Разработка схемы устройства тревожной сигнализации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Государственный технический университет

Московский авиационный институт

(национальный исследовательский университет)

Факультет 3 "Системы управления, информатика и электроэнергетика"

Кафедра 310 "Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы"

Курсовая работа

Разработка схемы устройства тревожной сигнализации

Руководитель:

доц. каф. 310, к.т.н.

Дубенский Г.А.

Студент:

гр. 3О-215 Б

Лазарева Я.А.

Москва, 2014 г.

Содержание

Введение

1. Технические требования на разработку схемы устройства тревожной сигнализации

2. Структурная электрическая схема и её описание

3. Принципиальная электрическая схема и её описание

4. Выбор элементов и расчёт параметров

Список использованной литературы

Введение

Устройства тревожной сигнализации широко используются как в быту, так и в промышленных и медицинских условиях. Такие устройства необходимы для охраны материальных ценностей, для защиты банков, торговых центров, больниц, школ, детских садов от проникновения, для оповещения медперсонала лечебного учреждения о необходимости подойти к пациенту.

Цель данной курсовой работы и проектируемого устройства тревожной сигнализации - разработать чувствительный и простой прибор с несколькими кнопками, нажатие пользователя на которые выдавало бы прерывистый мигающий сигнал и звук для привлечения внимания, а также получить практические навыки по разработке и расчету схем электронных устройств.

1. Технические требования на разработку схемы устройства тревожной сигнализации

Устройство тревожной сигнализации должно формировать прерывистый звуковой и световой сигнал при возникновении кратковременного электрического сигнала в произвольный момент времени на любом из трех входов или одновременно на нескольких входах. Устройство должно отображать информацию по какому или каким из входов пришел тревожный сигнал. Устройство должно иметь кнопку сброса тревожного сигнала.

Длительность входного сигнала не менее 1 мс.

При разработке схемы устройства использовать интегральные микросхемы ТТЛ структур.

Напряжение Uп схемы принять равным 5 В.

2. Структурная электрическая схема и её описание

Схема структурная электрическая (Э1) определяет основные функциональные части изделия, их назначение и связи и служит для общего ознакомления с проектируемым изделием.

Все функциональные части схемы изображены в виде прямоугольников и условных графических обозначений с указанием типа элемента.

Структурная схема устройства тревожной сигнализации представлена на чертеже. Данная схема содержит:

- кнопки входного сигнала S (3);

- кнопка сброса S4 (1);

- запоминающие устройства ЗУ (3);

- логические элементы И, ИЛИ;

- усилители мощности УМ (4);

- светодиоды HL (3);

- звуковой элемент BA (1);

- генераторы сигналов (2).

При нажатии на любую кнопку (например, на кнопку S1), т.е. замыкании ключа, сигнал поступает на запоминающее устройство ЗУ1 (асинхронный RS-триггер). Так как сразу после включения питания и до подачи управляющих сигналов триггер устанавливается в произвольное, непредсказуемое состояние (либо 1, либо 0), необходимо предусмотреть кнопку сброса S4 входа. Тогда после включения питания при единичном нажатии кнопки сброса на выходе триггера будет обеспечено нулевое состояние.

После подачи управляющего сигнала выход триггера перейдёт в единичное состояние.

Триггер запоминает поступивший сигнал, даже если поступление было кратковременным, и посылает дальше по цепи на логический элемент И1, с которым же соединён низкочастотный генератор с f=1 Гц (генератор 1), выполненный на двух триггерах Шмитта. Такая частота обусловлена необходимостью получения прерывистого светового сигнала с периодом в 1 с. На элемент И1 от генератора подаётся импульс.

Перемноженный прерывистый по свойствам элемента И1 сигнал попадает на усилитель. Полученный прерывистый сигнал слабый, его необходимо усилить. Для этого устройство содержит усилитель мощности УМ1, выполненный на биполярном транзисторе. От усилителя мощности сигнал подаётся светодиод HL1, который формирует световое излучение.

Этот же принцип распространяется на остальные ключи.

Для формирования звукового сигнала также нужно запоминающее устройство.

