毕业设计（论文）-磁控报警器的设计与制作

青 岛 滨 海 学 院 毕 业 设 计 3 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签名： 日期： 论文使用授权声明 本人完全了解青岛滨海学院有关保留、使用论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手 段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名： 导师签名： 日期： 磁 控 报 警 器 的 设 计 与 制 作 4 摘要 用微电子技术制成的集成电路 K9561 存储了四种声音：消防车、警车、机枪和救护车，通过改变两个控制端的高、低电平可改变不同的声音。设计的磁控报警器由两部分组成，多谐振荡器和四声报警器。其中， 三极管 VT1、 VT2 主要构成多谐振荡器，通电后 两个发光二极管 交替闪光。四声报警器同样得电后，输出的报警信号经 三极管 VT3 放大，推动扬声器 BT 工作， 从而产生响亮的报警器。当小磁铁靠近“干簧管”时报警声不发声、 发光二极管不发 光，而磁铁块一旦远离报警器 ，报警器立 即以声、光方式报警，这就可构成带闪光的防盗 发声 报警器。 关键词： 磁控、声光、报警 青 岛 滨 海 学 院 毕 业 设 计 5 目录 摘要 1 引言 3 一、设计方案 4 二、硬件电路部分 4 1 集成电路 K9561 4 2 多谐振荡器 5 三、报警器 Protel99se 仿真设计 8 1 Protel99 简介 8 2 原理图设计 9 3 PCB 图设计 10 四、实物焊接 10 1 材料准备 10 2 焊接过程 11 3 验证测试 13 总结 14 参考文献 15 致谢 16 磁 控 报 警 器 的 设 计 与 制 作 6 引言 报 警器按 工作原理 主要可分为红外报警 器、微波报警器、玻璃破碎报警器、 磁控报警 器、振动报警器、超声波报警器、激光报警器、开关报警 器、声音探测器 以及现在的地震报警器等许多种类。 报警器按工作方式 可分为主动式报警探测器和被动式报警探测器。 按探测器的有线无线来划分 ， 又可分为有线 探测器和 无线探测 报警器。 报警器按探测范围 又可分为点控报警探测器、线控报警探测器、面控报警探测器和空间防范报警探测器。 报警器作为传感探测装置，用来探测入侵者的入侵行为及各种异常情况。在各种各样的智能建筑和普通建筑物中需要安全防范的场所很多。这些场所 根据实际情况也有各种各样的安全防范目的和要求。因此，就需要各种各样的报警探测器，以满足不同的安全防范要求。 根据实际现场环境和用户的安全防范要求，合理的选择和安装各种报警探测器，才能较好的达到安全防范的目的。当选择和安装报警探测器不合适时，有可能出现安全防范的漏洞，达不到安全防范的严密性，给入侵者造成可乘之机，从而给安全防范工作带来不应有的损失。报警器的灵敏度和可靠性是相互影响的。合理选择报警探测器的灵敏度和采用不同的抗外界干扰的措施，可以提高报警器性能。 磁控 报警器的适用范围 保险柜防盗报警、货物仓库 防盗 报 警、工厂重地、禁区防盗报警、金融部门防盗报警、机关单位、机密档案防盗、商店商场物品仓库防盗报警、住宅小区商住楼联网防盗报警、家庭住宅、汽车停车库防盗报警 等， 小到电动车，大到企业银行都设有报警器，虽然原理不同，但是目的都是一样的，那就是为了保护人们的 人身 财产不受侵害，尽最大努力将损失降低到最低限度，无论哪种类型的报警器都是站在人民利益的角度出发的，所以，在我们的日常生活中，我 们 可以轻易地发现身边的 各种 报警器。首先， 报警器应用于紧急救助， 可以及时制止即将进行的盗窃活动，同时还能在遇到紧急情况时起到报警的作用，如 我们在电梯中见 到的紧急救助，公共场所见到的火警报警器等，都是我们最常见到的 报警器的形式。 其次，保护财产安全方面的应用， 磁控 防盗报警器最实质的作用还是防盗，在保险柜，工厂的仓库，以及一些具有机密性文件的政府机关等地都可以安装 磁控 报警器，起到保护财产的作用，就算不幸的事情发生了，报警 器 也会帮助我们将损失降到最低。