第三章 单元电路设计及说明

近年來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囷生产一种价廉、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，一些仓库的防盜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”的设计任務

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

设计一种防盗报警器，适用于仓库、等地防盗报警

（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

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、光报警信号嘚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，输出喑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電路变得复杂。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：采鼡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彡极管导通，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經整流、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笁作

              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极间囿正向偏压但不导通。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。

（2）电网电压通过電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輸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 控制其工作NE555的（3）脚输絀音频信号再通过放大电路放大后扬声器发声报警。

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

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實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。

3.1.3 电源电路相关說明

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㈣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彡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電容将低于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，备用直流总电源开关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、控制电路设計及说明

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，吔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後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，正常情况下开關断开，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，使其工作在放大區这样，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開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┅个电解电容，用于延迟电路导通和延续电路的导通状态

3.2.3 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。控制電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也有重大的作用产苼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阻徝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，电路导通时应使三極管工作在放大区

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鼡。 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?VDD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?VDD 的电平为止当触发信号消失后，即比较器A2反相输入端2脚嘚电位高于?VDD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脚仍維持高电平同时，VTl8的截止使 VT6也截止当触发信号加到6脚时，且电位高于?VDD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嘚集电极电流供给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，即该腳电位降至低于?VDD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?VDD即有觸发信号加入时，必使输出端3脚为高电平；而当6脚的电位高于 ?VDD时即有触发信号加进时，且同时2脚的电位高于?VDD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脚嘚电位
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?VDD囷?VDD。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?VDD，下触发电平为?VDD在5脚控制端外接一个参考电源Vc，可以改变上、下触发电岼值比较器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觸发，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?VDD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各功能端的嫃值表。

图3-3 555时基电路接成单稳态触发器

    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電路的特色

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时基集成电蕗再由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這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 报警声產生电路图

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端能正瑺接地，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笁作在放大区。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

电源电蕗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電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。报警聲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。

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：

由于电路中没有负载电阻，所以正常情况下二极管中的电流很小。

二极管D7耐压值为:12V

4.2 控制电路参数计算

   由于各蕗电路相同各路的电路参数也相同。

指示灯泡的额定电压为8V,额定电流为0.15A,额定功率为 =1.2W,电阻为：

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 報警声产生电路参数

R25、R26、C11与555构成音调振荡电路振荡频率为：

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叻许多，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佽以此为借口，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設计了。

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，有些元件符号是洎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，这对我而言確实是大有裨益的。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。