При нажатии на любую из кнопок S (кроме S4) или все сразу сигналы с И1, И2 и И3 поступают на логический элемент ИЛИ и в нём суммируются. После суммирования сигнал подаётся на логический элемент И4, где умножается на импульсы с генератора 1 и генератора 2 (f=1 кГц). После перемножения сигнал поступает на усилитель мощности УМ4. При совпадении сигналов ЗУ и генераторов и прохождении сигнала через усилитель включается динамик.

3. Принципиальная электрическая схема и её описание

Схема электрическая принципиальная определяет полный состав элементов изделия и даёт детальное представление о принципе работы изделия. Принципиальная электрическая схема устройства построена в полном соответствии с её структурной схемой.

В схеме использованы полупроводниковые интегральные микросхемы на ТТЛ.

Устройство тревожной сигнализации, разработка которого требуется в данной работе, выдаёт прерывистый световой сигнал на одном из трёх светодиодов: HL1, HL2 или HL3.

Сигнал, на них подаваемый, усиливается одним из каскадов, каждый из которых выполнен на биполярном транзисторе (VT1, VT2 или VT3). К усилителям подключены логические элементы DD6 (инвертор), DD3 (элемент логического умножения с инвертированным входом), DD1 и DD2 (триггеры). Логические элементы DD1 и DD2 отвечают за запоминание сигнала, появившегося при нажатии тревожной кнопки. DD3 умножает запомненный сигнал на импульс генератора низкой частоты, однако на выходе сигнал инвертируется. Для получения неинвертированного сигнала установлен инвертор DD6, сигнал с которого и подаётся на усилительный каскад.

Для формирования звукового сигнала нужен как высоко-, так и низкочастотный генератор и логические элементы DD5, DD4 и DD6.4-DD6.5, а также динамик, который будет преобразует сигнал в звук и воспроизведёт его. DD5 суммирует сигналы, поступающие с тревожных кнопок и передаёт на инвертор DD6.4, так как у микросхемы, на которой выполнен элемент DD5, инвертированный выход. DD4 умножает сигнал с DD5 и высоко- и низкочастотных генераторов и также передаёт на инвертор. После прохождения DD4 и его инвертора DD6.5 сигнал усиливается биполярным транзистором VT4 и передаётся на динамик. Динамик в свою очередь формирует звуковой сигнал.

Рассмотрим, как будет работать схема при нажатии тревожной кнопки S1. Наличие постоянного напряжения +5В, обеспечивающего питание всех элементов схемы, предполагается заранее.

При замыкании ключа (т.е. нажатии тревожной кнопки) S1 сила тока будет плавно нарастать, а на выход (ножку 1) элемента DD1.1 будет подана логическая единица (выходное напряжение высокого уровня; 2,4 В).

Таблица истинности для триггера на ИЛИ-НЕ[4]:

Далее с ножки 1 DD1.1 высокое напряжение появляется на ножке 1 элемента DD3.1. Ножка 2 этого элемента принимает прямоугольные импульсы с генератора низкой частоты. Генератор представляет собой мультивибратор на двух триггерах Шмитта (DD7.1; DD7.2) с инверсными выходами, резисторе R4 и конденсаторе C1. Передаточная характеристика каждого триггера Шмитта имеет гистерезисный характер, который нужен для подавления дребезга кнопок. Времязадающая RC-цепь определяет экспоненциальные процессы перезаряда конденсатора с постоянными времени. В начальный момент времени (момент подключения Uп) конденсатор C1 разряжен, напряжение на прямом входе Uвх=0; на инверсном выходе триггера устанавливается высокий уровень U', который обусловливает заряд конденсатора через резистор R4. Входное напряжение U эскпоненциально нарастает, асимптотически стремясь к уровню U'. В момент сравнения Uвх с первым пороговым напряжением Uпор, выходное напряжение скачком переключается до низкого уровня U0, что вызывает разрядку конденсатора. Напряжение Uвх экспоненциально падает, стремясь в пределе к U0; в момент, когда Uвх сравнивается со вторым пороговым напряжением Uпор, триггер переключается в новое состояние с высоким уровнем U' на выходе, начинается новый цикл заряда. Таким образом, мультивибратор самовозбуждается и генерирует прямоугольные импульсы. [1]

При подаче единицы на обе ножки DD3.1 на выходе (ножка 1) получаем 0. Любая другая комбинация вызовет появление на выходе DD3.1 единицы. Инвертор DD6.1 преобразует полученное на выходе DD3.1 значение: ноль в единицу, что нам и требуется иметь; единицу - в ноль.