最后，随着人们物质生活水平的不断提高，有房一族，有车一族渐渐多起来 了 ，但是对于室内盗窃，爱车被盗的忧虑也是与日俱增，磁控防盗 报警器可以有效的保护我们的家庭财产，为我们的出行与工作提供最安心的保障。 青 岛 滨 海 学 院 毕 业 设 计 7 正文 一、 设计 方案 图 1 系统工作流程 设计图 磁控报警器的工作原理是：正常时， 干簧管靠近永久磁铁 ,其触点吸合 ， 处于闭合状态 。当永久磁铁远离干簧管时，其触点断开，报警器报警。该磁控报警器的永久磁铁一般装在门窗的 室 内一侧，靠近锁或栓一边的顶部的边上；而将其电路板也装在门窗室内对应的靠近锁或栓一边的顶部的框上。启用时，只需要将开关 拨到 打开位置。当门窗正常关闭时，干簧管闭合，三极管处于截止状态 ， 蜂鸣器不发声，当门窗被意外 打 开（如被撬开、被撞开、被钥匙打开等）时，干簧管断开，三极管处于导通状 态，蜂鸣器立即发出响亮的报警声。 另外，如果要增大该磁控门的防盗报警器的报警声音和提高 报警 的 可靠性，还可以再 增加一个 PNP 型三极管和一个高响度的有 源 蜂鸣器；如果要增加其工作状态指示，还可以 将 一个限流电阻和一个发光二极管串联后接入电路中。 二硬件电路部分 1、集成电路 K9561 集成电路 K9561，是一种半导体电子设备，由上千至数百万的微电阻、电容和晶体管组成。 集成电路 K9561 存储了四种声音：消防车、警车、机枪和救护车，通过改变两个控制端的高、低电平可改变不同的声音。 集成电路广泛应用于扩音器、振荡 器、定时器、计数器、计算机存储器、视频和音频设备或微处理器等。微处理器走在集成电路应用前端，它可以实现从计算机到蜂窝电话的数字微波驱动。数字存储芯片是当今计算机世界使用广泛的又一种集成电路。 集成电路 K9561 分为线性 /模拟或数字集成电路芯片。线性 K9561 的输出值呈线性变化，这取决于输入信号电平。线性 K9561 通常用于音频 和无线电频率扩音器。逻辑门是数字 集成电路 K9561 的基础构建块，结合二进制数据使用。也就是说，信号只分为两种状态，即低电平（逻辑值为 0）和高电平（逻辑值为 1）。这些芯片主要应用于计算机 、计算机网络、调制解调器和频率计数器。 由于 人们对高级集成的更高性能和更小型化的要求， 系统芯片已经成为微电子芯片发展的必然趋势。 磁感应 二极管发光 K9561 变化 电路发生变化 蜂鸣器发声 报警器报警 磁 控 报 警 器 的 设 计 与 制 作 8 2、 多谐振荡器 本电路中 三极管 VT1、 VT2 构成多谐振荡器通电后 二极管 VD1 、 VD2 交替发光。 在数字系统电路中经常用到多谐振荡器。多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源以后，不需要外加触发信号便能自行产生一定频率和一定宽度的矩形波，这一输出波形用于电路中的时钟信号源。由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上又将矩形波振荡器称为多谐振荡器。 按照电路的工作原理，多谐振荡器 大致分为无稳态多谐振荡器和单稳态多谐振荡器。 (1)无稳态多谐振荡器 1） 采用 TTL 门电路构成的对称式无稳态多谐振荡器 对称式多谐振荡器的典型电路如图 2 所示，它是由两个反相器 Gl、 G2 经耦合电容 C1、C2 连接起来的正反馈振荡电路。 图 2 对称式多谐振荡器电路 2） 采用 CMOS 门电路构成的非对称式无稳态多谐振荡器 把对称式多谐振荡器电路进一步简化，去掉 C1 和 R2，在反馈环路中保留电容 C2，电路仍然没有稳定状态，只能在两个暂稳态之问往复振荡，电路如图 3 所示。 图 3 非 对称式多谐振荡器电路 3） 电路无稳态环形振荡器 作为数字系统的时钟信号源，由 CMOS 反相器构成的环形振 荡器具有结构简单、集成度高、功耗低的优点，因此得到了广泛地应用。