防盗报警电路的设计

课程设计任务书
学生姓名：张博专业班级：电信1406
指导教师：杨媛媛工作单位：信息工程学院
题目: 声光防盗报警电路的设计仿真与制作
初始条件：
集成触发器、555 定时器、扬声器、led、三极管和必要的门电路或其他器件。

要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、课程设计工作量：1 周内完成声光防盗报警电路的设计、仿真、装配与调试。

2、技术要求：
① 双路防盗报警，当常闭开关 K1（实际中是安装在窗与窗框、门与门框的紧贴面上的导电
铜片）发生盗情时，K1 打开，要求延时 1～35s 发生报警。

当常开开关 K2 发生盗情而闭合时，应立即报警；
② 发生报警时，有两个 led 交替闪亮，周期为 1～2s，并有双音频警笛报警声，频率为
f=1.5～1.8Hz；
③ 确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画
出总体电路原理图，分析工作原理。

3、查阅至少5 篇近5 年参考文献。

按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。

全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。

时间安排：
1）第1-2 天，查阅相关资料，学习设计原理。

2）第3-4 天，方案选择和电路设计仿真。

3）第4-5 天，电路调试和设计说明书撰写。

4）第6 天，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。

指导教师签名：年月日
系主任（或责任教师）签名：年月日
摘要
本报告主要包括三部分。

第一部分，分析讨论防盗报警电路的组成和各部分实现的功能；第二部分，电路的详细设计和说明；第三部分，电路的仿真调试及实物制作。

防盗报警电路主要运用了555芯片组成多谐振荡器，再通过逻辑门电路实现对报警系统的控制。

其次本次实物产品为手工制作的电路板（单面板），其性能良好，满足设计要求。

本文仿真主要依托用Proteus软件实现。

根据实例电路图和已经给定的原件参数，使用Proteus 软件模拟电路，并对其进行性能测试，动态分析，计算数据等操作。

关键词：防盗；报警电路；数字电路；多谐振荡器；Proteus
目录
第1章数电课设概述 (1)
1.1设计背景 (1)
1.2设计目的及意义 (1)
1.3开发环境Proteus介绍 (1)
第2章课程设计内容 (2)
2.1课程设计标准要求 (2)
2.2问题探究与分析 (3)
第3章电路设计 (5)
3.1声光防盗报警电路各部分设计 (5)
3.1.1开关1延时电路 (5)
3.1.2开关2立即报警电路 (6)
3.1.3 LED闪烁控制电路 (7)
3.1.4蜂鸣器鸣叫控制电路 (9)
3.1.5 LED闪烁电路 (11)
3.2声光防盗报警电路整体电路图 (12)
第4章仿真与制作 (13)
4.1仿真过程 (13)
4.1.1延迟仿真 (13)
4.1.2三个多谐振荡器输出图像 (14)
4.2实物制作与调试 (16)
第5章心得体会 (18)
附录 555芯片构造及引脚图 (19)
参考资料 (21)
致谢 (21)
第1章数电课设概述
1.1设计背景
随着经济的发展，各城市的住宅楼日渐增多，防盗问题也愈发重要，一款简单易用的防盗报警器是每一个家庭所需要的。

本次设计的目的是要设计一种低成本的双路声光防盗报警器。

本次设计核心部分是产生周期性的高低电平信号，从而让LED能够闪烁，也让蜂鸣器开始鸣叫，最终达到报警提醒用户可能有盗贼触发了报警器，避免财产损失。

1.2设计目的及意义
1巩固、深化和扩展学生的数电知识与初步的专业技能。

2锻炼学生的动手能力，自学软件的能力及分析问题、解决问题的能力。

3通过课程设计，使学生在理论计算、结构设计、工程绘图、查阅设计资料、标准与规范的运用和计算机应用方面的能力得到训练和提高。

4培养学生工程思维，理论联系实际的能力里，客观认真、实事求是的科学态度和积极探索的钻研精神。

5为今后从事电子技术领域的工程设计打好基础基本要求。

1.3开发环境Proteus 介绍
Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。

虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。

在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

第2章课程设计内容
2.1课程设计标准要求
题目：声光防盗报警电路的设计仿真与制作
课程设计工作量：
1周内完成声光防盗报警电路的设计、仿真、装配与调试。

技术要求：
1、双路防盗报警，当常闭开关 K1（实际中是安装在窗与窗框、门与门框的紧贴面上的导电铜片）发生盗情时，K1 打开，要求延时 1～35s 发生报警。

当常开开关 K2 发生盗情而闭合时，应立即报警；
2、发生报警时，有两个 led 交替闪亮，周期为 1～2s，并有双音频警笛报警声，频率为 f=1.5～1.8Hz；
3、确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，分析工作原理
其他要求：
查阅至少 5 篇近 5 年参考文献。

