课程设计---电子音乐门铃

电子技术课程设计(论文)

题目电子音乐门铃设计

学院名称电气工程学院

2012年1月11日

《电子技术课程设计》任务书

1．课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：

1、设计任务与要求

1、按一下按键，门铃开始响奏音乐

2、门铃的音乐至少有两种频率

3、主人来开门时门铃需要关断

4、放大器输出功率W P O 1 ；

5、音阶基本准确、结构简单；

2、基本原理

集成数字闹钟一般由微分电路、RS 电路、振荡电路、时序电路、音乐以及放大电路组成，其基本逻辑框图如下所示：

图一、电子音乐门铃逻辑框图

3、参考资料

[1]何小艇等编.电子系统设计.浙江大学出版社.2000年

[2]郑家龙、王小海、章安元编.集成电子基础教程.高教出版社，2002年5月

[3]童诗白、徐振英编.现代电子学及应用.高等教育出版社.1994年 [4] 陈永甫编著.新编555集成电路应用800例.电子工业出版社.2000年

放大器

逻辑电路 按键 音乐电路

2．对课程设计成果的要求〔包括图表（或实物）等硬件要求〕：

(1)按一下按键，电子音乐门铃奏响主旋律乐曲；

(2)门打开的时候电子音乐门铃停止乐曲；

(3)如果门在音乐在奏响一段时间没有人开时，能够自行关断；

(4)音阶的频率可调；

(5)音乐长度也可调。

3．主要参考文献：

要求按国标GB 7714—87《文后参考文献著录规则》书写。

4．课程设计工作进度计划：

起迄日期工作内容

序

号

主指导教

日期：年月日

师

目录

引言 (5)

1. 课程设计思路 (5)

2. 课程设计原理 (5)

1. RC微分电路 (7)

1.1 RC串联电路 (7)

1.2 RC并联电路 (7)

1.3 RC串并联电路 (8)

2. 基本RS 触发器 (9)

2.1电路结构 (9)

2.2工作原理 (9)

2.3 RS触发器的特点 (10)

3. 多谐振荡器 (12)

3.1 多谐振荡器的基本组成： (12)

3.2 由CMOS门电路组成的多谐振荡器 (13)

3.3 工作原理 (13)

4. 时序分配器 CD4017 十进制计数/分配器 (17)

4.1 CD4017工作原理 (17)

4.3 CD4017真值表及时序图 (18)

附录 (22)

引言

1. 课程设计思路

本设计通过开关来开通声音，通过改变音符振荡器中的滑动变阻器阻值使输出的音乐不同，以告知家人开门。若家人来开门，则此时弹簧开关闭锁，声音停止。若家中无人开门，则由电路提供音乐，实现电子音乐门路的功能，最后关断。

2. 课程设计原理

音乐电子门铃的电路如图所示。它主要由触发电路、双稳态触发器、多谐振荡器、时序分配器及乐曲电路等组成。

与非门1、2组成RS 触发器，S1为门铃按钮触发开关。干簧管J 和永久磁铁组成开门触发开关。与非门3、4组成多谐振荡器，向IC2提供时钟信号。IC2是一块十进制计数/分配器CD4017，用于时序分配和控制音乐电路的工作。 接通电源的瞬间，由C2、R3微分电路形成的脉冲触发RS 触发器，使与非门2输出高电平，该高电平作用于与非门3的输入端，使振荡电路因闭锁而停振。与此同时，C4、R6微分电路使IC2的R 端清零，IC2的Q0端输出高电平，Q1---Q9端均为低电平，并通过EN 端锁定在此状态。

当按动S1时，RS 触发器被触发，发生翻转，与非门2输出低电平，IC2和振荡电路的锁定状态被解除，此时，振荡器的脉冲输入给IC2的CP 端，IC2开始计数，其输出端Q1---Q9 生信号给音乐振荡电路产生音乐信号经VT1和VT2的放

RS 触发器 多谐振荡器

时序分配器

乐曲电路 微分电路 输出音乐

大，推动扬声器发出音乐声。PR1~PR3为可调变阻器与电容C7构成振荡电路，通过改变变阻器值的大小发出不同频率的音乐信号，此电路发出的声音为“叮咚、叮咚”两声，中间有个延迟时间。由于振荡电路产生信号的周期为6---15秒（通过改变PR5和C3的值的大小可以改变周期的大小），因此，若主人在家，就会在演奏完的曲子之前开门。若主人不在家，提示音响完后，振荡周期信号截止，CD4017停止工作。

当主人听到来客的音乐声开门时，固定在门框上的干簧管J受触发吸合一次，使C1、R1构成的微分电路对RS触发器进行触发并使其翻转，与非门2又输出高电平，使IC2和振荡器闭锁，同时，通过C4、R6使IC2复位，使PR1~PR3因断电而终止音乐。

