100k ;R5=1k ;Rp=6k;C1=47u ;C2=0.022u ;C3=0.1u
2.2.4数据计算
按下SA后：
叮的频率:f=1/(2.2R3*C3)+1/(2.2Rp*C4)=1790.6Hz
松开SA之后：
咚的频率：f=1/(2.2Rp*C4)=757.6Hz
C1充电的时间：t=C1*R2=1.128s
咚声连续的时间为1.128s
2.3方案三
2.3.1电路原理图

c. 方案三原理图
2.3.2电路原理
SA是门上的按钮开关，在平日没有按下的时候，C1无法接通不进行充电，因而C1处的电压为0，NE555的4端口（复位端）一直处在低电平，导致3端口输出一直为0，扬声器无法工作。而C2通过R2、R3、R4进行充电，充满电后，其电压约为电源电压。
当按下SA时，当VCC的电流流过二极管对C1经行充电，其两端电压升高，4端口的电压也开始逐渐升高。同时C2开始对端口7进行放电，电容的电压下降，当其由VCC下降到2/3的VCC时，放电管导通，3端口输出为低电平，但当下降到1/3VCC时，放电管截止，C2则开始充电，3端口理应输出高电平，但是由于控制4端口的电容C1的电压还没有充好点，4端口依旧输出0使输出端口3强制输出0，扬声器不工作。当C1充好电之后，4端口为高电平，然后输出端3即可输出1，这时扬声器可以工作，发出“叮”的响声（其频率值在后面给出）（C2的充放电过程不断的反复进行）。
当松开SA时，VCC则不能通过二极管对C2充放电，只能通过R2、R3、R4充放电，由于电阻值的改变，使其频率发生改变，电阻变大，频率变低，发出“咚”的声响。与此同时，C1开始放电，当使其的电压不断下降，最终4端口输入为低电平，强制将其复位，扬声器不再工作。
2.3.3参数计算
按下SA之后：
叮的频率f=1.44/(R+R3+2R4)*C2=1000Hz (R为二极管导通后电阻，约为150欧)
C2充电时间t11<C2*(R3+R+R4)=0.001s
C2放电时间t12<C2*R4=(5.0*e-5)s
叮的时间间隔十分的小，因此人耳无法分辨间断的叮声，所以人听到的是连续的叮声
松开SA之后：
咚的频率f=1.44/（R2+R3+2R4）*C2=480Hz
C2充电时间t11<C2*(R3+R2+R4)=0.0025s
C2放电时间t12<C2*R4=0.0005s
C1放电时间t=C1*R1=2.209s
咚声连续的时间为:2.209s
可以通过调节C1和R1来选择咚的时间。
2.3.4调节数据
叮的频率：减小R、R3、R4，频率变大，反之则变小；减小C2，频率变大，反之则变小
咚的频率:减小R2、R3、R4，频率变大，反之则变小：减小C1，频率变大，反之则变小
咚声连续的时间：减小C1、R1，则连续时间变短，反之则变长
2.4方案比较
1.方案比较表

方案一
方案二
方案三
器件的数目
较少
多
较少
电路的功耗
较大
比较大
较少
布线的复杂限度
中档
复杂
中档
反映速度
比较快
较慢
不久
造价
较便宜
高
便宜
总结：综上比较方案三从各方面经行比较是很不错的选择，因此将方案三定为实现方案
3实现方案
3.1器件介绍
NE555的介绍
555定期器是一种将模拟功能和逻辑功能结合在同一块芯片上的集成电路，8脚封装。
最初由美国SIGNETICS公司在1972推出投放市场,不久得到广泛应用，也由于应用广泛，许多其它公司也推出了功能同样的类似型号。
此芯片内使用了3个精度较高的5K分压电阻，型号由此而得名。
NE555是双极性器件的集成电路，内含2个555电路的型号为NE556，为14脚。另有CMOS工艺的7555和7556。
NE555电压使用范围为4.5V - 18V.7555则为3V - 15V。
NE555时基电路重要有3种基本应用
1．多谐振荡器
2．单稳态触发器
3．RS触发器

