多源自锁式声光报警电路的设计与实现

实验题目：多源自锁式声光报警电路的设计与实现

1.课程简要信息 {#课程简要信息}

课程名称：模拟电子技术基础

课程学时：70学时

项目学时：课内4学时+课外自主

适用专业：信息通信类各专业

学生年级：二年级、第二学期

2.实验内容与任务 {#实验内容与任务}

在信息化时代的生产生活及军事活动中，需要对人员行动、车辆运动、地面震动、物品移动等多种活动进行检测报警，例如地震报警、车辆防盗报警、贵重展品安防、弹药库安防、坦克车辆运动检测、前沿阵地预警防护等。本实验要求同学们结合以上应用场景，利用所学二极管、三极管等基本元器件设计多源自锁式声光报警电路。

任务要求：

（1）设计由三极管构成的互补振荡电路，合理选用器件，使得振荡电路驱动扬声器由低音变成高音，当震动传感器震动时实现报警功能。

（2）设计由扬声器和发光二极管构成报警电路，当震动传感器震动时三极管导通，实现声光报警。

（3）调试完成由震动传感器和报警执行电路组成的震动信号检测报警电路。

（4）设计由常开开关、细导线、红外传感器构成的报警信号传感电路，常开开关可以控制报警电路工作状态，细导线可以通过通断状态变化感知人员和车辆行动以产生报警信号，红外传感器可以通过感知红外产生报警信号。

（5）设计由二极管、三极管组成的报警控制电路，可以对报警信号进行自锁定和解除锁定等功能。

（6）调试完成由传感电路、报警控制电路和报警执行电路组成的多源自锁式声光报警电路。

3.实验过程及要求 {#实验过程及要求}

（1）复习三极管的相关知识，学习三极管的应用电路；

（2）构思震动触发方式，设计可以调节音量且报警器由低音变成高音声光报警电路；

（3）查阅相关资料，选择合适的三极管和二极管型号，在基础功能实现的基础上优化功能实现自锁式声光报警控制电路的设计；

（4）搭建电路并完成实验测试，观察对震动信号的灵敏度，记录实验现象，测量各输出端电压和波形，对震动信号检测报警电路和多源自锁式声光报警电路进行功能测试；

（5）撰写实验报告，并通过分组演讲，学习交流实验心得，总结三极管的典型应用，提出自锁式声光报警电路在不同应用场景的功能拓展，并讨论设计方案。

4.相关知识及背景 {#相关知识及背景}

这是运用三极管解决实际问题的典型应用电路，是一个覆盖了三极管工作在不同状态下实现实际应用的典型案例，是三极管在三种不同状态下的功能电路的巧妙结合，需要掌握三极管类型与极性判别、不同工作区的工作特点，触发电压鉴别电路、自锁电路和互补振荡电路工作原理等相关三极管的基础知识，其中涉及到三极管构成的自激振荡电路、反馈放大电路等后续教学知识点的衔接、扩充和延伸。

