触摸式报警器.docx
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触摸式报警器
黑龙江东方学院
《电子学》课程设计报告
题目：
触摸式报警器
学生姓名姜琦
学号11102114
学部计算机科学与电气工程学部
专业电子信息工程
班级2011级1班
指导教师刘芳
答辩日期2013年3月15日
1.问题提出........................................................3
2.方案选择........................................................3
3.电路组成及工作原理..............................................4
4.安装调试.......................................................10
5.元器件表.......................................................11
6.结束语.........................................................12
7.参考资料.......................................................12
1.问题提出
设计一个触摸式防盗报警器，，触摸感引起为一金属小片，当有人触摸时，蜂鸣器发出声音，持续发出报警信号，直到断开电源为止，根据上述要求，设计出电路，并确定元件参数。
2.方案选择
2.1课题来源
随着我国科技进步，人民生活水平的不断提高，为了更好地保障人们在工作、生活中的人身财产的安全预防各种事故发生显得日趋重要，因而这触摸感应式报警电路适用于家庭门锁、保险柜等各种金属物品的报警用，本设计就是为了满足安防的需要而设计的电子报警系统。
本文的主要内容是对较为常见的家庭防盗报警装置的设计改进并制作，通过对此例的研究制作，学习普通触摸式报警器的工作原理和使用方法，根据此报警器可制作出用于不同范围的报警装置，并且学习电路图和电路板的设计和制作，了解各个元件的类别、工作原理和使用方法。
本文主要讨论触摸式报警器装置的各个单元电路以及各个元器件的选择及其性质，分析个部分电路的具体作用，研究和分析整体电路的构造，对整体电路进行调试测试，学习电路板的设计以及元器件的焊接，掌握该处模式报警器的作用和工作原理。
通过对高触摸式报警器的设计，对个部分单元电路的分析过程，这对今后从事电子行业是非常有益的。
2.2研究内容及相关技术
本设计主要是利用报警器由触摸电极、开关电路等组成，是种线路简单、灵敏度高、性能稳定的触摸式报警器。
它可用于家庭保险柜以及门窗等地方，当人体碰到所保护的金属物品时，警铃就会长鸣，直到切断电源为止。
同时本设计将研究组成触摸式报警器的整个电路的性质和基本概况，学习简单实用触摸式报警器的本质特征。
对此次设计做出概括分析，并进行改进处理，并通过书籍教材及网络信息查找相关资料。
对该报警器使用的元器件的内部构造和使用进行了分析。
对各元器件在电路中的作用进行分析研究。
同时在各个课程设计学习中，我们进行了电路的绘制，通过此次设计制作，了解简单实用触摸式防盗报警器的制作过程。
2.3方案设计与选择：
（一）方案
方案一：
直接触发器接在发光二极管上
方案二：
利用单片机编程实现检测目的
方案三：
使用场效应管，双极性三极管，发光二极管，可控硅等元件。
将人体感应信号转换为电压的变化，经过晶体管放大，触发可控硅，再接通电路。
（二）优缺点
方案一：
信号未放大，误差很大
方案二：
部分内容还未学，而且工作不稳定
方案三：
方案最佳，可以消除感应信号的干扰，将人体感应信号转换为电压的变化，经过晶体管放大，触发可控硅，再接通电路，从而达到触发报警的效果。
（三）选择方案
我选择方案三进行设计，方案最佳，可以消除感应信号的干扰，通过场效应管，人体感应信号转换为电压的变化，经过晶体管放大，触发可控硅，再接通电路，从而达到触发报警的效果。
3.触摸式报警器的电路组成及其原理
3.1电路原理
如图1-1所示是一种高灵敏度的触摸式报警电路。
当人手甚至于戴着手套触摸到电极片M时，它都会发出响亮的“嘟……”报警声，响声可一直到手离开为止。
如再次触摸，则再发一次声音。
图1-1
该报警器由单稳态电路、音频振荡器和音频功率放大器等组成。
与非门A、B构成单稳态电路，与非门C、D构成音频内振荡器，V2和V3组成互补型音频功率放大器。
由于CMOS电路具有极高的输入阻抗，虽然二极管V1反相连接，但它的反相电阻仍小于CMOS电路的输入阻抗，所以，A门的1脚处于高电平。
与非门B的两个输入端5脚与6脚处于低电平。
根据“见0出1”的逻辑关系，可知B门的4脚输出高电平，所以A门的2脚也为高电平。
根据“全1为0”的逻辑关系，A门的3脚输出低电平。
这时C1两端都为低电平，电容C1没有充电，这是单稳态电路的稳定状态。
与非门C、D构成音频振荡器，由于C门的9脚与B门的5、6脚相连并为低电平，所以振荡器停振，故扬声器SP无声。
如果人手触摸一下电极片M时，人体感应的杂波信号经V1整流，获得一个负压，即给A门的1脚输入一个负脉冲，单稳态电路就翻转进入暂态。
