觸摸式“叮咚”門(mén)鈴的設(shè)計(jì)報(bào)告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)觸摸式“叮咚”門(mén)鈴的設(shè)計(jì) 自我評(píng)定：優(yōu)目錄27.設(shè)計(jì)體會(huì)18觸摸式“叮咚”門(mén)鈴的設(shè)計(jì)1. 設(shè)計(jì)目的、內(nèi)容與步驟1.1. 設(shè)計(jì)目的（1）、 學(xué)習(xí)基本理論在實(shí)踐中綜合運(yùn)用的初步經(jīng)驗(yàn)，掌握模擬電路與數(shù)字電路設(shè)計(jì)的基本方法、設(shè)計(jì)步驟，培養(yǎng)綜合設(shè)計(jì)與調(diào)試能力。（2）、 學(xué)會(huì)555定時(shí)器的設(shè)計(jì)方法和性能指標(biāo)測(cè)試方法。（3）、 培養(yǎng)實(shí)踐技能，提高分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。1.2. 設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)觸摸式“叮咚”門(mén)鈴，要求完成以下主要技術(shù)指標(biāo)：（1）、 觸摸開(kāi)關(guān)有足夠的靈敏度與穩(wěn)定性；（2）、 “?！甭暸c“咚”聲頻率要求差距比較大，且兩種頻率聲音的過(guò)渡過(guò)程自然、悅耳；（3

2、）、 “咚”聲在觸摸動(dòng)作完成后應(yīng)持續(xù)幾秒鐘；（4）、 電路功耗低。1.3. 設(shè)計(jì)步驟（1）、 查閱有關(guān)資料，完成總體設(shè)計(jì)框圖（2）、 完成設(shè)計(jì)框圖各個(gè)部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)，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(jìn)行仿真。（4）、 統(tǒng)計(jì)所有元器件的參數(shù)和數(shù)量，購(gòu)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(shí)物制作。（6）、 調(diào)試電路，根據(jù)需要調(diào)節(jié)元件參數(shù)，必要時(shí)，替換個(gè)別元件。2. 總體設(shè)計(jì) 該直流穩(wěn)壓電源主要由兩部分組成：觸摸開(kāi)關(guān)電路、“叮咚”門(mén)鈴電路。（1）觸摸開(kāi)關(guān)電路：人體觸摸時(shí)觸摸開(kāi)關(guān)輸出高電平，觸摸前以及觸摸

3、后為低電平。（2）“叮咚”門(mén)鈴電路：輸入端沒(méi)有動(dòng)作時(shí)，輸出端為低電平，故輸出端的揚(yáng)聲器沒(méi)有聲音。當(dāng)輸入端輸入高電平時(shí)，輸出方波，頻率較高；輸入端由高電平變?yōu)榈碗娖胶?，輸出信?hào)可以維持一段時(shí)間，且頻率較低。多諧振蕩器構(gòu)成的“叮咚”門(mén)鈴電路觸摸片本次設(shè)計(jì)采用555定時(shí)器構(gòu)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(gòu)成的觸摸開(kāi)關(guān)3. 詳細(xì)設(shè)計(jì)3.1. NE555的結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)（1）NE555的結(jié)構(gòu)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(diǎn))-又叫低電平觸發(fā)端。這個(gè)腳位是觸發(fā)NE555使其啟動(dòng)它的時(shí)間周期。觸發(fā)信號(hào)上緣電壓須大于2/3 VCC

4、，下緣須低于1/3 VCC 。 Pin 3 (輸出)-當(dāng)時(shí)間周期開(kāi)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(jié)束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時(shí)的最大輸出電流大約200 mA 。 Pin 4 (重置)-一個(gè)低邏輯電位送至這個(gè)腳位時(shí)會(huì)重置和使輸出回到一個(gè)低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。 Pin 5 (控制)-這個(gè)接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當(dāng)經(jīng)營(yíng)在穩(wěn)定或振蕩的運(yùn)作方式下,這輸入能用來(lái)改變或調(diào)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(dāng)這個(gè)接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時(shí)啟動(dòng)這個(gè)動(dòng)