5.实验环境条件 {#实验环境条件}

Multisim仿真软件、电子技术实验箱或面包板、直流稳压电源、示波器、万用表、二极管、三极管、电阻、电容等。

6.教学目标与目的 {#教学目标与目的}

通过多源自锁式声光报警电路的实验过程，达到以下教学目标：

（1）知识目标：熟悉二极管、三极管的工作原理；掌握三极管构成典型功能电路的设计方法及调试方法。

（2）能力目标：能够根据电路性能指标要求，通过参数计算合理选择元器件类型和型号，通过电路设计、搭接及调试提升电路综合应用能力。

（3）素质目标：体验独立思考、学以致用的治学过程，养成科学严谨的作风，培养创新思维意识。

7.教学设计与实施进程 {#教学设计与实施进程}

本实验为《模拟电子技术基础》课程半导体器件章节的拓展性实验，考察的是典型的二极管、三极管的应用电路的综合应用能力，需要经历方案电路设计与仿真、器件选择、实验验证、实验总结等过程。在实验教学中，采用混和模式下“对分课堂”教学方法提高教学效果，教学过程分为电路设计阶段、方案验证阶段和实验总结阶段。根据实验内容并结合教学对象，对“对分课堂”教学环节进行调整，把单一的课堂同步交互扩展为课堂同步交互与网络异步交互相结合，通过课前准备和课后拓展提高学生的有效学习。按照时间（课前准备、课中对分、课后拓展）、空间（线上、线下）、角色（教师、学生）三个维度安排教学过程。

●电路设计阶段：

（1）课前老师通过雨课堂发布实验任务及设计提示，引导学生回顾二极管、三极管的典型应用电路。

（2）引导学生查阅震动传感器的相关资料，构思设计震动信号的检测电路，选择合适的元件参数。

（3）设计报警执行电路。提醒学生分析清楚电路功能，讨论三极管构成的振荡电路的设计，引导学生根据功能要求选择合适的振荡电路的设计；对报警执行电路，引导学生完成声光控制。报警执行电路主要由晶体三极管、发光二极管、扬声器组成，其主要功能是发出报警信息。

（4）对设计的震动信号的检测电路进行仿真验证。

（5）传感部分的主要功能是启动报警装置，引导学生思考如何阻止人为破坏，设计报警执行电路，并引导学生思考如何增强报警系统的安全性、可靠性。

（6）完成电路的整体设计，并通过雨课堂提交电路设计和测试方案进行仿真和验证。

（7）老师对学生提交的实验方案进行批阅并提出修改建议，学生根据反馈意见进一步完善设计方案。

●方案验证阶段：

（1）分组讨论设计方案，引导学生对设计中关键电路设计的重难点问题展开讨论，教师答疑解惑，并进行总结点评，学生再一次完善设计方案和实验测试方案。这一过程使得学生解开自己心中疑惑，理解固化所学知识。

（2）按照电路设计制作实物电路并进行测试，教师提醒学生记录测量数据和实验现象，注意电源的使用规范、电路连接的规范、实验操作的规范、机务作风等。鼓励学生独立思考并解决实验中遇到的问题，并尝试使用不同的方案实现并比较每种方案的优劣。

（3）鼓励学生对电路功能或性能进行进一步优化、拓展和创新。

●实验总结阶段：

（1）实验完成后，可以组织学生以优秀电路展示、学生讲评、互评、交流心得形式进行交流，总结实验心得，并对自锁式声光报警电路在不同场合的应用电路进行拓展创新的构思引导，并选择一个在课后进行实践。

（2）按要求完成实验报告，完成最终成绩的评定。

8.实验原理及方案 {#实验原理及方案}

（1）实验的基本原理

①晶体二极管基本原理

晶体二极管加正向电压时处于导通状态，电流比较大，二极管两端可测出0.7V（0.2V）的电压，这个电压叫正向压降；二极管加反向电压时处于截止状态，电流极小，二极管相当于开路，二极管的这一特性称为单向导电性。发光二极管是由电能转化为光能的半导体元器件，它也是由PN结构成，其基本功能与普通二极管相似，不过正向导通压降大一些。发光二极管可以用来警示报警信息。

②晶体三极管基本原理

晶体三极管是由两个靠的很近且背对背排列的PN结、三个导电区和三个电极组合而成，根据PN结排列方式不同，晶体三极管分为NPN和PNP两种类型。晶体三极管是非线性的器件，其主要特性与工作模式有关，晶体管工作在饱和区与截止区时，晶体管将呈现低阻或高阻状态，其行为类似一个开关。

截止状态：若加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，如图1，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，即为三极管的截止状态。开关三极管处于截止状态的特征是发射结、集电结均处于反向偏置。IB趋近于0(VBE亦趋近于0)，C极与E极间约呈断路状态，IC=0，VCE=VCC。

