多路防盗报警器设计数字电路课程设计

• 设计任务与要求
  

                 摘     要

近年来，随着改革开放的深入发展，人民的生活水平有了很大提高。各种高档家电产品和贵重物品为许多家庭所拥有，并且人们手中特别是城市居民的积蓄也十分可观。因此，越来越多的居民家庭对财产安全问题十分关心。目前，许多家庭使用了较为安全的防盗门，如果再设计和生产一种价廉、性能灵敏可靠的防盗报警器用于居民家中，必将在防盗和保证财产安全方面发挥更加有效的作用。此外，一些仓库的防盗工作也日益严峻，仅用人来值守的年代已经不复存在，需要一种无人值守全自动的防盗方式。为此，提出“多路防盗报警器”的设计任务。

我设计的6路防盗报警器的优点在于其实用，价廉和简单。

关键词: 价廉，报警器，防盗

第一章  设计任务与要求

1.1、设计任务

设计一种防盗报警器，适用于仓库、等地防盗报警

1.2、功能要求

（1）防盗路数可根据需要任意设定。

（2）在同一地点（值班室）可监视多处的安全情况，一旦出现偷盗，用指示灯显示相应的地点，并通过扬声器发出报警声响。

（3）设置不间断电源，当电网停电时，备用直流电源自动转换供电。

（4）本报警器可用于医院住院病人有线“呼叫”。

1.3、设计本报警器所需的直流稳压电源

第二章  总体方案设计

2.1、方案选择与论证

防盗报警器的关键部分是报警控制电路，由控制电路控制声、光报警信号的产生。下面列出两种方案：

方案一：采用运算放大器进行控制。运算放大器可将由传感器获得的微弱信号进行放大，从而使电路发出声、光等报警信号。正常情况下，运算放大器不工作，直到有信号时才工作，将信号放大后送入NE555时基电路和阻容组件组成音调振荡器，输出音频信号使扬声器发声报警。传感器可采用压力传感器。实现方法，可将压力传感器装在门或窗户等处。

              此方案需要使用运算放大器，使电路变得复杂。而且，目前市场上很难买到运算放大器。此外，运算放大器的价格比普通组件都要贵，这也增加了设计成本。

方案二：采用三极管与可控硅进行控制，无偷盗情况时，使三极管处在截止状态，则被控器的声、光信号产生电路不工作；一旦有偷盗情况，立即使三极管导通，被控器的声、光信号产生电路产生声、光报警信号，呼叫值班人员采取相应措施。电网正常供电时，通过电源变压器降压后经整流、滤波及稳压得报警器所需直流电压，为防止电网停电，在控制器的输入端设置有备用直流电源，保证报警器在停电时能持续正常工作。

              与方案一相比，方案二有着明显的优点。主要在于其电路简单，更实用，设计成本也比较低。市场上也有好多类似的报警器产品。此次课程设计，我采用的正是第二种方案。

2.2、报警器的原理框图如图2-1所示。

图2-1 多路防盗报警器原理框图

   （1）控制电路由三极管3DG12、电阻R1,R2,R3和可控硅SCR1共同组成，如图2-2所示。电源电压12V通过R2给三极管3DG12提供基极直流偏置，初始状态下，开关S1断开。三极管基极无电流，三极管发射极没有偏置电压，使三极管处于截止状态。此时，可控硅的控制极上无信号或者紧有微小的信号，可控硅不能导通。正常情况下，可控硅的T1、T2极间有正向偏压，但不导通。一旦开关S1被触碰，将使整个电路导通，由于有电解电容，三极管导通前，电路先给三极管充电，直到三极管基极具有足够的电压使三极管发射极正偏，电压应高于0.7V。可控硅即晶闸管导通后，使报警电路工作，发出声、光报警信号。

图2-2 控制电路

（2）电网电压通过电源变压器降压后，经整流桥整流，电容器滤波，三端集成稳压器稳压后供给控制电路，同时将备用直流电源通过二极管并入控制电路的输入端。电网电压正常供电时，二极管截止，一旦电网停电，二极管导通，备用电源自动供电。