4. NE555的内部结构

5．NE555的管脚分布图

2. NE555的工作表
输 出
阈值输入(VI1)
不变
不变
1
导通
0
1
截止
1
1
导通
0
0
×
×
输出(VO)
复位(RD)
触发输入(VI2)
输 入
放电管T

v
2

3

V
CC

1

3

V
CC

v
C

0

t
1

tPL
tPH
t
2

6. 工作曲线图

3.2原理图

7． 实现方案原理图
3.3电路器件
电阻4个、电容4个、直流电源、按钮开关、扬声器、二极管2个
3.4电路数据
R1=47k ;R2=30k ;R3=10k ;R4=10k ;C1=47u ；C2=0.05u ;C3=50u ;VCC=6V
3.5电路原理
SA是门上的按钮开关，在平日没有按下的时候，C1无法接通不进行充电，因而C1处的电压为0，NE555的4端口（复位端）一直处在低电平，导致3端口输出一直为0，扬声器无法工作。而C2通过R2、R3、R4进行充电，充满电后，其电压约为电源电压。
当按下SA时，当VCC的电流流过二极管对C1经行充电，其两端电压升高，4端口的电压也开始逐渐升高。同时C2开始对端口7进行放电，电容的电压下降，当其由VCC下降到2/3的VCC时，放电管导通，3端口输出为低电平，但当下降到1/3VCC时，放电管截止，C2则开始充电，3端口理应输出高电平，但是由于控制4端口的电容C1的电压还没有充好点，4端口依旧输出0使输出端口3强制输出0，扬声器不工作。当C1充好电之后，4端口为高电平，然后输出端3即可输出1，这时扬声器可以工作，发出“叮”的响声（其频率值在后面给出）（C2的充放电过程不断的反复进行）。
当松开SA时，VCC则不能通过二极管对C2充放电，只能通过R2、R3、R4充放电，由于电阻值的改变，使其频率发生改变，电阻变大，频率变低，发出“咚”的声响。与此同时，C1开始放电，当使其的电压不断下降，最终4端口输入为低电平，强制将其复位，扬声器不再工作。
3.6参数计算
按下SA之后：
叮的频率f=1.44/(R+R3+2R4)*C2=1000Hz (R为二极管导通后电压，约为150欧)
C2充电时间t11<C2*(R3+R+R4)=0.001s （同上）
C2放电时间t12<C2*R4=(5.0*e-5)s
叮的时间间隔十分的小，因此人耳无法分辨间断的叮声，所以人听到的是连续的叮声
松开SA之后：
咚的频率f=1.44/（R2+R3+2R4）*C2=480Hz
C2充电时间t11<C2*(R3+R2+R4)=0.0025s
C2放电时间t12<C2*R4=0.0005s
C1放电时间t=C1*R1=2.209s
咚声连续的时间为:2.209s
3.7 调节数据
叮的频率：减小R、R3、R4，频率变大，反之则变小；减小C2，频率变大，反之则变小
咚的频率:减小R2、R3、R4，频率变大，反之则变小：减小C1，频率变大，反之则变小
咚声连续的时间：减小C1、R1，则连续时间变短，反之则变长
3.8元器件功能
R1：给C1充放电
R2：SA断开后，给C2充电
R3：给C2充电
R4：给C2充放电
C1：充放电控制NE555的4端口的，来控制扬声器的工作
C2：充放电来控制NE555，使其发出脉冲波
C3：滤波,防止干扰
C4：滤波，使扬声器接受到稳定的脉冲波
D1、D2：防止闭合SA后，尚有电流流过C1使其充电
SA：开关按钮，控制“叮咚”声的开始和叮声的结束
扬声器：发出叮咚声的设备
NE555：作为多谐振荡器，发出脉冲波
3.9布线图