饱和状态：加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，如图2，且当基极的电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，三极管失去电流放大作用，集电极和发射极之间的电压很小，相当于开关的导通状态，即三极管的导通状态。三极管处于饱和导通状态的特征是发射结、集电结均处于正向偏置，VCE≈0V。

（2）实验方案

本次实验方案由基础部分、拓展部分和创新部分组成，基础部分实现了震动信号检测报警功能，拓展部份实现了多信号源检测自锁式声光报警功能，创新部分使设计电路应用更广阔的应用场景。

**基础部分：**按照“震动传感器--报警执行电路”组成电路，实现震动信号检测报警功能。

①震动传感器

震动传感器采用高灵敏度传感器SW-18010P，如图3。该传感器额定电流：0.2MA，额定电压：12V。SW-18010P在静止时处于开路（OFF）状态，电阻无穷大；SW-18010P无方向性，任何方向均可触发工作，当受到外力碰撞而达到适当震动动力作用，或移动速度达到适当离（偏）心力时震动传感器处于短路（ON）状态，电阻为零。

②报警执行电路

报警执行电路主要由晶体三极管、发光二极管、扬声器组成，其主要功能是发出报警信息。VT4、VT5、R9、R10、R11、C3、C4构成自激振荡电路，C3的值决定声音的延时，C4的值决定音量的高低，通过实际验证C4=15nF较佳。当震动传感器工作或者前端的传感部分受到人为破坏时，报警执行电路带动扬声器及发光二极管工作进行声光报警。报警执行电路如图4所示。

“震动传感器--报警执行电路”构成简易的震动信号检测报警电路，如图5所示。

基础部分完成震动信号报警电路的基本功能，但电路在功能上存在一定的缺陷，当震动信号报警电路被人为破坏时，报警器将无法正常工作，因此鼓励学生对设计方案的基本部分进行功能拓展，增加对人为破坏检测电路等功能进行完善。

**拓展部分：**按照“传感电路--报警控制电路--声光报警执行电路”组成电路，实现多源自锁式声光报警电路。

该部分电路重点在于功能拓展完善，使声光报警功能更全面、更可靠、更实用。在一些应用场景中，为了提高报警的安全性和可靠性，可以增加更多的传感器实现对多种信号源的感知，本部分在基础震动检测的基础上拓展了红外传感和细导线两种传感方式，细导线可以通过通断状态变化感知人员和车辆行动产生报警信号，红外传感器可以通过感知人员和车辆红外信号产生报警。由三极管、二极管构成报警控制电路，报警控制电路由触发鉴别电路和报警自锁电路组成，触发鉴别电路通过电压检测实现报警信号识别，报警自锁电路可以实现对信号的锁定，报警信号识别之后即使信号源消失，声光报警也持续工作，除非按下复位开关或切断电源才终止报警，这样系统功能更完善，在一些特定场景中能提高预防报警的灵敏性和实用性。报警执行电路采用声光复合报警方式，报警提示信息更直观、更明显，效果更好。

①报警传感电路

报警传感电路主要功能是启动报警装置，采用常开开关、红外传感器和细导线感知报警信号，电路如图6所示。当报警传感电路短路或断路或红外模块感知人员或者车辆、坦克等的行动时都会引起报警系统报警，增强了报警系统的安全性、可靠性。