（3）指示灯采用灯泡显示，控制电路输出信号使其发光。显示器可按不同设防地点进行编号。采用NE555时基电路和阻容组件组成音调振荡器，控制器输出信号

2.3、总体电路图

图2-3 总体电路图

本多路报警器为6路防盗报警器，每一路有相同的电路结构，控制电路也相同，均由可控硅控制。由总体电路图可看出，此6路防盗报警器电路总共有三个基本组成单元。分别是：电源电路、控制电路、报警声产生电路。

第三章  单元电路设计及说明

3.1、电源电路设计及说明

3.1.1 电源电路设计方案

本设计是6路防盗报警器，各路电路结构完全相同，共享一个直流稳压电源。为了降低设计成本，减少功耗，故采用12V直流稳压电源供电。在电网正常供电情况下，可直接将家庭电路中的220V交变电压通过变压器降压、整流桥整流、电容滤波和三端集成稳压器稳压后得到12V直流电压，可充当直流稳压电源使用。在电网停止供电时，即家庭停电时，备用直流电源直接开始工作，这样就实现了电源供电的连续性。通过利用二极管的正向导通特性，将12V直流电源并入电路中，电网供电情况下，二极管没有正向偏压，不能导通，由电路直接为报警电路供电。当电网停电时，二极管便获得正向偏压，因而能够导通。备用12V直流电源或电池组开始工作。

3.1.2 电源电路图

图3-1 电源电路

3.1.3 电源电路相关说明

除去备用直流电源的电源电路，我刚在实习中使用过，并且完成了安装与测试。家庭电路中的220V经过变压器降压后变为交流15V，再使用由四个相同型号整流二极管组成的整流电路整流，而后又经电解电容C7与瓷片电容滤波后得到20V的直流电压。然后再用型号为78L12国际上普遍使用的12V三端集成稳压块稳压，通过稳压即可得到比较理想的12V直流电压。三端集成稳压块之后电路上又并联了容量为47nF的瓷片电容与容量较大的电解电容将低于12V少量电压放大，除此之外，C10与C8还有保护电路的作用。即当电网断电瞬间，电容上仍然充满了电荷，电容开始放电，等到电容两端的电压小于11.3V时，二极管D7便开始导通，备用直流电源开始工作。三端稳压块采用国际上较常用的78L12，可以稳12V的直流电压。

3.2、控制电路设计及说明

3.2.1 控制电路设计方案

本多路报警器要控制的电路有6路。在电路中起到控制声、光报警信号产生的作用。控制电路有多种设计方法，也可以用多钟元件实现，但我选择较简单的三极管与可控硅，使电路简单化，也使之易于实现。可控硅的导通前提条件是有正向偏压，然后如果控制极上有一个高于阴极的电压信号，该可控硅便导通。其外，可控硅的一个重要特点是，一旦导通后，就可以维持导通状态，与控制极不再有关系。可利用可控硅的这种特性与三极管的导通条件设计控制电路。可将接触式开关串在三极管的基极上，正常情况下，开关断开，三极管基极上没有电压，仅有集电极直接与电源相连。要使三极管能正常工作，应先调节三极管的静态工作点，使其工作在放大区。这样，三极管导通后才能将基极上微小的电流放大后送到发射极。在发射极上串联一个较大的电阻，这样一来，在三极管导通后，发射极上电阻能获得较大的电势差，然后将其加到可控硅的控制极与阴极上，可控硅就可迅速导通。另外，考虑到接触式开关防盗应用中，开关不可能合上以后就不再断开。一般情况下，接触式开关只是短暂的闭合。为了延长电路的工作时间，可在三极管的基极与地之间并联一个电解电容，用于延迟电路导通和延续电路的导通状态。