虽然干簧管J在关门中可能会对RS产生触发，但开门的触发与关门的触发均为同一端，而稳定后经R1、R2、R3的分压仍会使与非门1的输入端为低电平，故不按动S1，RS触发器不会发生翻转，平时的开门、关门均不会引起门铃的作用。

音乐门铃电路图

1. RC微分电路

1.1 RC串联电路

组成：由一个电阻R1和一个电容C1串联组成。

R1 C1

RC串联电路具有纯电阻串联和纯电容串联电路综合起来的特征。

RC串联电路的阻抗特性曲线中只有一个转折频率。X轴方向为频率，Y轴方向为这一串联电路的阻抗。

当输入信号频率f>f0时，整个RC串联电路总的阻抗不变，其大小等于R1的阻值，这是因为输入信号频率高到一定程度后，电容C1的容抗小到几乎为零的过程，这样对C1的容抗可以忽略不计，而电阻R1的阻值是不随频率变化而变化的，所以此时无论频率是否在变化，总的阻抗不变，等于R1的阻值。

RC串联电路转折频率f0由下列公式决定：f0=1/（2ПR1C1），从式中可以看出，当电容C1的容量取得较大时，转折频率f0很小。

1.2 RC并联电路

RC并联电路由一个电阻R1和一个电容C1相并联，这一电路可以接在直流电路中，也可以接在交流电路中。接在直流电路中时，直流电流只能流过电阻R1而不能流过电容C1，这一电路接在交流电路中时R1和C1中都流过交流电流，具体电流大小要视R1、C1容抗的相对大学而定。

R1

C1

输入信号频率ff0时，由于电容C1的容抗随频率的升高而下降，此时C1的容抗小到可以与R1比较，这样就要考虑C1的存在。

RC 并联电路的转折频率由下列公式决定：f0=1/（2ПR1C1），这一转折频率公式与串联电路一样。

1.3 RC 串并联电路

这是一种RC 串并联电路，R2与C1并联之后与R1再串联。这一RC 串

并联电路中，电路设计时要求R2的阻值大于R1。R1和R2支路中能够流过直流电流。

R1 C1

R2（R2阻值大于R1）

2. 基本RS 触发器

2.1电路结构

把两个与非门G1、G2的输入、输出端交叉连接，即可构成基本RS 触发器，其逻辑电路如图所示。它有两个输入端R 、S 和两个输出端Q 、Q 非。

2.2工作原理

1.当R 端无效(1)，S 端有效时(0)，则Q=1,Q 非=0,触发器置1。

2.当R 端有效(0)、S 端无效时(1)，则Q=0,Q 非=1,触发器置0。

当触发器的两个输入端加入不同逻辑电平时，它的两个输出端Q 和Q 有两种互补的稳定状态。一般规定触发器Q 端的状态作为触发器的状态。通常称触发器处于某种状态，实际是指它的Q 端的状态。Q=1、Q 非=0时，称触发器处于1态，反之触发器处于0态。S=0,R=1使触发器置1，或称置位。因置位的决定条件是S=0,故称S 端为置1端。R=0,S=1时，使触发器置0，或称复位。 同理，称R 端为置0端或复位端。若触发器原来为1态，欲使之变为0态，必须令R 端的电平由1变0，S 端的电平由0变1。这里所加的输入信号（低电平）称为触发信号，由它们导致的转换过程称为翻转。由于这里的触发信号是电平,因此这种触发器称为电平控制触发器。从功能方面看，它只能在S 和R 的作用下置0和置1，所以又称为置0置1触发器，或称为置位复位触发器。其逻辑符号如图7.2.1(b)所示。由于置0或置1都是触发信号低电平有效，因此，S 端和R 端都画有小圆圈。

&

&

S

R

Q

Q

3.当RS 端均无效时，触发器状态保持不变。

触发器保持状态时，输入端都加非有效电平（高电平），需要触发翻转时，要求在某一输入端加一负脉冲，例如在S 端加负脉冲使触发器置1，该脉冲信号回到高电平后，触发器仍维持1状态不变，相当于把S 端某一时刻的电平信号存储起来，这体现了触发器具有记忆功能。 4.当RS 端均有效时，触发器状态不确定

在此条件下，两个与非门的输出端Q 和Q 全为1，在两个输入信号都同时撤去（回到1）后，由于两个与非门的延迟时间无法确定，触发器的状态不能确定是1还是0,因此称这种情况为不定状态，这种情况应当避免。从另外一个角度来说，正因为R 端和S 端完成置0、置1都是低电平有效，所以二者不能同时为0。 5．RS 触发器真值表，状态转换图如图