5、作。 Pin 7 (放電)-這個(gè)接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當(dāng)輸出為ON時(shí)為L(zhǎng)OW，對(duì)地為低阻抗，當(dāng)輸出為OFF時(shí)為HIGH，對(duì)地為高阻抗。 Pin 8 (V +)-這是555個(gè)計(jì)時(shí)器IC的正電源電壓端。供應(yīng)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(fù)位(RD)輸出(VO)放電管T××00導(dǎo)通11截止× 1 0 導(dǎo)通 1 不變 不變555定時(shí)器功能表（2）NE555的性能特點(diǎn)a) 只需簡(jiǎn)單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時(shí)作用。其延時(shí)范圍極廣，可由幾微秒至幾小時(shí)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(dòng)多種自動(dòng)控制的負(fù)載。 d) 它的計(jì)時(shí)精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價(jià)格便宜。3.2. 由NE555構(gòu)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(yīng)用于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（Monostable Mutlivibrator）及無(wú)穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（Astable Multivibrator）。（1）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器a) 簡(jiǎn)介l 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，一個(gè)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(gè)穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。

7、 l 由于電路中RC延時(shí)環(huán)節(jié)的作用，該暫態(tài)維持一段時(shí)間又回到原來(lái)的穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)維持的時(shí)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(shí)元件，它們的連接點(diǎn)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(gòu)成輸入回路的微分環(huán)節(jié)，用以使輸入信號(hào)Vi的負(fù)脈沖寬度tpi限制在允許的范圍內(nèi)，一般tpi>5RiCi，通過(guò)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(hào)的負(fù)脈沖寬度tpi本來(lái)就小于tpo，則微分環(huán)節(jié)可省略。 定時(shí)器復(fù)位輸入端（4腳）接高電平，控制輸入端V

8、m通過(guò)0.01uF接地，定時(shí)器輸出端Vo（3腳）作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的單穩(wěn)信號(hào)輸出端。c) 工作原理當(dāng)輸入Vi保持高電平時(shí)，Ci相當(dāng)于斷開(kāi)。輸入Vi'由于Ri的存在而為高電平Vcc。此時(shí)，若定時(shí)器原始狀態(tài)為0，則集電極輸出（7腳）導(dǎo)通接地，使電容C放電、Vc=0，即輸入6腳的信號(hào)低于2/3Vcc，此時(shí)定時(shí)器維持0不變。 若定時(shí)器原始狀態(tài)為1，則集電極輸出（7腳）對(duì)地?cái)嚅_(kāi)，Vcc經(jīng)R向C充電，使Vc電位升高，待Vc值高于2/3Vcc時(shí)，定時(shí)器翻轉(zhuǎn)為0態(tài)。 結(jié)論：?jiǎn)畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器正常工作時(shí)，若未加輸入負(fù)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(guò)程分為下面三個(gè)

9、階段來(lái)分析，下圖為其工作波形圖：觸發(fā)翻轉(zhuǎn)階段： 輸入負(fù)脈沖Vi到來(lái)時(shí)，下降沿經(jīng)RiCi微分環(huán)節(jié)在Vi'端產(chǎn)生下跳負(fù)向尖脈沖，其值低于負(fù)向閥值（1/3Vcc）。由于穩(wěn)態(tài)時(shí)Vc低于正向閥值（2/3Vcc），固定時(shí)器翻轉(zhuǎn)為1，輸出Vo為高電平，集電極輸出對(duì)地?cái)嚅_(kāi)，此時(shí)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)入暫穩(wěn)狀態(tài)。 暫態(tài)維持階段： 由于集電極開(kāi)路輸出端（7腳）對(duì)地?cái)嚅_(kāi)，Vcc通過(guò)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(kāi)始到Vc值到達(dá)正向閥值（2/3Vcc）之前的這段時(shí)間就是暫態(tài)維持時(shí)間tpo 。 返回恢復(fù)階段： 當(dāng)C充電使Vc值高于正向閥值(2/3Vcc）時(shí)，由于Vi'端負(fù)向尖脈沖已消失

10、，Vi'值高于負(fù)向閥值（1/3Vcc），定時(shí)器翻轉(zhuǎn)為0，輸出低電平，集電極輸出端（7腳）對(duì)地導(dǎo)通，暫態(tài)階段結(jié)束。C通過(guò)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(fù)穩(wěn)態(tài)。d) 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)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(guò)窄或過(guò)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(shí)若將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出Vo接至與門(mén)的一個(gè)輸入腳，與門(mén)的另一個(gè)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(fù)向窄脈沖到來(lái)時(shí)開(kāi)始翻轉(zhuǎn)，與門(mén)開(kāi)啟