3.2.2 控制电路图

图3-2 控制电路图

3.2.3 控制电路相关说明

控制电路是整个多路防盗报警器电路中的核心。起着控制声、光报警信号产生的作用。如图3-2，可控硅的右侧是声光报警信号的输入端，由图可看出，只要可控硅导通，声光报警信号便可发出。控制电路的右侧是产生报警光信号的电路，其电路也极其简单，只需将一个较大的电阻与灯泡串联后接到电源上。图中，D1也有重大的作用，产生报警声信号电路只有通过D1然后再通过可控硅，才能正常产生报警声信号。要使二极管D1导通，需要其有正向偏压。要达到此目的，需使 R4阻值较大及使灯泡有一个较大的功率，使二极管的阴极电位较低。此控制电路中，三极管静态工作点的调试也比较重要，电路导通时应使三极管工作在放大区。

3.3、报警声产生电路

3.3.1 报警声产生电路设计方案

   首先考虑使用555时基集成电路，不仅是因为其使用广泛，它也有其独特的作用。 使用555时基集成电路之前还需了解其内部结构与工作过程。

555时基电路的工作过程：当2脚，即比较器A2的反相输入端加进电位低于⅓VDD的触发信号时，则VT9、VTll导通，给双稳态触发器中的VTl4提供一偏流，使VTl4饱和导通，它的饱和压降Vces使VTl5的基极处于低电平，使VTl5截止，VTl7饱和，从而使 VTl8截止，VTl9导通，VT20完全饱和导通，VT21截止。因此，输出端3脚输出高电平。此时，不管6端(阈值电压)为何种电平，由于双稳态触发器(VTl4-VTl7)中的4．7kΩ电阻的正反馈作用(VTl5的基极电流是通过该电阻提供的)，3脚输出高电平状态一直保持到6脚出现高于⅓VDD 的电平为止。当触发信号消失后，即比较器A2反相输入端2脚的电位高于⅓VDD，则VT9、VTll截止，VTl4因无偏流而截止，此时若6脚无触发输入，则VTl7的Vces饱和压降通过4.7kΩ电阻维持VTl3截止，使VTl7饱和稳态不变，故输出端3脚仍维持高电平。同时，VTl8的截止使 VT6也截止。当触发信号加到6脚时，且电位高于⅔VDD时，则VTl、VT2、VT3都导通。此时，若2脚无外加触发信号使VT9、VTl4截止，则 VT3的集电极电流供给VTl5偏流，使该级饱和导通，导致VTl7截止，进而VTl8导通，VTl9、VT2都截止，VT21饱和导通，故3脚输出低电平。当6脚的触发信号消失后，即该脚电位降至低于⅔VDD时，则VTl、VT2、VT3皆截止，使VTl5得不到偏流。此时，若2脚仍无触发信号，则 VTl5通过4.7kΩ电阻得到偏流，使VTl5维持饱和导通，VTl7截止的稳态，使3脚输出端维持在低电平状态。同时，VTl8的导通，使放电级 VT6饱和导通。通过上面两种状态的分析，可以发现：只要2脚的电位低于⅓VDD，即有触发信号加入时，必使输出端3脚为高电平；而当6脚的电位高于 ⅔VDD时，即有触发信号加进时，且同时2脚的电位高于⅓VDD时，才能使输出端3脚有低电平输出。4脚为复位端。当在该脚加有触发信号，即其电位低于导通的饱和压降0.3V时，VT8导通，其发射极电位低于lV，因有D3接入，VTl7为截止状态，VTl8、VT21饱和导通，输出端3脚为低电平。此时，不管2脚、6脚为何电位，均不能改变这种状态。因VT8的发射极通过D3及VTl7的发射极到地，故VT8的发射极电位任何情况下不会比1.4V电压高。因此，当复位端4脚电位高于1.4V时，VT8处于反偏状态而不起作用，也就是说，此时输出端3脚的电平只取决于2脚、6脚的电位。
    显然，555电路内含两个比较器A1和A2、一个触发器、一个驱动器和一个放电晶体管。两个比较器分别被电阻R1、R2和R3构成的分压器设定的⅔VDD和⅓VDD。参考电压所限定。为进一步理解其电路功能，并灵活应用555集成块，下面简要说明其作用机理。从图3-3可见，三个5kΩ电阻组成的分压器，使内部的两个比较器构成一个电平触发器，上触发电平为⅔VDD，下触发电平为⅓VDD。在5脚控制端外接一个参考电源Vc，可以改变上、下触发电平值。比较器Al的输出同或非门l的输入端相接，比较器A2 的输出端接到或非门2的输入端。由于由两个或非门组成的RS触发器必须用负极极性信号触发，因此，加到比较器Al同相端6脚的触发信号，只有当电位高于反相端5脚的电位时，R—S触发器才翻转；而加到比较器A2反相端2脚的触发信号，只有当电位低于A2同相端的电位⅓VDD时，R—S触发器才翻转。
    通过上面对等效功能电路和CA555时基电路的内部等效电路的分析，可得出555各功能端的真值表。
               