②报警控制电路

报警控制电路是整个报警系统的核心部分，主要是由二极管、三极管及外围元件构成触发电压鉴别电路及自锁电路。

正常状态下，报警系统传感部分输入端为低电压，组成触发电压鉴别电路的两只晶体三极管均截止。当启动报警系统传感部分时，传感部分输入端电压升高，电路中的晶体二极管导通，同时组成触发电压鉴别电路的三极管导通，从而控制自锁电路及报警系统执行电路工作。自锁电路由两只三极管VT2和VT3及负载电阻器R8组成，正常状态下，组成自锁电路的两只晶体三极管VT2和VT3分别工作在导通状态或截止状态。报警电路一旦发生报警，随传感部分输入端电压的变化，组成自锁电路的两只晶体三极管VT2和VT3的工作状态发生变化，并由负载电阻器维持晶体三极管导通所需基极电压，使自锁电路发挥作用。由于自锁电路的控制，即使不再进行人为报警，也能继续报警电路的工作，达到自锁的目的。要解除报警状态，只有按下复位开关K2，或切断电源。所以自锁电路是报警系统控制电路不可或缺的重要组成部分。报警控制电路原理图如图7所示。

以下为推算计算过程：

当K1断开或者细导线未断，R5=1kΩ，R6=10kΩ，R8=1kΩ,二极管VD1的左端电压值为0.42V，对于硅材料二极管，PN结导通电压取0.7V，故二极管VD1截止。VT2和VT3截止。当K1闭合或者细导线断时，二极管VD1的左端测量值为1.17V，二极管VD1、三极管VT1、VT2导通，VT3截至。三极管VT1、VT2、构成触发电压鉴别电路。由两只三极管VT2和VT3及负载电阻器R4组成自锁电路，报警执行电路工作，扬声器发声，发光二极管发光，实现光电报警。

由于自锁电路的控制，即使不再进行人为破坏，仍处于报警状态，达到自锁的目的。要解除报警状态，只有按下复位开关K2，或切断电源。VT1选用实验室常用的S9012,VT2、VT3、VT4选用2N5551,VT5选用3AX81，通过测量R8取2kΩ以上或者400Ω以下报警电路会发生误报警，经过反复测试R8取1kΩ效果较好。

③报警执行电路

报警执行电路主要由晶体三极管、发光二极管、扬声器组成，其主要功能是发出报警信息。VT4、VT5、R9、R10、R11、C3、C4构成自激振荡电路，C3的值决定声音的延时，C4的值决定音量的高低，通过实际验证C4=15nF较佳。当震动传感器工作或者前端的传感部分受到人为破坏时，报警执行电路带动扬声器及发光二极管工作进行声光报警。

a）震动信号声光报警执行电路

震动传感器工作时，C3充电，扬声器音调升高，震动传感器不工作时，C3放电，音调下降。因此构成了变音报警电路部分。其中上升时间或下降时间由C3的充电常数决定，C3越大上升时间或下降时间越长，通过实测C3取47ｕF效果较好，C4=15nF较佳。报警执行电路如图8所示，实测波形如图9所示。

b）报警控制执行电路

当传感部分受到人为破坏时，VT4、VT5、R9、R10、R11、C3、C4构成自激振荡电路带动扬声器及发光二极管工作进行声光报警。直到报警控制中心接到信号闭合按钮开关K2解除自锁功能或切断电源才能中断报警，电路原理图如图10。

通过报警控制执行电路区分发生震动报警和人为破坏报警，增强了自锁式声光报警电路的安全性、可靠性和实用性。

传感电路--三极管构成的报警控制电路--三极管构成的报警执行电路，前后级电路整合在一起，最终得到的多源自锁式声光报警电路，如图11所示。仿真电路及波形如图12所示。

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**创新部分：**为了使电路适用于更多的应用场景，可以在基本功实现的基础上进行创新运用，挑战性地尝试结合一些最新的技术完善电路功能。比如输入端增加视觉识别模块实现对陌生人闯入的报警；增加蓝牙模块实现报警信号近距离的无线报警，增加无线模块实现报警信号的远距离传输。以下给出一些参考的功能模块供学生选择使用。

①视觉识别模块（K210）

主要功能：支持人脸识别、口罩识别、条形码和二维码识别、特征检测、数字识别、多颜色识别、路标识别和视觉巡线等视觉识别功能。

主要参数：采用Kendryte K210 AI芯片，搭载64位RISC-V内核处理器，算力高达1TOPS；内置2.0英寸LCD电容触摸屏，分辨率320*240；搭载200W像素高清摄像头；具备USB通信、串口通信电路；RGB灯可自编程自定义功能按键，用户可自定义编程需求。