11、，允許高頻脈沖序列通過(guò)與門(mén)從其輸出端VAND輸出。經(jīng)過(guò)tpo定時(shí)時(shí)間后，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，與門(mén)關(guān)閉，禁止高頻脈沖序列輸出。由此實(shí)現(xiàn)了高頻脈沖序列的定時(shí)選通功能。（2）多諧振蕩器a) 簡(jiǎn)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(méi)有穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。在工作時(shí)，電路的狀態(tài)在這兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間自動(dòng)地交替變換，由此產(chǎn)生矩形波脈沖信號(hào)，常用作脈沖信號(hào)源及時(shí)序電路中的時(shí)鐘信號(hào)。b) 電路組成用555定時(shí)器構(gòu)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(shí)元件，決定著輸出矩形波正、負(fù)脈沖的寬

12、度。定時(shí)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(kāi)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(guò)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(lái)不及充電，Vc=0v，所以555定時(shí)器狀態(tài)為1，輸出Vo為高電平。同時(shí)，集電極輸出端（7腳）對(duì)地?cái)嚅_(kāi)，電源Vcc對(duì)電容C充電，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)I，此后，電路周而復(fù)始地產(chǎn)生周期性的輸出脈沖。多諧振蕩器兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間取決于RC充、放電回路的參數(shù)。暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)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(shí)間，即輸出Vo的負(fù)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(hào)的正負(fù)向脈沖寬度相等的矩形波（方波）。d) 應(yīng)用l 模擬聲響發(fā)生器：將兩個(gè)多諧振蕩器連接起來(lái)，前一個(gè)振蕩器的輸出接到后一個(gè)振蕩器的復(fù)位端，后一個(gè)振蕩器的輸出接到揚(yáng)聲器上。這樣，只有當(dāng)前一個(gè)振蕩器輸出高電平時(shí)，才驅(qū)動(dòng)后一個(gè)振蕩器振蕩,揚(yáng)聲器發(fā)聲；而前一個(gè)振蕩器輸出低電平時(shí)，導(dǎo)致后面振蕩器復(fù)位并停止震蕩,此時(shí)揚(yáng)聲器無(wú)音頻輸出。因此從揚(yáng)聲器中聽(tīng)到間歇式的"嗚.嗚

14、"聲響。l 電壓頻率轉(zhuǎn)換器：由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器中，若定時(shí)器控制輸入端（5腳）不經(jīng)電容接地，而是外加一個(gè)可變的電壓源，則通過(guò)調(diào)節(jié)該電壓源的值，可以改變定時(shí)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(shí)現(xiàn)了將輸入電壓大小轉(zhuǎn)換成輸出頻率高低的電壓頻率轉(zhuǎn)換器的功能。3.3. 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成的觸摸開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)在本電路中，觸摸開(kāi)關(guān)并不直接用“通”、“斷”來(lái)控制電路，而是通過(guò)輸出高電平與低電平來(lái)控制電路。觸摸開(kāi)關(guān)由555定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成，電路圖如下：輸出為3端（OUT），

15、平時(shí)處于復(fù)位狀態(tài)，輸出電平為低電平。當(dāng)觸摸片受到觸摸時(shí)，人體感應(yīng)的雜波信號(hào)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(jìn)人暫態(tài)。暫態(tài)時(shí)間t=1.1R2 C4，暫態(tài)時(shí)間結(jié)束后，電路翻轉(zhuǎn)成穩(wěn)態(tài)，3端輸出低電平。3.4. 由多諧振蕩器構(gòu)成的“叮咚”門(mén)鈴電路設(shè)計(jì) “叮咚”門(mén)鈴設(shè)計(jì)的具體思路是利用555定時(shí)器的4端（復(fù)位端）控制是否輸出信號(hào)，前級(jí)電路輸入低電平，使4端為低電平時(shí)，555定時(shí)器輸出為0，前級(jí)電路輸入高電平，4端為高電平時(shí)，555定時(shí)器正常工作，輸出方波信號(hào)。另一方面，要利用不同回路造成的輸出不同的頻率來(lái)產(chǎn)生“叮咚”聲。具體過(guò)程如下：l 在前級(jí)觸摸開(kāi)關(guān)沒(méi)有動(dòng)作時(shí)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(jí)管道通電壓），C3無(wú)法接通不進(jìn)行充電，因而C3兩端的電壓為0，4端口（復(fù)位端）一直處于低電平，電路處于復(fù)位狀態(tài)，導(dǎo)致3端口輸出一直為0，揚(yáng)聲器無(wú)法工作。而C2通過(guò)R1、R2進(jìn)行充電，充滿電后，其電壓約為電源電壓5V。l 當(dāng)前級(jí)觸摸開(kāi)關(guān)輸出高電平，即門(mén)鈴電路輸入高電平時(shí)，電流流過(guò)二極管D2對(duì)C3經(jīng)行充電，其兩端電壓升高，4端口的電壓也開(kāi)始逐漸升高。當(dāng)C3端電壓上升為高電平時(shí)， 4端口輸入的是高電平，555定時(shí)器啟動(dòng)， R1、R2和C2組成的多諧振蕩器開(kāi)始工作，輸出頻率f1，相對(duì)較高。輸出端接的揚(yáng)聲器發(fā)出“?！钡穆曇簟 當(dāng)前級(jí)輸出高電平