图3-3 555时基电路接成单稳态触发器

引脚   2         6         4           3          7
电平 ≤⅓ VDD     *       1.4V       高电平      悬空状态
电平 <⅓ VDD    ≥⅔ VDD   1.4V       低电平     低电平
电平 <⅓ VDD    >⅔ VDD    1.4V       保持电平    保持
电平  *          *         0.3V       低电平      低电平

    由表可看出，S、R、MR的输入不一定是逻辑电平，可以是模拟电平。因此，该  集成电路兼有模拟和数字电路的特色。

一般的报警声不是连续的声音，应该是间断的有高有底的声音。实现方法是用RC振荡电路产生振荡信号，然后送入555时基集成电路，再由3脚输出振荡信号。考虑到不应有负信号，故需在555集成电路的3脚上接一个整流二极管。通过整流后还应用电解电容滤掉直流信号，这样报警声的效果会更好。但是，仅由555时基集成电路3脚输出在经整流隔直的振荡信号很小，不能直接驱动扬声器发出报警声。故需在输出端增加一个放大电路单元。放大电路选用两级放大，提高增益，使输出端得到较高的振荡信号，并能驱动扬声器，产生报警信号。

3.3.2 报警声产生电路图

图3-4 报警声产生电路

3.3.3 报警声产生电路图相关说明

    图3-4中，I点为电源输入端，为整个报警声产生电路供电。G点为接地端，如果G端能正常接地，整个报警声产生电路将接通，振荡信号便能驱动扬声器发出报警声。控制电路正是利用控制G端来达到控制整个报警声产生电路的目的。即将G点输出信号通过二极管接到可控硅的阳极，这样一来，可控硅就控制了整个报警声产生电路。在I点与G点之间，555时基集成电路与R25、R26、C11共同组成无稳态多谐振荡器。振荡频率 f=1.44/(R25+2R26)C11,振荡频率为668Hz。在555之后，12V直流电源保证输出级放大电路能正常工作。R27用一个较大的电阻使三极管工作在放大区。T7为硅材料NPN型高频中功率管，T8为锗材料PNP型低频小功率管。两个晶体三极管构成两级放大电路。

3.4 单元电路间的连接方法

电源电路主要作用是为整个电路提供持续不断的12V直流电源供应，以保证有偷盗情况时电路能正常产生报警信号。电源电路输出端直接连接至控制电路与报警声信号产生电路的输入端。控制电路通过可控硅连接报警光信号与报警声信号产生电路，并控制报警声、光信号的产生。报警声信号产生电路与控制电路之间又连一个二极管，然后才连到可控硅的阳极上。

第四章  电路参数计算

4.1 电源电路参数计算

组成整流桥的四个整流二极管型号相同。每个二极管的耐压值为：

    平均电流为：

经过滤波后的电路电压为：

=21V(

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2017-3-31 03:17 上传

V)