按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。

全文用 A4 纸打印，图纸应符合绘图规范。

2.2问题探究与分析
拿到这个课题，首先我要进行的是，明确电路要实现的功能，通过分析，我明确了以下几个主体目标：
1：开关状态的逻辑输入。

2：LED控制电路。

3：蜂鸣器控制电路。

通过各个环节的逻辑推理，再参照给定的初始条件，我明确了声光报警电路工作时的逻辑关系：
图1 开关触发响应逻辑图
以下是分析过程的详解：
分析一：明确以上问题之后，对每一个问题进行分析：首先要将开关的断和开的物理状态通过逻辑门电路转化为电信号，这对应的就是开关状态判断的门电路。

特别的是，由于对于开关1断开的情况，要有延时报警的功能，所以在开关1于逻辑门之间，我特别设计了RC延时电路，通过对电容充电达到延时的目的，原理简单，故之后不特别说明。

通过查阅资料以及联系数电课程所学，要实现开关状态的数字化，我们可以采用，把开关连接在电源（高电平）与地（低电平）之间，将开关两端的电压信号作为门电路的输
入。

最终，我采用了常用的非门芯片74hc04和与非门芯片74ls00，构成输入信号电路。

分析二：由于电路要实现发生报警时，有两个 led 交替闪亮，周期为 1～2s。

那么LED的闪烁周期就要有一个连续的高低电平实现。

由555构成的多谐振荡器就可以提供这一信号，同时还能通过外接电阻电容的大小来控制闪烁的频率。

分析三：设计要求中要实现双音频警笛报警声，频率为 f=1.5～1.8Hz。

这一部分基本原理仍然是555构成多谐振荡器来产生较高频率的信号输出给蜂鸣器，但是难点在于如何产生双音频的警笛声，即多谐振荡器的输出要有连续的高低频信号。

而根据设计要求的说明，高低音变化的频率应为f=1.5～1.8Hz。

这部分电路的设计成为了整个电路中最难的部分，需要一种巧妙的办法，既能让一个多谐振荡器产生两种频率不同的输出信号，还要让这两种信号按照1.5～1.8Hz的频率进行来回变化。

通过回忆多谐振荡器的设计组成，我意识到，振荡器的振荡周期的长短，取决于电容的充放电时间，假如可以让电容的充放电时间改变，就可以实现一个振荡器输出不同频率的信号。

同时控制这种改变其充放电时间的因素，使其按照1.5～1.8Hz的频率变化，就能实现多谐振荡器的高低频的输出也按照1.5～1.8Hz的频率进行变化。

根据原理，由于硬件上电阻电容不可能实时变化从而改变充放电时间（至少依照所需频率自动改变电阻电容的方案难以实现），所以我想到了另一个决定充放电时间的因素：充放电电压。

假如我可以设置电容所要充到的电压，就可以随心所欲的控制充放电所用的时间，从而改变振荡器的输出频率。

而在555芯片内部，正有这样一个可以改变电容充电电压的输入端：Vco，555芯片的5脚，参考电压的输入端。

设置这一点的电位高低，就可以实现对电容器充电电压的控制，最终改变输出频率。

得到了实现多谐振荡器输出高低音的方法之后，再往前就是如何实现对5脚输入电压高低变化的频率的控制。

这一部分照猫画虎，用另一个多谐振荡器输出1.5～1.8Hz频率的信号给到下一级的5端即可。

对于这一部分的具体参数设置问题与分析，在后面的详解控制电路部分会一一说明。

第3章 课程设计内容
3.1声光防盗报警电路各部分设计
3.1.1 开关1延时电路
如图2所示，该电路采用的是电容并联和电阻串联组成的充放电电路，开关断开时电容充电，至稳态电源电压；开关闭合时，电容被短路，瞬间放电。

开关闭合时，74hc04输入低电平，输出高电平；当开关断开后，电容充电达到高电平，74hc04输入高电平，输出低电平。

图2 延时电路设计图
上图所示的延时电路简单可靠，易用性强，充电时间根据公式计算：
)
ln(t 0712CC I CC V V V C R --= （3.1.1） 由于74hc04逻辑门在2.6V 左右即可改变输出状态，所以可以算出t 约为7s ，满足设计要求1s-20s 。

