数电课程设计声光报警器

声光报警电路设计

第一章绪论

声光报警器在实际的生活中可以见到许多，运用于生活的许多方面，既有硬件实现的，也有硬件和软件同时控制执行。通过这次的课程任务设计，可以很好的对课本知识运用于实践，同时也可以激发学生学习于专业相关的一些知识，从而扩大自己知识面的广度。

声光报警电路可作为防盗装置，在有情况时它通过指示灯闪光和蜂鸣器鸣叫，同时报警。要求指示灯闪光频率为1~2Hz，蜂鸣器发出间隙声响的频率约为1000Hz，指示灯采用发光二极管。

电路由两个555多谐振荡器组成，第一个振荡器的振荡频率为1~2Hz时，第二个振荡器的振荡频率为1000Hz。将第一个振荡器的输出(3脚)接到第二个振荡器的复位端(4脚)。在输出高电平时，第二个振荡器振荡;输出低电平时，第二个振荡器停振。这样，蜂鸣器将发出间隙声响。

声光报警器可用在危险场所，通过声音和各种光来向人们发出示警信号的一种不会引燃易燃易爆性气体的报警信号装置。防爆声光报警器适用于安装在含有ⅡC级T6温度组别的爆炸性气体环境场所，还可使用于石油、化工等行业具有防爆要求的1区及2区防爆场所，也可以露天、室外使用。可以和国内外任何厂家的火灾报警控制器配套使用。当生产现场发生事故或火灾等紧急情况时，火灾报警控制器送来的控制信号启动声光报警电路，发出声和光报警信号，完成报警目的。本产品也可同手动报警按钮配合使用,达到简单的声,光报警目的。本产品符合GB3836系列标准的要求（满足GB3836.1—2000《爆炸性环境用防爆电气设备通用要求》及

GB3836.2—2000《爆炸性环境用防爆电气设备隔爆型“d”》标准），经国家指定的检测机构鉴定并取得了防爆合格证。报警器外壳为全不锈钢壳体，灯壳抗冲击能力强，180清晰可视超高亮LED发光管，配备超强蜂鸣器，具有工作稳定，使用寿命长, 功耗低，不受污染物和水的影响等特点。

声光报警器（Audible and visual alarm）又叫声光警号，是为了满足客户对报警响度和安装位置的特殊要求而设置。同时发出声、光二种警报信号。产品专用领域：银行，政府机关，邮政，电信，酒店，大厦，工厂商场商铺、别墅、ATM,周界防越系统及保安服务公司等；是消防火灾自动报警系统中的一个配件产品。

固了解掌握声光报警器的工作原理及制作方法对电气自动化专业同学来说是非常必要而且实用的。

第二章 555定时器声光报警电路设计

2.1 硬件组成

如上图：声光报警电路由闪光灯报警和蜂鸣器报警两部分组成，其中蜂鸣器报警只有在闪光灯报警状态下才可发出一定音调的鸣声，随着闪光灯闪烁，蜂鸣器发出间隙声响。

2.2 电路原理图

2.3 印刷电路板

2.4 555定时器声光报警电路原理

声光报警电路是一种防盗装置，在有情况时它通过指示灯闪光和蜂鸣器鸣叫，同时报警。要求指示灯闪光频率为1~2Hz ，蜂鸣器发出间隙声响的频率约为1000Hz ，指示灯采用发光二极管电路由两个555多谐振荡器组成，第一个振荡器的振荡频率为1~2Hz 时，第二个振荡器的振荡频率为1000Hz 。将第一个振荡器的输出(3脚)接到第二个振荡器的复位端(4脚)。在输出高电平时，第二个振荡器振荡;输出低电平时，第二个振荡器停振。这样，蜂鸣器将发出间隙声响。 工作原理