为了构成低频和超低频环形振荡器， 解决方法是在此电路的基础上附加 RC 延迟环节，组成带有 RC 延迟电路的环形振荡器，电路如图 4 所示。 青 岛 滨 海 学 院 毕 业 设 计 9 图 4 带有延迟环节的环形振荡器 4） 用施密特触发器的无稳态多谐振荡器 利用施密特触发器的回差特性可以构成无稳态多谐振荡器，电路如图 5 所示。 图 5 用施密特触发器构成 的多谐振荡器 图 6 脉冲占空比可调的多谢振荡器 通过调节 R 和 C 的大小，即可以改变振荡周期。此外在这个电路的基础上稍加修改就能实现对输出脉冲占空比的调节，电路如图 6 所示。在这个电路中，因为电容 C 的充电和放电分别经过两个电阻 R2 和 Rl，所以只要改变 R2 和 R1 的比值，就能改变占空比。 5） 555 定时器组成的无稳态多谐振荡器 用 555 电路可以组成施密特触发器，利用施密特触发器的回差特性，在电路的两个输入端与地之间接入充放电电容并在输出与输入端之间接入反馈电阻，就组成了一个直接反馈式多谐振荡器 。 555 定时 器是一种多用途的数字一模拟混合集成电路，使用灵活、方便，所以555 定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。 6） 石英晶体多谐振荡器 在某些对数字脉冲稳定度要求较高的电路中，上述几种多谐振荡器所产生的脉冲很难满足要求。这是因为上述振荡电路中的振荡频率是由门电路输入电压上升到转换电平所需要时间来决定的。由于受电源电压、温度变化以及某些干扰因素的影响，门电路的转换时间不可能十分精确和稳定。石英晶体多谐振荡器是一种产生高稳定度的脉冲振荡器，它是在原多谐振荡器的反馈回 路中加入石英晶体谐振器而构成。由于石英晶体有极高的频率稳定性，而且磁 控 报 警 器 的 设 计 与 制 作 10 品质因数又高，因此它有极好的选频特性。当外加电压频率等于石英晶体的固有频率 f0 时，它的阻抗最小，频率为 f0 的电压信号最容易通过，并在电路中形成正反馈而使电路振荡。 （ 2） 单稳态多谐振荡器 1） 门电路构成的单稳态多谐振荡器 采用 TTL 门电路构成的单稳态多谐振荡电路如图 7 所示。 图 7 与非门构成的单稳态多谢振荡器 2） 集成的单稳态多谐振荡器 鉴于单稳态多谐振荡器的应用十分普遍，在 TTL 电路和 3CMOS 电路的产品中，都产生了单片集成的单稳态多谐振荡器器件。使用这些器件时只需要很少的外接元件和连线，而且由于器件内部电路一般还附加了上升沿与下降沿触发的控制和置零等功能，使用极为方便。 3） 单稳型环形振荡器的电路结构 将各级单稳态触发器的输出脉冲依次作为下一级触发器的触发输入信号，再将末级的输出信号反馈到第一级，作为第一级的触发输入信号，则可构成一种新型的环 形振荡器，即单稳型环形振荡器。根据单稳态触发器的延时作用， 可以 得到单稳型环形振荡器的工作波形。当各级的暂稳时间相同时，该电路就是一个典型的顺序脉冲发生器，其工作波形与 D 触发器构成的环形计数器完全相同。不同的是，环形计数器必须由时钟脉冲驱动，电路输出脉冲宽度与时钟信号的周期相同，必须通过改变时钟信号的频率来改变输出脉冲的宽度。而单稳型环形振荡器可以自动产生脉冲信号，可以通过改变单稳态触发器的定时元件 Rc 的参数来调整脉冲宽度，因此调节方便。 4） 集成单稳型环形振荡器的特点及应用 由于单稳型环形振 荡器实际上是一个没有时钟脉冲的顺序脉冲发生器，因此它可以广泛地用于异步型顺序控制电路。当各级定时元件的参数相同时，输出脉冲宽度相同的顺序脉冲。当各级定时元件的参数不同时，输出脉冲宽度各异的顺序脉冲。这些顺序脉冲可以控制单个对象的各 个时段的不同工作状态，也可以作为多个控制对象循环工作方式的控制 号。单稳态青 岛 滨 海 学 院 毕 业 设 计 11 触发器在自暂稳态返回的时刻，电路伴随着强烈正反馈的物理过程，构成环形振荡器时，起振容易。由于有足够的恢复时间，有利于振荡频率的稳定。只要选择高稳定度的定时元件，单稳电路就具有高稳定度的脉冲宽度。同时，单稳态触发 器在级联时，电路不存在前后级互相牵扯的问题，因此，单稳型环形振荡器具有比较高的频率稳定度。