3.1.2 开关2立即报警电路
图3 开关2立即报警电路
这一部分的电路非常简单，只需要把开关2串联一个电阻接在电源与地之间即可，同样是将开关两端的电压作为输出。

当开关断开的时候输出高电平，开关闭合时输出低电平。

同时，图中的2输入与非门一个输入接开关2的电位信号，另一个输入接开关1经74hc04非门之后的信号，从而实现只要有一个开关被触发（开关1断开或者开关2闭合），就能产生工作信号。

3.1.3 LED闪烁控制电路（555多谐振荡器）
图4 LED闪烁控制电路
如图5所示，该图为LED灯控制部分的555多谐振荡器电路，4脚为555芯片的使能端，与上一个与非门相连。

4脚输入为1时，555芯片正常工作。

555芯片2、6脚并联，经过C8与地相连，同时与R11、RV4、R12构成充放电电路，7脚接在RV4中间。

工作原理：图中连接方式构成多谐振荡器，同时设置R11、R12阻值相同，在2、6脚并联点与7脚之间加一个二极管，在2、6脚并联点与R12之间加一个二极管，就可以形成占空比50%的多谐振荡器。

具体工作过程如下分析。

电路接通瞬间，C8两端无电荷，555芯片2、6脚电压均为0，基本RS触发器处于置
“1”的工作状况，输出信号Vo 为1；555内部晶体管截止，7脚不放电；充电时，电流经R11与RV4上半部分流经二极管D10到电容。

电容继续充电直至电压超过2/3Vcc 时，此时RS 触发器置“0”，使得输出Vo 为0；555内部晶体管导通，电容开始放电。

放电时，电流经R12与RV4下半部分流经二极管D9到7脚放电端。

此后当电压降到1/3Vcc 以下时，又回到了最初的情况，从而周而复始，形成振荡，产生矩形脉冲波输出。

我利用二极管的单向导电性是基本的多谐振荡器成为了占空比50%的振荡器，从而使两个交替闪烁的LED 所亮时间基本一致。

如果不是50%，可以利用RV4进行微调。

根据三要素法列写输出方波脉冲的频率为：
8
)41211(1f C RV R R ++= (3.1.3) 参数选取上，我去R11、R12、RV4分别为20k 、20k 、2k ，取电容C8=47uf ，算得频率为0.507Hz ，即周期为1.973s ，满足设计要求。

3.1.4 蜂鸣器鸣叫控制电路（两级多谐振荡器）
图5 蜂鸣器鸣叫控制电路
由于蜂鸣器要实现高低音双频输出，同时还要按照1.5～1.8Hz 变化，在2.2的分析三中，我说明了为什么要用两级多谐振荡器，同时也大致分析了其控制原理。

接下来我具体分析其工作方式及其参数选择。

上图中的左侧多谐振荡器工作原理与LED 控制电路的多谐振荡器完全一致，只是在电阻与电容的选择上大小不同，根据公式2.2.3，要得到1.5～1.8Hz 的频率，先大致确定电容约为原来一半，实际选用22uf ，然后选择电阻比原来小1/3左右，为13.7k ，RV5=1k 。

代入公式2.2.3得f=1.120Hz ，符合设计要求。

上图中右侧的多谐振荡器是整个电路中的关键部分。

首先在2.2的分析三中我们知道了，其工作时受到了左侧多谐振荡器的输出电压的控制的，根据三要素法列写电容充电时间方程：
71121)6(t )2
1(C RV R CC CO CC
CO e V V V V +-+= （3.1.41） 由上式可得：
1t =)(ln )6(217112cc
co cc co V V V V C RV R --+ （3.1.42） 说明当Vco 小于2/3Vcc 的时候，充电时间在变短；Vco 大于2/3Vcc 时，充电时间变长。

根据三要素法同样可得放电时间方程：
e C RV R t V V 72132
)6(co co 21
)0(0+-+= （3.1.43）
由上式得：
2ln )6(t 72132C RV R += （3.1.44）
说明放电时间与参考电压Vco 无关。

通过以上公式我们可以看出，左侧多谐振荡器的输出给到右侧多谐振荡器的5脚参考电压的大小，直接决定了右侧振荡器的振荡周期内，充电时间变长还是变短，从而间接决定了其振荡周期变长还是变短，也就是频率加快还是减慢。