Напряжение высокого уровня (единица) поступает на вход усилителя через резистор R6, необходимый для ограничение тока базы. Переход ЭБ (эмиттер-база) транзистора VT1 открывается; коллекторный ток увеличивается; сигнал, поступивший на базу, усиливается. На выходе (светодиод HL1) появляется световое излучение.

Этот же принцип реализуется и для двух других тревожных кнопок.

Рассмотрим теперь процесс формирования звукового сигнала при нажатии на кнопку S1. Логическая единица ножки 3 элемента DD1.1 поступает на любой один из входов элемента DD5.1. Другие два входа этого элемента соединены соответственно с выходами элементов DD1.3 и DD2.1. Обозначим выход DD1.1 как Х1; DD1.3 - X2; DD2.1 - X3. Тогда таблица истинности для выхода Y элемента DD5.1 будет выглядеть следующим образом:

Из таблицы видно, что подача сигнала от любой кнопки или двух/трёх сразу вызывает на выходе DD5.1 логический 0. Для формирования звукового сигнала нужно напряжение высокого уровня, а значит, требуется логическая единица. Для этого к ножке 6 элемента DD5.1 подключаем инвертор НЕ (DD6.5), который преобразует 0 в 1. После этого единица поступает на вход усилителя через резистор R12. Транзистор VT4 открывается; появляется звуковой сигнал.

4. Выбор элементов и расчёт параметров

1. DD1, DD2: запоминающие устройства - асинхронный RS-триггер на 2ИЛИ-НЕ - К155ЛЕ1.

2. DD3: четыре элемента 2И-НЕ - К155ЛА3.

3. DD4: два элемента 4И-НЕ - К155ЛА1.

4. DD5: три элемента 3ИЛИ-НЕ - К155ЛЕ4.

5. DD6: шесть элементов НЕ - К155ЛН1.

6. DD7: шесть элементов НЕ с характеристикой триггера Шмитта - К155ТЛ2 (7414).

7. VT1-VT4: биполярные npn транзисторы - КТ3102А.

8. HL1-HL3: светодиоды - АЛ316.

9. BA1: звуковой динамик - HC0905F.

10. R1-R12: резисторы - С2-33.

11. C1-C2: конденсаторы - К10-79 Н90.[2][3]

Расчёт усилителя мощности на базе биполярного транзистора КТ3102А.[5][8]

сигнализация электрический тревожный звук

- коэффициент скважности.

Схема усилителя представлена на рис.:

В предположении, что втекающий ток I=0,1 мА, проведём расчёт резисторов и мощности, на них выделяемой:

Расчёт времязадающих параметров генераторов.

1) Для генератора 1 (f=1 Гц)

Выберем конденсатор К10-79 (группа ТКЕ - Н90) ёмкостью 100 мкФ для номинального напряжения U=10 В.

Тогда:

2) Для генератора 2 (f=1 кГц)

Выберем конденсатор К10-79 (группа ТКЕ - Н90) ёмкостью 1 мкФ для номинального напряжения U=10 В.

Тогда:

Расчёт резисторов R1-R3.

Предполагая, что в цепи идёт ток I=10 мА:

Список использованной литературы

1. Зубчук В.И. Справочник по цифровой схемотехнике / В.И. Зубчук, В.П. Сигорский, А.Н. Шкуро. - К.: Тэхника, 1990. - 448 с.

2. Электронные приборы и устройства на их основе: Справочная книга / Ю.А. Быстров, С.А. Гамкрелидзе, Е.Б. Иссерлин, В.П. Черепанов. - М.: ИП РадиоСофт, 2002. - 656 с.

3. Электронный ресурс: http://www.microshemca.ru

4. Кауфман М., Сидман А.Г. Практическое руководство по расчётам схем в электронике: Справочник / Под ред. Ф.Н. Покровского. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 368, т. 1

5. Электронный ресурс: http://www.ikalogic.com/bjt-switches/

6. Электронный ресурс: http://www.trzrus.narod.ru/

7. Электронный ресурс: http://kaf310.mai.ru/kp_.html

8. Лекционный материал.

Размещено на Allbest.ru