对于1C ：

通电后: cc V 通过1R ，2R 对1C 进行充电，充电时间为

C R R C R R t e )(7.02ln )(21211+=+≈。

当电解电容电压cc c V U 3

1

<： 11=o U ；此时11==-o D U R ，复位无效，2C 工

作；

当电解电容电压cc C cc V U V 3

231<<时：n

o n o U U 111=+，即输出保持原状态不变，二极管共组，2C 同样如此；

当电解电容电压cc c V U 3

2

>时： 01=o U ，则电容1C 经过2R 放点，放电时间

C R C R t w 2227.02ln =≈。

此时2C 复位端01==-

o D U R ，复位有效，则2C 输出为低电平，蜂鸣器不工作。

对于2C ：

当0=-

R 时：cc V 通过3R ，4R 对2C 进行充电，充电时间为

243243'1)(7.02ln )(C R R C R R t w +=+≈。

当电解电容电压cc c V U 31

<：12=o U ，蜂鸣器发出声响；

当电解电容电压cc C cc V U V 3

2

31<<时：2o U 保持原状态不变，蜂鸣器工作

当电解电容电压cc c V U 3

2

>时：02=o U ，2C 通过4R 放点，放电时间

C R C R t w 22'27.02ln =≈。

c U 始终在cc V 3

1到cc V 32

之间来回充电放点。

蜂鸣器就会发出固定频率的声音。 2.5 性能指标要求

对于1C 而言：二极管闪烁频率1

11

T f =

， 121211)2(7.0C R R t t T w w +=+=

Ω<

21T f =

， 243'

2'12)2(7.0C R R t t T w w +=+=

又 Ω<

Hz f Hz 35715952<<

固在调试过程中，可通过二极管闪烁频率，蜂鸣器音调高低来判断待调试报警工

作状态是否标准。

第三章主要元器件原理及相关计算

3.1 材料清单

3.2 555定时器芯片工作原理,功能及应用

555定时器是一种数字电路与模拟电路相结合的中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳态触发器和多谐振荡器

等，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。

3.2.1 555定时器工作原理

555定时器产品有TTL 型和CMOS 型两类。TTL 型产品型号的最后三位都是555，CMOS 型产品的最后四位都是7555，它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。

555定时器的电路如图3-1所示。它由三个阻值为5k ?的电阻组成的分压器、两个电压比较器1C 和2C 、基本RS 触发器、放电晶体管T 、与非门和反相器组成。

图3-1 555定时器原理图

分压器为两个电压比较器C1、C2提供参考电压。如5端悬空，则比较器1

C 的参考电压为，加在同相端；2C 的参考电压为，加在反相端。

是复位输入端。当0'=-

R 时，基本RS 触发器被置0，晶体管T 导通，输出端

o U 为低电平。正常工作时，1'=-

R 。

11U 和12U 分别为6端和2端的输入电压。当cc U U 3211>，cc U U 3

1

12> 时，1C 输出为低电平，2C 输出为高电平，即1,0==-

-S R ，基本RS 触发器被置0，晶体

管T 导通，输出端o U 为低电平。

当cc U U 3211<，cc U U 3

1

12<时，1C 输出为高电平，2C 输出为低电平，

0,1==-

-S R ，基本RS 触发器被置1，晶体管T 截止，输出端o U 为高电平。

当cc U U 3211<，cc U U 3

1

12>时，基本RS 触发器状态不变，电路亦保持原状

态不变。

综上所述，可得555定时器功能如表3-2所示。

表3-2 555定时器功能表

3.2.2 555定时器的应用

1．单稳态电路

前面介绍的双稳态触发器具有两个稳态的输出状态和，且两个状态始终相反。而单稳态触发器只有一个稳态状态。在未加触发信号之前，触发器处于稳定状态，经触发后，触发器由稳定状态翻转为暂稳状态，暂稳状态保持一段时间后，又会自动翻转回原来的稳定状态。单稳态触发器一般用于延时和脉冲整形电路。

单稳态触发器电路的构成形式很多。图3-3(a)所示为用555定时器构成的单稳态触发器，R 、C 为外接元件，触发脉冲u1由2端输入。5端不用时一般通过0.01uF 电容接地，以防干扰。下面对照图3-3(b)进行分析。

（a ）电路图 (b) 波形图

图3-3 单稳态触发器 (1) 稳态

接通电源后，cc U 经R 给电容C 充电，当c U 上升到大于时，基本RS 触发

器复位，输出0=o U 。同时，晶体管T 导通，使电容C 放电。此后cc c U U 3

2

<，

若不加触发信号，即cc U U 3

1

1>，则o U 保持0状态。电路将一直处于这一稳定状

态。 (2) 暂稳态

在1t t =瞬间，2端输入一个负脉冲，即cc U U 3

1

1<，基本RS 触发器置1，输

出为高电平，并使晶体管T 截止，电路进入暂稳态。此后，电源又经R 向C 充电，充电时间常数RC =τ，电容的电压按指数规律上升。

在2t t =时刻，触发负脉冲消失(cc U U 311>)，若cc c U U 3

2

<，则1=-R ，1=-S ，

基本RS 触发器保持原状态，o U 仍为高电平。

在3t t =时刻，当c U 上升略高于cc U 3

2

时，1,0==--S R ，基本RS 触发器复位，

输出0=o U ，回到初始稳态。同时，晶体管T 导通，电容C 通过T 迅速放电直至

c U 为0。这时1,1==-

-S R ，电路为下次翻转做好了准备。

输出脉冲宽度p t 为暂稳态的持续时间，即电容C 的电压从0充至所需

的时间。由)1(3

2

Rc t

cc cc p e U U --=得RC RC t p 1.13ln ≈?= (3-5)