又由于单稳态触发器容易被触发翻转，构成环形电路后，只要给一个启动控制信号，电路便可以进人振荡状态。这种电路具有结构简单、成本低、安装调试方便的特点，作为顺序脉冲发生器和超低频多谐振荡器有比较广阔的应用前景。 三 、 报警器 Protel99SE 仿真 设计 1、 Protel99SE 简介 Protel99 SE 共分 5 个模块 ,分别是原理图设计、 PCB 设计、自动布线器、原理图混合信号仿真、 PLD 设计。 1. 建立原理图文件，原 理图文件 的目的就是绘制原理图，体现系统的逻辑关系。原理图库文件 是建立自己的在元件库。需要自己建立的元件，往往在系统文件中是找不到的，建立自己的原理图库文件有两种方法，一种是自己绘制 原理图 ，打开原理图库文件后，可以使用浮动的工具箱进行编辑。另一种方法，就是在系统已经给的元件的基础上进行修改。 PCB 图是体现原理图中所用元件的大小，焊盘尺寸的图。 PCB 库文件，和原理图库文件 是 一样的，都是用来建立系统之没有提供的封装。建立的方法和原理图库文件一样，也有同样的两种方法。 2. 找出需要的元件并连线。对于系统比较复杂的系统，可以 使用网络标号。连线完毕以后，导入到 PCB 图中时，往往有些元件之间没有逻辑连接关系，这可能是在原理图绘制的时候，两个元件之间没有 交点，但是在 检查的时候，两个元件之间，是 连接的。问题就出在连线的时候，连在了引脚上。所以在连线的时候， 需 要注意，在出现黑点以后，再进行连接。 3. 对元件进行标注。实际中，元件的大小是固定的，所以，往往省去元件原理图元件的 part 部分，也就是标注元件大小的部分。这样做有两个好处，一是可以是原理图看的比较清楚，二是可以在 PCB 图连线的时候，看起来比较清晰。 4. 元件的封装，是很重要的一 个步骤。我们可以使用系统提供的固定封装，使用固定的封装，要先在资料上查清楚之后，再进行使用。画封装要注意几个问题， 首先 封装要体现元器件的实际大小，画元器件的实际大小用矩形或者圆形，代表这个区域有元件要放，其余的部件不能占用。 其次是 测量焊盘的大小，实际的元件，尤其是多引脚的焊盘，封装时 一定注意焊盘之间的间距，往往焊盘的间距决定了制版的成功与否。三 是 对于比较大的焊盘，超过 10mm 的焊盘，往往在焊盘的周围布一圈小的过孔，这样不仅可以增强焊盘的导电性，而且可以加强焊盘的牢固性，防止在板子过热时引起 翘 皮，脱落，以影响 电路 板的寿命。四 是 封装中各个引脚的编号，名称和序号要磁 控 报 警 器 的 设 计 与 制 作 12 和原理图中的各个引脚的编号要一致。 最后是 元件的不同，在封装中也 会 有差别 ， 比如，电阻在焊接之前，两个引脚有很长的导体，所以封装的时候可以标 的 宽松，多几毫米没有关系。但 对于电容，两个引脚之间的距离已经固定，要比较精确 了 才能在焊接元器件的时候 进行的比较顺利。 5. 在 tool 中进行进行 ERC 电器规则检测。出现错误时，原理图中会出现绿色的提示，进行修改，再次检测，直到无误。 6.在 design 菜单下实现 ， 创建相关报表 ， 在 report菜单下实现 ， 进入 PCB 图，导入网络表 。在导入网络表中，可能出现问题，在导入网络表中出现的问题，全部是由于封装的问题。可能的问题有：一 是 没有加载自己创建的原理图库文件和 PCB 库文件 ，二是 原理图中元件库的引脚编号和 PCB 文件库中的封装编号 不 相同。 8. 对加载的元器件进行布局。往往按照先大后小的原则。在连线的时候，地线之间可以不必连接，在最后正反面 覆 铜的时候 选择 自动连接。在连线的时候 要 按照就近原则，在不用打孔 、 交叉的情况下，所用线的颜色要和最近的线的颜色相同，以防止以后有交叉的时候，反复变换布线层。在布线刚开始的时候，一定要特别注意 不同线不平行原则 。在系统布线的后期，这样的情况通常也不可避免。目的就是防止在必须过线的时候没有办法打过孔布线。 再就是 先短后长原则，往往先布置两个焊盘比较近的线， 在短线布线完毕以后，再考虑长线。 