时间常数：

  ，

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二极管D7耐压值为:12V

4.2 控制电路参数计算

   由于各路电路相同，各路的电路参数也相同。

   以第一路为例，取R1=43kΩ,R2=180Ω,三极管为高频小功率管。

   三极管静态工作点的计算：

指示灯泡的额定电压为8V,额定电流为0.15A,额定功率为

则R4阻值为：

可控硅的正向电流大于0.15A

二极管D1阴极的电位为0.7V

4.3 报警声产生电路参数

R25、R26、C11与555构成音调振荡电路，振荡频率为：

f=1.44/(R25+2R26)C11,振荡频率为668Hz

    三极管T7的静态工作点计算：

      

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                  实验总结

经过一周左右的课程设计终于要画上一个完美的句号。回味这个过程，确实充满着酸甜苦辣。设计的过程并非一帆风顺，遇到了许多困难，但我选择迎难而上，这也正是勇者的姿态。通过一周的课程设计，我学到了许多，这让我拥有了一次运用我所学模电知识的机会。

在课程设计开始前，我总觉得设计多路防盗报警器对我来说是太难了。我也曾多次以此为借口，推延设计的开始时间。直到我听说，有人已经快要完成时，我才变得紧张起来。迫于压力与我对自己的自信，我还是开始设计了。

在课程设计开始阶段，遇到的问题比较多。通过查找资料，我开始渐渐了解防盗报警器电路的原理，设计方法及应用。防盗报警器的种类繁多，技术含量与复杂程度也各不相同。我通过了解了各种类型的报警器电路的原理，然后开始考虑自己应该设计何种类型的报警器。据课题要求，应该是设计一种开路式报警器。这也是众多报警器中比较简单的一种。考虑到我所学的知识有限，难以设计复杂的报警器电路，最终决定设计通过可控硅与三极管控制的报警器电路。

在设计过程中，我参考了网上的一些报警器电路及其他资料。通过设计、查找资料，我了解了一些以前未学过的元件。如可控硅、555时基集成电路与扬声器。在画原理图时，也花了好大的功夫，有些元件符号是自己设计的。我也收获很多，我更熟练的掌握使用DXP绘制原理图的方法。重要的是我初步学会了设计电子电路的方法与技巧，这对我而言，确实是大有裨益的。我相信有这次设计作基础，我以后会设计出更好的电子电路。

                 参考文献

[1]. 康华光主编.《电子技术基础》模拟部分（第五版），高等教育出版社。

[2]. 王涛主编.  《电工电子工艺实习》实验教程，山东大学出版社。

[3]. 韩亚萍主编.《Protel DXP基础教程》，清华大学出版社。

[4]. 赵春云、曹经稳、赵春强主编.《常用电子元器件及应用电路手册》，电子     工业出版社。

[5]. 黄继昌主编.《电子元器件应用手册》，人民邮电出版社。

[6]. 杨宝清、宋文贵主编.《实用电路手册》，机械工业出版社。

附录：电路元件的选择

此6路防盗报警器电路中所用的各种元件信息如下表：

说明：电阻均选用碳膜电阻器，电阻的大小及色标在上表中均已注明，可直接到市场上购买到。6只电位器选用普通的，可用起子直接调节其阻值。普通电容均选用瓷片电容，在电容表面都标有标号。标号在上表中也已注明。电解电容容值都已知到，选购时，可选耐压值为35V的电解电容，也可选择耐压值更高的。二极管型号大多相同，为N型硅材料小信号管。三极管T1——T7选用硅材料NPN型高频小功率管。而三极管T8选用锗材料PNP型低频小功率管。可控硅选用普通反向阻断型，1A耐压100V,正向管压降0.4V-1.2V.指示灯的型号为XZ8-0.15，额定电压为8V，额定电流为0.15A，寿命为1500小时，既环保又节能。变压器为15V变压器，有三个短线，较常见。此多路报警器电路中所用元件在市场都能买到，且价格大多比较便宜。