由于左侧多谐振荡器输出低电平时，参考电压一定是低电平，也就是说充电时间缩短，频率加快，而设计要求中希望得到高低频的信号。

所以在左侧多谐振荡器输出高电平时，其参考电压应该略大于2/3Vcc 从而使频率降低，最终得到高低频变化的信号，且随着左侧振荡器的频率1.601Hz 进行变化。

为了让蜂鸣器声音明显，对右侧振荡器原有频率的设置，我将其设置在了1.35kHz 左右，保证声音效果良好。

为了控制左侧输出高电平时，右侧振荡器的5脚电压约比2/3Vcc 高一点，在两级之间我加了分压电阻，这个电阻的大小非常重要，过大的话，会让上一级振荡器失去对5脚的控制，因为此时5脚电压主要有Vcc 决定，所以就无法产生高低音的效果；过小的话会使充电时间过长，甚至超过了上一级的高电平持续时间，导致频率下降太严重，最终听不到蜂鸣器的声音。

通过仿真，我选定耦合电阻在7.5k ，此时可以保证听到清晰的高低音。

3.1.5 LED闪烁电路
图6 LED闪烁电路
该部分电路原理简单，两个与非门的一个输入端并联接到开关的触发与非门的输出端，另一个输入端并联接到LED闪烁控制电路的3脚（多谐振荡器输出端），为了实现交替闪烁，所以给其中一路额外加一个非门输入，从而让两者工作时的状态相反。

由此就可以实现LED灯的交替闪烁。

由于LED闪烁控制电路部分，我设置了占空比50%，所以在这里就可以得到两个灯等时长交替闪烁。

3.2声光防盗报警电路整体电路图
声光防盗报警电路主要是由多个多谐振荡器组成的系统。

首先根据设计要求的确定系统逻辑关系和振荡频率。

依此为核心，辅以逻辑门电路，成功实现所有要求的功能。

该电路组成简单，可靠性高，并且有着良好的实用性。

在现实情况中，可以用一根金属丝代替开关1，固定在窗户上。

一旦被破坏，就会延时报警。

开关2，可以设置在屋内，手动开启，阻吓可能的危险。

也可以用于紧急情况发信号求救。

图7 声光防盗报警电路整体电路图
第4章仿真与制作
4.1仿真过程
4.1.1延迟仿真结果
图8 延迟时间截图
图9 灯光交替闪烁截图
初始状态开关1闭合，开关2断开。

点击开始仿真并立即断开开关1，在听到蜂鸣器工作的瞬间按下暂停。

计时器显示时间为7’53，考虑到手动的延迟，预计实际仿真情况，延时在6s多，满足设计要求，并且与预期计算值基本吻合。

继续仿真后，两路灯光交替闪烁，蜂鸣器高低音交替报警，系统工作正常。

在重回初始状态后，闭合开关2，报警系统立即工作，系统工作正常。

在重回初始状态后，闭合开关1后，在延迟时间内接着闭合开关2，报警系统立即工作，系统正常。

通过各种情况的测试仿真，系统均能正常工作，设计成功。

4.1.2 三个多谐振荡器输出图像
图10 大分度值下图像
图11 中等分度值下波形图
图11 小分度值下波形图
通过观察图像可以看到，仿真结果与我们预期图像完全一致，波形1仿真结果为1.73s，与预期结果相近，并且满足设计要求；波形2的仿真频率为1.207Hz，与预期结果基本一致，并且满足设计要求；波形3在波形2低电平时频率加快，在波形2高电平时，频率减慢，与预期结果一致，能够产生高低音警笛声，满足设计要求。

4.2实物制作
图12 声光防盗报警电路实物图
实践证明，新安装的电路板往往难以达到预期的效果，这是因为我们在设计的时候不可能周全地考虑元件的误差、器件参数的分散性、寄生参数等各种各样的客观因素。

