智能式可視門鈴的設計研究

陳婧瑤 中國傳媒大學信息工程學院通信工程08級 100024

智能式可視門鈴的設計研究

陳婧瑤 中國傳媒大學信息工程學院通信工程08級 100024

本次設計研究為基于兩片555觸發器的實用電路。所謂“智能式可視”門鈴即在主人手動控制的不同狀態下，客人按下門鈴時屏幕上會閃爍顯示不同的字母，以便客人了解主人當前的情況。通過基于555觸發器的單穩態觸發器、多諧振蕩器及LED點陣來實現該功能。

555 觸發器；單穩態觸發器；多諧振蕩器；LED點陣

1 前言

“可視”門鈴可分為兩部分，其一為開關部分，其二為狀態選擇及顯示部分。開關部分通過單穩態觸發器（觸摸開關），多諧振蕩器（秒脈沖）和NPN三極管開關實現，狀態選擇及顯示部分可通過開關控制的LED點陣實現。

當客人用手觸摸門鈴開關（開關）時，發光二極管點陣可根據主人所設置的狀態閃爍顯示不同的字母。若“允許進入”顯示“I” ；若“不便接待”，顯示“X”；若“已經外出”顯示“O”。

2 總體方案設計

2.1 開關部分的方案選擇

方案一：(如圖1)

方案二：(如圖1)

方案三：(如圖1)

方案選擇：

圖1

圖3

方案一中，5 5 5觸發器的驅動能力有限，電流過大易導致器件發熱損壞，不能可靠地驅動多個并聯的LED。

方案二中，u A 741的最大輸出電流僅28m A左右，無法用于驅動LED點陣。

方案三中，三極管工作于開關狀態。由于秒脈沖的輸出信號為開關信號，接入NPN型三極管使其工作在開關狀態，即可完成LED的驅動電路。此時555觸發器的輸出接三極管的基極，工作電流滿足要求。

綜上所述，選擇方案三為設計方案。

2.2 顯示部分的方案選擇

方案一：

用5個3*3的LED點陣，若“允許進入”顯示“come” ；若“不便接待”，顯示“n igh t”；若“已經外出”顯示“no t in”。

com e效果示意：(如圖2)

n igh t效果示意：(如圖2)

not in效果示意：(如圖2)

方案二：

用一個4*4的LED點陣，若“允許進入”顯示“I” ；若“不便接待”，顯示“X”；若“已經外出”顯示“O”。

效果示意：

I效果示意：如圖3

X效果示意：如圖3

O效果示意：如圖3

方案選擇：

方案一與方案二相比，要顯示的內容比較復雜，但發光管數量又相對太少，導致其實顯示效果不太理想，客人很難正確理解顯示內容。而且方案一的二極管點陣遠比方案二復雜，電路焊接困難更大，工作時耗能也比較大，不符合“節能環保”的新生活理念。

綜上所述，選擇方案二為顯示方案。

3 單元模塊設計

電路設計圖：

3.1 觸摸開關部分（單穩態觸發器）

圖中右半部分為觸摸開關部分，箭頭處（U 1的2腳）連接金屬片；

如原理圖所示，U 1為由555組成的單穩態觸發器。當手觸摸金屬片時相當于輸入一負脈沖，555內部比較器翻轉，使輸出變為高電平即V o=5V，直到電容C 1上的電壓為三分之二V c c。輸出高電平的時間為t=1.1RC=11s。[1]

此高電平輸出作為多諧振蕩器的工作電壓。

圖2

3.2秒脈沖部分（多諧振蕩器）

中間部分為秒脈沖，當有人觸摸開關時，U 1輸出約為10s的高電平，U 3工作，發生秒脈沖；

如原理圖所示，U 3為由555組成的多諧振蕩器電路。

脈沖波的頻率為f=1.43/（R 4+2R 3）C=1H z。[2]

R 2：防止555的負載電流過大；

3.3 NPN三極管Q1

Q1起開關作用：B級輸入為高電平時，開關接通，二極管點陣點亮；B級輸入為低電平時，開關斷開，二極管點陣不發光。

無人按門鈴時，B級輸入為低電平，二極管點陣不發光，有人按門鈴時，U 3輸出持續約10s的秒脈沖，二極管閃爍。

3.4 狀態選擇及顯示部分（開關控制的LED點陣）

左半部分為狀態選擇及顯示部分，LED處為發光二極管點陣。LED點陣根據不同的狀態選擇，按照脈沖波的頻率閃爍顯示不同的字母：閉合K 1顯示“X”閉合K 1K 2顯示“I”閉合K 2K 3顯示“O”。

K 1，K 2，K 3分別控制不同的二極管：K 1控制（1,1）（1,4）（2,2）（2,3）（3,2）（3,3）（4,1）（4,2）顯示為“X”，也是“I”顯示所需部分；K 2控制（1,2）（1,3）（4,2）（4,3）為顯示“I”“O”的公共部分；K 3控制（2,1）（2,4）（3,1）（3,4）為顯示“O”所需部分；故閉合K 1顯示“X”，閉合K 1K 2顯示“I”，閉合K 2K 3顯示“O”。

R6：防止二極管中電流過大。R6=（5-1.7-0.3）/（0.03*12）=82Ω

4 軟件仿真

4.1 M u ltisim仿真實驗

電源：5V

觸摸開關輸出高電平：5V

秒脈沖輸出高電平：5V

仿真實驗結果圖如圖4。

圖4

5 功能測試

5.1 面包板測試數據

測試方法：暫不接入LED點陣，測試觸摸開關及秒脈沖的輸出信號。

測試結果：電源：6V

觸摸開關輸出高電平：4.3V

秒脈沖輸出高電平：4V

5.2 焊接電路板實驗測試

實物圖5。

圖5

測試方法：

依據設計電路將各元件焊接在電路板上，接入5V的開關電源，測試電路功能。

測試結果及效果圖：(如圖6)

閉合K 1K 2：觸摸金屬片，出現閃爍的“I”；

閉合K 1：觸摸金屬片，出現閃爍的“X”；

閉合K 2K 3：觸摸金屬片，出現閃爍的“O”。

6 設計總結

6.1 設計之前需要對所用器件及所要實現的功能有清楚地認識，能夠將所要實現的功能分層實現，確定各子模塊的功能及各子模塊之間的關系及連接，再具體設計各子模塊。

6.2 設計階段需要注意各個器件的主要參數，避免出現想當然的情況（例如由于器件額定電流的限制無法正常驅動LED點陣），考慮到相關參數以后更全面的論證設計方案，力求設計方案更加安全，簡潔，有效。

6.3 設計階段盡量使設計方案易于實現，用更簡潔的方法達到更好的效果（例如本設計中LED點陣的方案選擇），設計方案時需要考慮實施過程難易程度（例如LED點陣中導線的焊接）及表達效果，避免太過理想化，復雜化。

6.4 在電子設計中需要學會高效運用仿真軟件，通過軟件來保證設計的可實現性，從而完善設計，避免器件的浪費。

6.5 焊接電路之前應該考慮好電路的布線，從而保證電路的穩定及美觀，同時提高電路布線焊接的效率。

焊接電路之前需要先檢查器件是否正常，避免在實驗板上焊接性能不良或已損壞的器件而造成的調試困難和返工的麻煩。

圖6

[1]閻石.數字電子技術基礎（第五版）.高等教育出版社.493頁

[2]閻石.數字電子技術基礎（第五版）.高等教育出版社.494頁

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.090