由上式可知：

① 改变R 、C 的值，可改变输出脉冲宽度，从而可以用于定时控制。 ② 在R 、C 的值一定时，输出脉冲的幅度和宽度是一定的，利用这一特性可对边沿不陡、幅度不齐的波形进行整形。 2．多谐振荡器

多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。多谐振荡器可用作方波发生器。

图3-4所示是由555定时器构成的多谐振荡器。1R 、2R 和C 是外接元件。 刚接通电源时，1,0==o c U U 。当c U 升至后，比较器1C 输出低电平(0=-

R )，基本RS 触发器置0，定时器输出o U 由1变为0。同时，三极管T 导通，电容通

过2R 放电，c U 下降。在cc c cc U U U 3

2

31<<期间，0U 保持低电平状态。在c U 下降

至cc U 3

1

以后，比较器2C 输出低电平(0=-S )，使触发器置1，输出o U 由0变为1。同时三极管T 截止，于是电容C 再次被充电。如此不断重复上述过程，多谐振荡器的输出端就可得到一串矩形波。工作波形如图3-4(b)所示。

(a)电路图 (b) 波形图 图3-4 多谐振荡器

振荡周期等于两个暂稳态的持续时间。第一个暂稳态时间tp1为电容C 的电压uc 从充电至所需时间

C R R C R R t p )(7.02ln )(21211+=+≈ (3-6) 第二个暂稳态时间tp2为电容C 的电压从放电至所需时间

C R C R t p 2227.02ln =≈ （3-7）

3.3 蜂鸣器

3.3.1 蜂鸣器的介绍

1．蜂鸣器的作用 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。

2．蜂鸣器的分类 蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。

3．蜂鸣器的电路图形符号 蜂鸣器在电路中用字母“H ”或“HA ”（旧标准用“FM ”、“LB ”、“JD ”等）表示。

3.3.2 蜂鸣器的结构原理

1．压电式蜂鸣器 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。

多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.5~15V 直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.5~2.5kHZ 的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。

压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。

2．电磁式蜂鸣器 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。

接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。

3.4发光二极管

3.4.1 发光二极管发光原理

50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，

发光二极管

它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。

发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

3.4.2 发光二极管物理特性

发光二极管

与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。把它的管心做成条状，用7条条状的发光管组成7段式半导体数码管，每个数码管可显示0～9十个数目字。

第四章焊接与调试

4.1 焊接

一、焊接的好坏标准

1.焊接质量标准

(1)焊点表面：光滑，色泽柔和，没有砂眼，气孔、毛剌等缺陷

(2)焊料轮廓：印制电路板焊盘与引脚间应呈弯月面，润湿角 15?<θ<45?

(3)焊点间：无桥接、拉丝等短路现象

（4)焊料内部：金属没有疏松现象，焊料与焊件接触界面上形成3μ～10μ的金属间化合物

良好焊点的形貌

（5）表面安装良好焊点的特殊要求

2. 不良焊接现象的判别

4.2 调试

调试的方法：

1. 将待调试电板按正负极接好，要求使用+5V 直流电源，负极接地；

2. 接通电源开关，观察二极管是否正常工作，蜂鸣器是否正常工作。若不正常，检查练练，正负极是否接反，连接是否良好等；

3. 旋转1R ，观察二极管闪烁频率是否有变，若无变化，检查1R 是否损坏，是否连接良好；

4. 保持1R 不变，旋转3R ，观察蜂鸣器音调是否高低变化，若无变化，检查3R 是否损坏，连接是否良好；

5. 将1C 输出端引出，接到示波器，观察输出波形，并记录；

6. 调试结束，关闭电源。

第五章结论

5.1 完成接线的电板图片

原件面

焊接面

5.2 输出波形

1C 输出波形： 2C 输出波形：