真值表

时序图

2.3 RS 触发器的特点

基本RS 触发器具有置位、复位和保持（记忆）的功能；

1 1 1 0 0 1 Q n

0 0 1 1 0 1 1

Q n+1 Q n+1

S R 0 Q

n Q

S R

Q

基本RS触发器的触发信号是低电平有效，属于电平触发方式；

基本RS触发器存在约束条件（R+S=1），由于两个与非门的延迟时间无法确定；当R=S=0时，将导致下一状态的不确定。

当输入信号发生变化时，输出即刻就会发生相应的变化，即抗干扰性能较差。

3. 多谐振荡器

3.1 多谐振荡器的基本组成：

开关器件：产生高、低电平

反馈延迟环节（RC电路）：利用RC电路的充放电特性实现延时，输出电压经延时后,反馈到开关器件输入端，改变电路的输出状态,以获得所脉冲波形输出。

R C延时环节

开

关

电

路

3.2 由CMOS 门电路组成的多谐振荡器

1. 电路组成

υo1与υo2反相,电容接在υo 与υI 之间: υo1 =1, υo =0 时,电容充电, υI 增加; υo1 =0, υo =1 时,电容放电, υI 下降;

3.3 工作原理

1 1

v I

v O1 v O

C

R

G 1 G 2

v I

D 1

D 2

T P

T N

v O

R C

D 4

D 3

T P

T N

v O

G 1

G 2

+ V D D

V C

假定 电路初态：V 01=1 V 0=0 V C =0V

电容充电

迅速使G 1导通、 G2截止

（1）第一暂稳态（初态）电容充电，电路自动翻转到第二暂稳态

V I V O1

V O

V 01=0 V 02=1电路进入第二暂态 V 0=0 V C =1

2

DD

TH

ON OFF V V V V ===V C V I

当V I =V TH

G 1 G 2 V DD

T P

D 3 T P

D 1 充电 v I D 2

T N

T N

v O1 v O2 D 4

R

C

电容放电

V C V I当V I = V TH

V I V O1 V O 迅速使得G

1截止、

G2导通V01=1 V02=0 电路返回第一暂态

（2）第二暂稳态电容放电，电路自动翻转到第一暂稳态

G1G2V DD

T P

D3T P

D1

放电

v I D2T N T

N

v O1v

O2

D4

R

C

v I V TH

O V DD＋?V＋

－?V－t

v O2 V DD

O

T1T2

t1t2

第一

暂稳态

第二

暂稳态

t

T ＝RC1n4≈1.4RC

T 2 : v I (0+) ≈ V DD ；v C (∞) ≈0 τ =RC, t = t 3-t 2

v I (0+) ≈0；v C (∞) ≈ V DD τ =RC, t = t 2-t 1

T 1 :

TH

DD DD

1V V V ln

RC T -=TH

DD

2V V n

1RC T =?

?

?????-=+=TH TH DD 2DD

21V )V V (V

n 1RC T T T

4. 时序分配器CD4017 十进制计数/分配器

CD4017引脚图

4.1 CD4017工作原理

十进制计数／分频器CD4017，其内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是Q1、Q2、…Q9依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。

HEF4017(同CD4017 )是5 位Johnson 计数器，具有10 个译码输出端，CP、CR、INH 输入端。

时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。INH 为低电平时，计数器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。CR 为高电平时，计数器清零。

Johnson 计数器，提供了快速操作、2 输入译码选通和无毛刺译码输出。防锁选通，保证了正确的计数顺序。译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。在每10 个时钟输入周期CO 信号完成一次进位，并用作多级计数链的下级脉动时钟。

CD4017 提供了16 引线多层陶瓷双列直插(D)、熔封陶瓷双列直插(J)、塑料双列直插(P)和陶瓷片状载体(C)4 种封装形式。

4.2 CD4017引出端功能符号

CO ：进位脉冲输渊 CP ：时钟输入端 CR ：清除端 INH ：禁止端

Q0-Q9 计数脉冲输出端 VDD ：正电源 VSS ：地

4.3 CD4017真值表及时序图

输入

输出

CP

INH

CR

Q 0---Q 9

CO

× × H Q0 计数脉冲 为Q 0-Q 4时：

CO=H ↑ L L 计数 H ↓ L L × L 保持

计数脉冲 为Q 5-Q 9时：

CO=L

× H L ↓ × L ×

↑

L

真值表

时序图

结论：

通过此次电子技术课程设计，让我了解到了电路元件熟悉程度的重要性，每个元件都有其用处，只有对每个元件的原理很熟悉才可能将其运用自如，熟悉其中的元器件，课外时候要多花时间看一看参考资料，弥补实验中疏漏的知识点。

通过这次的课程设计，让我和我的搭档学会了分工合作，如果我们没有紧密的配合工作，我们的课程设计可能不会在这么短的时间内做完，或者会存在很多的问题，这是对我们能力的一种锻炼，同时我们也学到了很多解决问题的方法，比如说不懂的就去图书馆或者网上找资料，将找到的信息学以致用，变成自己的知识，培养了我们独立解决问题的能力。

总之，课程设计加强了理论与实际的结合，思维与动手能力的结合，个人与团队的结合。