2 、 原理图设计 磁控报警器的 protel99SE 原理图 如图 8 所示： 图 8 磁控报警器 的原理图 青 岛 滨 海 学 院 毕 业 设 计 13 3、 PCB 设计 磁控报警器的 PCB 图 如图 9 所示： 图 9 磁控报警器 的 PCB 图 四 、实物焊接 1、 材料准 备 在元器件市场购买万能电路板一个、发光二极管两个、电阻四个、三极管四个等所需的元件，导线若干，参考资料以及相关的网站资料，焊接工具有：电烙铁、焊 条、松香等焊接所需要的工具，原理图准备好以后，按照原理图所描绘的，焊接所有元器件。 元器件明细： 元器件明细表 1 元器件 个数 发光二极管 2 个 电阻 4 个 三极管 4 个 集成电路 IC 1 个 蜂鸣器 1 个 干簧管 1 个 电源 3V 1 个 电容 2 个 开关 1 个 磁铁 1 个 磁 控 报 警 器 的 设 计 与 制 作 14 2、 焊接过程 当用 Protel99 软件 制作完成时，接下来，只需利用实物器件，按上述的实验原理在电路板上摆放好每个元件的位置，把每个元件焊接接起来。 1） 基本操作步骤 ： 步骤一：准备施焊 ， 左手拿焊丝，右手握烙铁，进入备焊状态。要求烙铁头保持干净，无焊渣等氧化物，并在表面镀有一层焊锡。 步骤二：加热焊件 ， 烙铁头靠在两焊件的连接处，加热整个焊件全体，时间大约为 1 2 秒钟。对于在印制板上焊接元器件来说，要注意使烙铁头同时接触两个被焊接物。 电路中的导线与接线柱、元器件引线与焊盘要同时均匀受热。 步骤三：送入焊 丝 ， 焊件的焊接面被加热到一定温度时，焊锡丝从烙铁对面接触焊件。 步骤四：移开焊丝 ， 当焊丝熔化一定量后，立即向左上 45方向移开焊丝。 步骤五：移开烙铁 ， 焊锡浸润焊盘和焊件的施焊部位以后，向右上 45 方向移开烙铁，结束焊接。从第三步开始到第五步结束，时间大约也是 1 至 2s 。 2） 对于 热容量小的焊件，例如印制板上较细导线的连接，可以简化为三步操作 ： 步骤一： 准备 ， 左手拿焊丝，右手握烙铁，进入备焊状态。要求烙铁头保持干净，无焊渣等氧化物，并在表面镀有一层焊锡。 步骤二： 加热与送丝 ， 烙铁头放在焊件上后 即放入焊丝。 步骤三： 去丝移烙铁 ， 焊锡在焊接面上浸润扩散达到预期范围后，立即拿开焊丝并移开烙铁， 注意移去焊丝的时间不得滞后于移开烙铁的时间。对于吸收低热量的焊件而言，上述整个过程的时间不过 2 至 4s ，各步骤的节奏控制，顺序的准确掌握，动作的熟练协调，都是要通过大量实践并用心体会才能解决的问题。 3、 验证测试 焊接完成后，在实物板的电源通上合适的电压（ 3.0V），打开开关，移动磁铁，观察发光二极管是否会亮以及蜂鸣器是否会响即可，调节实物中的开关制发光二级管的亮度以及蜂鸣器的声音大小。 可将此报警器安装在门 的两侧检测报警器的灵敏度和可靠性。实验验证后，做好记录，报警器的反应时间及磁铁的移动距离与报警器的反应时间等。可以反复在不同的环境下进行实验以验证磁控报警器的可靠性。 青 岛 滨 海 学 院 毕 业 设 计 15 结论 经过长达一个月的设计与思考，最终在 Protel99SE 软件上完成了磁控式防盗报警器的 制作，期 间遇到了许多问题，但最后都一一得到解决。在整个设计过程中，通过自己借阅相关的书籍，我 进一步 掌握了 Protel99se的基本操作和调试，开拓了知识面。我认真学习了 Protel 99SE 软件，受益 颇多， 总体来说， 毕业设计 还是比较顺利的 。 现将心得 体会总结如下： 1、设计初期要考虑周到，否则后期改进很困难。应该在初期就多思考几个问题，进行详细了解，选择最合适的方法动手设计。总体设计原理在整个设计过程中非常重要，应该充分了解电路的原理。 2、设计时，多使用已学的方法 和相关知识 ，如 Protel99se 的操作方法等，要整体考虑，不可看一步，做一步。在整体设计都正确后，再寻求简化的方法。 3、在设计某些模块的时候无法把握住整体，这时可以先进行小部分功能的实现，在此基础上进行改进，虽然可能