其过程是：
根据“见0出1”的逻辑关系，当A门的1脚输入负脉冲时，3脚就输出高电平，此高电平经C1加到B门的5、6两脚，使其4脚输出低电平，此低电平又反馈到A门的2脚。
所以人手离开M时，A门的3脚仍保持高电平输出。
但这一状态是不稳定的，因为A门的3脚输出的高电平将经R1向电容C1充电，充电结果会使R1的上端即B门的5、6两脚的电平不断下降。
当电平降至1/2VDD时，B门的4脚就输出高电平，电路恢复到原来的稳定状态。
电路暂态时间主要取决于R1和C1的充电时间常数。
当R1上端输出高电平时，与非门C、D组成的振荡器起振，D门的11脚输出振荡信号，经V2和V3功放后，通过C4推动扬声器SP发出响亮的“嘟……”报警声。
V2和V3分别采用两种导电特性不同的三极管，一个用来放大正半周期信号，另一个用来放大负半周期信号，所以称这种电路为互补型推挽放大器。
3.2电路主要元器件介绍
3.2.1芯片CD4011
在数字电路中，所谓“门”就是实现一些基本逻辑关系的电路。
最基本的逻辑关系有与、或、非三种，所以最基本的逻辑门是与门、或门和非门。
◆与门是执行与功能的逻辑部件，其逻辑关系的特点是：
只有当全部输入端都是高电平时，输出才是高电平；只要有一个输入端为低电平，输出端就是低电平。
两输入端与门的逻辑表达式可写成：
Y=AB。
◆或门是执行或功能的逻辑部件，其逻辑关系的特点是：
只要有一个输入端是高电平，输出才是高电平；只有全部输入端为低电平，输出端才是低电平。
两输入端或门的逻辑表达式可写成：
Y=A+B。
◆非门是执行非功能的逻辑部件，其逻辑关系的特点是：
输入端是高电平时，输出端是低电平；输入端为低电平时，输出端是高电平。
非门的逻辑表达式可写成：
。
在门电路中，应用最广泛的是与非门，把与门和非门连接起来就是与非门。
同理，将或门和非门连接起来，就可构成或非门。
2.3.1.1CD4011引脚图及引脚功能
本设计采用2输入端四与非门，低功率4000B系列CMOS（CD4011）。
它的引脚排列如图1-2所示。
每片集成电路中有4组独立的与非门，其构造和逻辑功能相同，每组都有两个输入端和一个输出端，与非门的逻辑符号如图1-3所示。
◆
管脚功能：
1A数据输入端
2A数据输入端
3A数据输入端
4A数据输入端
1B数据输入端
2B数据输入端
3B数据输入端
4B数据输入端
VDD电源正
VSS地
1Y数据输出端
2Y数据输出端
3Y数据输出端
4Y数据输出端
3.3等硅三极管9012、9013
3.3.1三极管
1）三极管的工作原理
晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：
锗管和硅管。
而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。
对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。
当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。
在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）极基区的多数载流子（空穴）很容易地越过发射结互相向对方扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流了。
由于基区很薄,加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流Ic，只剩下很少（1-10%）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补给，从而形成了基极电流Ibo.根据电流连续性原理得：
Ic=Ib+Ie
这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系，即：
β1=Ic/Ib
式中：
β1--称为直流放大倍数，
集电极电流的变化量△Ic与基极电流的变化量△Ib之比为：
β=△Ic/△Ib
式中β--称为交流电流放大倍数，由于低频时β1和β的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，β值约为几十至一百多。
三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。
2）三极管的分类
a.按材质分:
硅管、锗管；
b.按结构分:
NPN、PNP；
c.按功能分:
开关管、功率管、达林顿管、光敏管等；
d.按功率分：
小功率管、中功率管、大功率管；
e.按工作频率分：
低频管、高频管、超频管；
f.按结构工艺分：
合金管、平面管；
3）三极管的主要参数
a.特征频率fT
当f=fT时,三极管完全失去电流放大功能.如果工作频率大于fT,电路将不正常工作.
b.工作电压/电流
用这个参数可以指定该管的电压电流使用范围.
c.hFE
电流放大倍数.
d.VCEO
集电极发射极反向击穿电压,表示临界饱和时的饱和电压.
e.PCM
最大允许耗散功率.
f.封装形式
指定该管的外观形状,如果其它参数都正确，封装不同将导致组件无法在电路板上实现.