17、恢復(fù)為低電平時(shí)，D1截止，R4和C3組成回路，C3開(kāi)始放電。同時(shí)R1、R2、R3和C2組成的多諧振蕩器開(kāi)始工作，輸出頻率為f2，相對(duì)較低。當(dāng)C3放電完畢的時(shí)候，4端口又恢復(fù)低電平，555定時(shí)器停止工作。輸出端的揚(yáng)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(shè)計(jì)結(jié)果用multisim軟件進(jìn)行仿真分析4.1. 觸摸開(kāi)關(guān)的仿真分析將觸摸開(kāi)關(guān)輸出端接在示波器兩端，開(kāi)關(guān)J1連接觸摸片與地，用來(lái)代替觸摸片，開(kāi)關(guān)閉合等價(jià)于人用手觸摸觸摸片。如下圖： 如上圖，在開(kāi)關(guān)J1閉合以前，觸摸開(kāi)關(guān)輸出低電平，J1閉合，即相當(dāng)于觸摸觸摸片以后，輸出變?yōu)楦唠娖?/p>

18、，符合設(shè)計(jì)要求。4.2. “叮咚”門(mén)鈴電路的仿真分析 如上圖，前級(jí)輸入為低電平時(shí)（開(kāi)關(guān)J1不閉合），門(mén)鈴電路輸出為0。前級(jí)輸入高電平時(shí)（開(kāi)關(guān)J1閉合），輸出方波，頻率較高；前級(jí)輸入恢復(fù)為低電平時(shí)（開(kāi)關(guān)J1再斷開(kāi)），輸出仍然是方波，但頻率較低。符合設(shè)計(jì)要求。5. 組裝、焊接及調(diào)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(zhǔn)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(kāi)關(guān)、變阻器位置應(yīng)便于用戶操作。（3）、在電路板上插好元件，開(kāi)始組裝、焊接，逐步完成各個(gè)模塊到整個(gè)電路的焊接及連線。（4）、檢查原件引腳有沒(méi)有相互碰觸的地方，若有，應(yīng)該把它們分開(kāi)；檢查焊點(diǎn)，觀察有無(wú)虛焊點(diǎn)，對(duì)部分焊點(diǎn)進(jìn)行修整。5.3. 調(diào)試電路完成電路焊接及連線以后，按照以下步驟調(diào)試電路：（1）、將觸摸開(kāi)關(guān)電路中555定時(shí)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(kāi)關(guān)，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(shí)間后恢復(fù)為低電平，則功能正常。（2）、將 “叮咚”門(mén)鈴電路555定時(shí)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(shí)出現(xiàn)周期較短的波形，觸摸后出現(xiàn)周期較長(zhǎng)的波形，并持續(xù)一段時(shí)間，則門(mén)鈴功能正常。6. 將有公共接地的電源替換為干電池時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)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(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題當(dāng)電源為有公共接地的電源時(shí)，用戶手指碰到連接到電路公共接地的一個(gè)觸點(diǎn)，或由于手指進(jìn)入鄰近電源線輻射的靜電場(chǎng)中而產(chǎn)生的一定頻率的交流電壓時(shí)，觸摸開(kāi)關(guān)將產(chǎn)生動(dòng)作。當(dāng)將電源替換為干電池時(shí)，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(huì)引起觸摸開(kāi)關(guān)的動(dòng)作。6.2. 解決方法觸摸時(shí)，只要同時(shí)觸摸干電池組的負(fù)極以及觸摸片，就可以使得觸摸開(kāi)關(guān)產(chǎn)生動(dòng)作?？梢詫㈦姵刎?fù)極與觸摸片同時(shí)引出一根導(dǎo)線，并列放置在一起固定在一個(gè)絕緣片上，觸摸時(shí)同時(shí)觸摸兩根線