②蓝牙模块

主要功能：实现数据传输功能，通过主从模块的形式，对一定空间范围内的报警信号源以无线信号的形式进行汇聚，以避免通过有线连接带来的部署复杂、成本高、速度慢等问题。

主要参数：遵循蓝牙2.0协议，支持SPP蓝牙串口协议，支持UART接口，工作电压3.6V-6V，发射功率4dBm，通信距离10米。

③无线传输模块（NRF24L01）

主要功能：实现2.4-2.5GHz世界通用ISM频段的无线收发功能。

主要参数：发射功率6dBm时工作电流9mA，接受模式12.3mA；通信距离空旷地带180-240米；通信速率最高2Mbps；工作电压：1.9~3.6V；工作频点支持125个，可实现跳频通信。

9.实验报告要求 {#实验报告要求}

实验报告需要反映以下工作：

（1）任务要求分析

分析实验任务要求，明确电路功能要求和指标要求。

（2）实验方案设计

根据实验任务要求，分析要达成目标要求所需的单元电路，分析每个单元电路功能及实现方法，并确定主要元器件的型号和参数值。

（3）电路测试方法

根据当前实验室的条件提出功能测试的实验方案，列出实验条件、实验方法和步骤等。

（4）实验测试记录和分析

对实验的测试过程进行记录，列出实验条件和结果。若实验结果不如预期，则需分析实验失败的原因。若需调整元器件参数或改变实验电路，则需记录每一步的改变以及改变的结果。

（5）实验结果总结

对实验完成情况进行总结，总结实验成败的经验和实验心得。特别是对实验过程中失败的经验，小组进行失败的原因反思和总结。

10.考核要求与方法 {#考核要求与方法}

（1）方案设计

考察方案论证、电路设计和测试方案设计的情况。允许有多个设计方案，但必须包含详细的电路功能分析。（20分）

（2）实物验收

对实物电路进行验收，重点是电路功能和性能是否达标，电路连接尽量美观、整洁，按照完成情况、完成时间、完成质量区分不同档位分别记分。（45分）

（3）自主创新

对电路功能的拓展及创新，必须提出有实际应用意义的改进方案。（15分）

（4）实验报告

实验报告的规范性与完整性。特别是实验测试、调整的过程和结果。（10分）

（5）科学精神和机务作风

实事求是、严谨认真的科学精神；整洁有序、严格规范的操作作风；对仪器仪表和元器件的爱惜和维护。（10分）

其中1在实验开始之前，通过雨课堂检查设计方案进行考核。2、3、5在实验过程中通过现场检查进行考核。4在实验结束后通过批阅实验报告进行考核。

11.项目特色或创新 {#项目特色或创新}

主要特色和创新体现在以下几个方面：

（1）巧妙地利用三极管的饱和、放大、截止功能，设计简单可行实际应用电路，使三极管功能电路更加饱满，学生通过实验过程对三极管的工作特性和应用有了直观的感受和更深层次的理解，有效解决了模拟电子技术理论抽象、电路复杂等学习难题；

（2）采用混和模式下“对分课堂”教学方法提高教学的有效性，按照时间、空间、角色三个维度安排教学过程提升教学效果。

（3）“兴趣是最好的老师”，结合生产生活与军事应用需求激发学生的学习热情，学生的浓厚兴趣是开展本次实验教学的扎实基础。

（4）本次实验设计包括基础部分、拓展部分、创新部分，每一部分都注重基础、难度可控，使学生在循序渐进中有效提升电路应用能力和实践创新思维能力。

佐证材料1——学生实验报告

佐证材料2——学生优秀实验电路

佐证材料3——课程教学计划