8. 实现方案布线图
3.10思考题
能否用其它芯片实现本设计功能，假如能，给出电路原理图并分析其工作原理？
答：可见我的方案二，就是用74LS00芯片做的振荡器，来实现叮咚门铃的功能。
4调试过程及结论
4.1调试过程
在整个调试过程，我们没有出现太大的问题，整体来说是十分顺利的。
一方面，我们连接好电路之后，我们就先用万用表将电路的各个之路经行测试，检查有没有短路或者断路，检查的方法就是将万用表调到欧姆挡，测试各支路的短路。在经行这一步测试时，我们就发现我们的问题，就是中间少了一根线将NE555的7端口和有3个电阻的那条支路相连，这导致，我们检查7端口的支路电阻时，万用表的显示屏上呈现的是无穷大的标志，立马，我们就着手检查电路，发现了问题，并将其解决掉。
然后，我们接通了电源，按下了开关，很顺利的，第一次接电源就听到了“叮咚”的声响，这个让我们很欣慰。但是，我们也发现了我们电路的问题，就是由于叮咚声的频率比较的接近，导致和现实生活中，大家认定的叮咚声有一定的出入。为了让叮咚声更加的悦耳动听，我们决定更换电阻大小，将叮的频率提高。问题也就出来了，由于实验室的电阻大小有限，并没有适合大小的电阻给我们经行挑选，于是，我们自己就讲电阻相并联，得到较小的阻值的电阻。最终将叮咚声调到了适合的频率。调试最终结束。
4.2 设计结论
设计应当从各方面入手对于设计电路进行考虑，多设计几种方案进行比较，选择出最适合的方案或者讲多种方案好的地方经行结合，得到最终的实现方案。在实现方案的过程中，要进行全面的考察和调试，得到最完美的电路。
5心得体会
学习这个专业已经2年了，一直以来就想设计使用的东西。之前一直认为自己学习的东西没办法派上实际用途，而这次的课程设计真的让我体会到了设计的快乐。
这次课程设计历时二个星期左右，通过这两个星期的学习，发现了自己的很多局限性，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺少，理论联系实际的能力还急需提高。
这次，我设计的是叮咚门铃电路，叮咚门铃是我们平常生活中最常见的电路，但是讲其实际化对于我这种初等的设计者还是有一定的难度的。一方面我看到这个题目，我就开始收集大量的资料，涉及555芯片的原理，各种多谐振荡器，以及人的听力范围等等与课程设计相关的各类知识，我了解了好多我之前不知道或者没注意的知识以及消息，我相信这也是对我的一种提高啊，至少扩展了我的知识库。
收集完资料后，就着手开始设计。针对这次的设计，我设计出来了3种方案，两种是NE555的，另一种我换成了两个与非门组成的多频振荡器。对于这次的电路设计，设计得还是比较顺利的，但是将其实现又是对我们的此外一种规定。一方面是对于元器件的选择，这是我之前设计电路从未考虑过的东西，而现在已经规定我将关注力投向它们。从芯片的规格到功耗到造价，我一一的着手弄清楚，相信这也是对我能力的一种提高。然后，我将收集出来的各种信息经行整合，尽力设计出最完美的方案。
到了连接电路的阶段。由于我在网上查询到的不合理信息，导致我的布线十分的困难（网上说面包板的连接只是测试电路是否对的，因而不能剪断器件的引脚,器件的引脚过长遮住了相称一部分的面包板上的孔）。当时布线的时候十分的困难，想尽一切办法的布线，尽量不跳线。当时，假如我给负责老师打个电话进行询问下，应当就不会出现这样的问题，这是我寻求解决问题方法思维的一种问题，有待我去改善。最后，即使布线很困难，我还是讲面包板连好，并且没有出现跳线的问题。
在测试电路的阶段，一开始我们拿着万用表经行测量，结果发现有个别我们漏接的线。还好我们并没有直接就和电源相连，否则就有也许出现短路讲器件烧坏的情况发生，而是一开始就一根根的检查。就是由于这样，我们第一次测试其功能就成功了。然后，我们需要改善的，只是改变相应的电容以及电路的大小来拟定叮咚声的频率以及声音连续的时间。整个过程还算是十分顺利的。
在离开实验室之前，我们又接响电路，重温那个让我十分激动的“叮咚”声，不提这次的课设带给我多大的能力的提高，最关键的一点是，它让我体会到了设计的快乐。
6参考文献
【1】 张健.数字电路逻辑设计.科学出版社.2023
【2】 谢自美.电子线路设计·实验·测试（第三版）.华中科技大学出版设.2023年8月
【3】 王公望.现代电子电路应用基础.西安电子科技大学出版社.2023年6月
【4】 高广任.现代数字电路与逻辑设计解题及教学参考.清华大学出版社.2023年11月