此外，电路板的安装中仍存在有可能没有查出来的错误。

通过电路板整体测试与调整，可发现和纠正设计方案中的不足，并查出电路安装中的错误然后采取措施加以改进和纠正，就可以使之达到预定的技术要求。

元件的安装:
1.元件焊接部位上锡。

2.将电阻器,芯片插入印制板的相应位置上，要注意，电解电容器的极性和芯片的引脚不要插错。

3.焊接元器件时保留元器件引线的适当长度,焊点要光滑,防止虚焊和搭锡。

电路安装完毕后，必须对电路板进行认真细致的检查，以便纠正安装错误。

检查应特别注意，电源的正负、负极性有没有接反，正、负极之间有没有短路现象，电源线、地线是否接触良好，元器件引脚之间有无短路。

焊接的过程更是对我们电工实习课技能的考验，被电烙铁烫了多次，手指也被芯片的引脚扎破。

经历了一天一夜的辛苦努力之后，板子终于焊接完毕。

当接通电源的时候，预期效果顺利的呈现出来。

第5章心得体会
在这次设计中，让我们确实遇了很多难以解决的问题，同时也学到了很多知识。

掌握了数字电路的设计与制作基本思想和一些条件利用的小技巧，掌握了555芯片构成多谐振荡器的原理，并能加以熟练运用。

以及如何去检查电路中的错误与线路是否导通，进一步熟练万用表的使用。

更让我深刻体会到，学以致用到底应该怎么做，我们的课堂学习距离实践到底有多远。

这次课程设计让我深刻的明白了“书到用时方恨少”的含义。

从一开始拿到课题毫无头绪，到一知半解，再到有了主体思路，再到理解原理，最终到设计出合适的电路并做成实物。

这一步步都是通过不断的查阅资料，反复思考，与同学交流才获得的宝贵成果。

电路的设计过程是一次理论结合实践的过程，很多书本上的知识在需要用的时候才发现，要想深刻的理解剖析清楚电路的运作原理，则完全是“绝知此事要躬行”。

理论知识的运用正确是关键所在。

更重要的是，实际模型中，要考虑到许多书本上简化之后的模型中，没有考虑进去的一些因素，比如耦合，比如门电路的跳变电压等等，不然很有可能对于电路的响应无法做出清楚的分析。

这次实践不但巩固了学过的知识，而且其他的对所学知识进行实践论证，及时的发现了存在的许多不足。

通过本次课程设计初步了解了一些专业软件的使用，如Proteus的软件的使用。

在接电路的过程中要仔细并且得有耐心，在检查错误时要更耐心，当出现错误时，首先检查线接对了没有，如果没有错误就看是不是元件存在问题，遇见错误要一步一步的来，不能急躁，也不能灰心丧气总之检测电路是要有耐心，更要动脑。

此外这次课程设计，更让我对数电有了更加深层次的认识。

模块化的组件，各司其职又互相协调，才能达到最终的目标。

同时对于电路中的信号有了新的理解和认知。

还有是此前没有留意过的耦合电阻，它给在隔离、控制电压方面起到了至关重要的作用，这是此前我所不知道的。

总之，这次课程设计让我明白了，要想做好一件事情，首先不能恐惧，要敢于承担；其次更要虚心学习，勤于钻研。

所谓成就感，就是做到了自己不曾做到的事情时才会有的感受。

在今后的学习中，也更加充满动力，同时明白了自主学习的策略和方法！
附录555芯片构造及引脚图
附图1 555芯片内部构造图
附图2 555芯片引脚图
555的内部结构可等效成23个晶体三极管、17个电阻、两个二极管，组成了比较器、RS触发器等多组单元电路。

特别是由三只精度较高5k电阻构成了一个电阻分压器，为上、下比较器提供基准电压，所以称之为555。

555属于cmos工艺制造，其管脚介绍如下：
1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。

2脚：低触发端TR。

3脚：输出端Vo。

4脚：是直接清零端。

当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。

5脚：VC为控制电压端。

若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。

6脚：高触发端TH。

7脚：放电端。

该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。

8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 ~ 16V，CMOS型时基电路VCC 的范围为3 ~ 18V。

一般用5V。

参考文献
[1]张庆双.555应用电路精选[M].北京：机械工业出版社，2011.
[2]李响初.数字电路基础与应用[M].北京：机械工业出版社，2012.
[3]杨达飞，覃日强.电工电子技术应用 [M].北京：北京理工大学出版社，2011.
[4]刘玉兰，亓玉丽，高荣华.电子技术应用案例[M].天津：天津大学出版社，2013.
[5]刘德全.Proteus 8[M].北京：清华大学出版社，2014.
致谢
此次是我第二次做课程设计，对于此次设计的成功，要感谢老师的指导和支持，也特别感谢室友的大力帮助。

在遇到不懂的问题的时候能给我以帮助，从而顺利的完成了电路设计和制作。

再次特别向各位的大力支持表示感谢。

本科生课程设计成绩评定表
指导教师签字：
年月日。