4）判断基极和三极管的类型
三极管的脚位判断，三极管的脚位有两种封装排列形式，如右图：
三极管是一种结型电阻器件，它的三个引脚都有明显的电阻数据，测试时（以数字万用表为例，红笔+，黒笔-）我们将测试档位切换至二极管档（蜂鸣档）标志符号如右图：
正常的NPN结构三极管的基极（B）对集电极（C）、发射极（E）的正向电阻是430Ω-680Ω（根据型号的不同，放大倍数的差异，这个值有所不同）反向电阻无穷大；正常的PNP结构的三极管的基极（B）、集电极（C）、发射极（E）的反向电阻是430Ω-680Ω，正向电阻无穷大。
集电极C对发射极E在不加偏流的情况下，电阻为无穷大。
基极对集电极的测试电阻约等于基极对发射极的测试电阻，通常情况下，基极对集电极的测试电阻要比基极对发射极的测试电阻小5-100Ω左右（大功率管比较明显），如果超出这个值，这个元件的性能已经变坏，请不要再使用。
如果误使用于电路中可能会导致整个或部分电路的工作点变坏，这个元件也可能不久就会损坏，大功率电路和高频电路对这种劣质元件反应比较明显。
4.安装和调试
按图所示的电路结构及其实际要求设计印制电路板并逐一焊接。
在安装的过程中应注意各元器件在电路板上的整体布局，应使各管脚相连的导线横平竖直，各导线间尽量少交叉，电源线和地线要明显区别开，这样看起来导线不会很乱，直观上给人清晰、美观的感觉。
在焊接的过程中应注意各管脚不能虚焊，同时不相连的管脚不能焊接在一起防止引起短路，在焊接完某一局部时应该用万用表及时的检查各管脚的连接是否正确无误，每一步骤都应该仔细认真的检查，防止调试的过程中不导通或者烧坏元器件，这样才不会出错，只要元器件良好连接无误，一般情况不用调试，通电后就能正常工作，若需要调试应从局部到整体一点一点的用万用表调试，测量某些点的电位和理论值是否相同，这样就能很快的调试成功，如需改单稳态电路的暂态时间，即每次接触后的响声持续时间，可以调整电阻R1的阻值。
R1阻值增大，响声的持续时间就会变长，R1阻值调小，响声持续时间就会变短。
如果要改变响声音调的高低，可以调节R2或者C2的数值，R2、C2的值越小，响声的音调就会越高尖，R2、C2的值越大，响声的音调就会越低沉。
这样可以根据需要来调节个元器件的数值，调试工作是需要有足够的耐心和认真的态度才能最终调试成功，从安装到调试是最能检验我们动脑和动手能力的一步，经过过多次的努力，我还是调试成功了，很有成就感。
若将本触摸式报警器用在门锁上，可在电子门锁上引出一根导线接到与非门A的一脚上即可。
注意引线不宜过长，且门锁必须对地绝缘好，否则电路不能正常工作。
这样，当有人开门时，室内的报警器就会发报警声音，此电路也可用于金属品的防盗报警，方法是将需要保护的金属物品作为电极M，即用导线将金属品和与非门的1脚连接。
这样，当有人去拿金属物品时，电路就会发出响亮的"嘟......"报警声。
5.元器件表
元器件表1-1
序号
名称
代码
规格型号
1
电阻
R1
390Ω
2
电阻
R2
RTX-1/4-36KΩ
3
电容
C1
CD11-16V-47µF
4
电容
C2
CD11-16V-4700PF
5
电容
C3
CD11-16V-100µF
6
电容
C4
CD11-16V-220µF
7
二极管
V1
IN4148
8
三极管
V2
S9013
9
三极管
V3
S9012
10
与非门
CD4011
11
电动扬声器
SP
YD-5718Ω（0.5W）
12
稳压电源
VCC
9V
6.结束语
经过半个月的忙碌和工作，本次课程设计已经接近尾声，作为一个本科生的大二年级课程设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有老师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。
在这里首先要感谢我的老师。
老师平日里工作繁多，但在我们做课程设计的这个阶段给予了我悉心的指导。
除了敬佩老师的专业水平外，他们的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。
通过分析比较，我认为我设计的项目还是有一定可行性的，通过设计项目了解的很多有关场效应管，晶体三极管的知识，自己的能力也得到了提升，希望我设计的电路能够发挥作用，由于设计项目不完善，自身还有很多的不足，希望在以后的设计中能够弥补以后的不足，能不断提升自己，在项目中学习到更多，学到更多的知识，做出更好，更具可行性的项目。
在项目中让自己不断学习，做到最好。
在课程设计即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到设计的顺利完成，老师和同学给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！
7.参考资料
《模拟电子技术》；
《数字电子技术》；
《电路基础》；
XX文库。
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