电子门铃的装配与调试详解

◇教学目标◇

◇任务描述◇

NE555是使用广泛的数字时基集成电路，在一些小制作电路中常见其身影。由NE555时基集成和少量元器件可组成门铃电路，能发出“叮咚”的铃声，电路如图11-1所示。该门铃电路体积小，声音响亮、清晰。

图11-1 电子门铃电路

◇任务要求◇

（1）手动控制响铃，声音响亮，余音长短符合门铃声音的要求。

（2）任何时候按下响铃按钮，扬声器都可以发出“叮”声，松开手后发出“咚”声。

（3）单面PCB板的设计和安装，面积小于10 cm×10 cm，元器件布局合理。

（4）NE555采用集成插装方式安装，电源及扬声器采用接插件连接。

◇相关知识◇

一、NE555时基集成电路

NE555是一种模拟和数字电路混合的时基集成电路，亦称为定时器。它结构简单、使用灵活，用途十分广泛。它可以组成多种波形发生器、多谐振荡器、定时延时电路、双稳触发电路、报警电路、检测电路及频率变换电路等。

常用NE555定时器有TTL定时器和CMOS定时器两种类型，两者工作原理基本相同，都是由分压器、比较器、基本RS触发器、放电管及输出缓冲门组成，NE555定时器内部电路结构、引脚排列管脚图和实物图分别如图11-2至图11-4所示。

图11-2 555内部电路结构

图11-3 555引脚排列图

图11-4 NE555实物图

1．特点

（1）只需简单元器件便可完成特定的振荡延时功能，延时范围广，可由几微秒至几小时。

（2）工作电源范围大，可与TTL、CMOS系列数字集成配合使用。

（3）输出端电流大约为200 mA，可直接驱动多种控制负载。

2．主要参数

（1）供电电压：4.5～16 V

（2）静态电流：3～6 mA

（3）上升沿/下降沿时间：100 ns

表11-1为NE555 引脚功能。

表11-1 NE555 引脚功能

3．内部工作原理

555定时器内部由3个阻值为5 kΩ电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电三极管TD和缓冲反相器G4组成。⑧脚和①脚分别为电源正、负供电端；②脚为低电平触发端，输入低电平触发脉冲；⑥脚为高电平触发端，输入高电平触发脉冲；④脚输入负脉冲（或使其电压低于0.7 V），可使NE555定时器直接复位，输出为低电平；⑤脚通过外接一参考电源，可以改变上、下触发的电位值，不用时，可通过一个0.01 μF的旁路电容接地，以防止引入干扰；⑦脚接放电晶体管C极，NE555定时器输出低电平时，放电晶体管TD导通，外接电容元件通过TD放电；③脚为输出端，输出高电平时约低于电源电压。

比较器C1和C2的比较电压为：UR1＝2/3 V，UR2＝1/3 V。

（1）当VI1＞2/3 V，VI2＞1/3 V时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器置0，G3输出高电平，三极管TD导通，定时器输出低电平。

（2）当VI1＜2/3 V，VI2＞1/3 V时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器保持原状态不变，NE555定时器输出状态保持不变。

（3）当VI1＞2/3 V，VI2＜1/3 V时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器两端都被置1，G3输出低电平，三极管TD截止，定时器输出高电平。

（4）当VI1＜2/3 V，VI2＜1/3 V时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器置1，G3输出低电平，三极管TD截止，定时器输出高电平。

4．NE555应用电路

图11-5 555组成的多谐振荡电路及波形

实际NE555相当一个用模拟电压来控制翻转的R-S触发器，有无稳态、单稳态和双稳态三种工作方式。图7-6所示是用NE555定时器组成的多谐振荡器电路及波形，R1、R2、C是外接定时元器件。当UC因电源接通对C充电而上升到2/3 V时，比较器C1输出低电平，使R-S触发器输出置0，③脚输出低电平，内部放电管TD导通，电容C通过TD放电；当UC因电容放电而减小到略低于1/3 V时，比较器C2输出为低电平，使R-S触发器输出置1，③脚输出高电平，放电管TD截止；电容C继续充电直到UC略高于2/3 V时，触发器又翻转到0，从而完成一个周期振荡。其振荡周期可用下式计算：

用NE555定时器组成的单稳触发器及波形如图11-6所示，R、C是外接元件，Ui输入为负触发脉冲信号。负脉冲到来前Ui为高电平，其值大于1/3 V，比较器C2输出为1，R-S触发器输出为0，定时器③脚输出低电平，处于稳定状态；当负触发脉冲到来时，因Ui为1/3 V，故C2输出为0，R-S触发器置1，定时器③脚输出高电平，内部放电管TD截止，C充电，进入暂稳态；当负触发脉冲结束后，C2输出为1，但UC继续上升，直至略高于2/3 V时，C1输出为0，使R-S触发器置0，定时器③脚翻转输出低电平，结束暂稳期回到稳态，C通过TD放电。触发器由一窄脉冲触发，可得到一宽矩形脉冲，其脉冲宽度为可用下式计算：

图11-6 单稳态触发器电路图及波形

二、变音门铃电路工作原理分析

NE555定时器在该电路中实际是一个受控振荡器，接通电源后，当按下开关K后，9 V电源经过V1对C1进行充电。当④脚复位端电压大于1 V时，电路开始振荡，振荡频率由RC充放电回路决定，扬声器发出“叮”声。松开开关K，C1储存的电能经R4放电，此时④脚还继续维持高电平而保持振荡，但因为R1介入振荡，改变了RC充放电回路的时间常数，振荡频率变低，扬声器发出“咚”声。一直到C1的电能释放完毕（延时作用），④脚电压低于1 V，此时电路停止振荡，扬声器无声音。再按一次开关K，电路重复上述过程。

三、绘制原理图和PCB板设计

1．原理图绘测与PCB板设计

（1）新建“门铃电路.ddb”项目文件。

（2）选择“MS Access database”格式。

（3）选择保存路径。

图11-7为新建原理图界面。

图11-7 新建原理图界面

原理图环境设置：图纸尺寸、图样标题栏、图纸颜色、网格设置、边框设置等。原理图绘制界面包括：

①标题栏。②主菜单。③主工具栏。④文件切换标签。⑤设计管理器。⑥布线工具栏。⑦绘图工具栏。⑧电源及接地工具栏。⑨常用器件工具栏。⑩状态栏。

图11-8为绘图环境设计，图11-9为原理图绘制界面。

图11-8 绘图环境设计

图11-9 原理图绘制界面

原理图绘制流程：

（1）打开需要用的工具栏。

（2）设置环境参数。

（3）创建NE555集成电路。

（4）查找元件，导线连接。

（5）元件编号、标注参数。

（6）检查修改、保存。

图11-10为变音门铃电路原理图。

图11-10 变音门铃电路原理图

PCB板布局布线流程：

（1）加载网络表。

（2）元件布局。(www.xing528.com)

（3）布线规则设置。

（4）自动布线。

（5）元件标注整理、检查。

图11-11为变音门铃电路PCB。

图11-11 变音门铃电路PCB板

四、热转印制板法

近年来比较常见的热转印制板法是小批量快速制作PCB的一种方法，它利用激光打印机墨粉的防腐蚀特性，具有制板快速（20分钟）、精度较高（线宽最小达0.8 mm，间距最小达0.5 mm）、成本低廉的特点。但由于涂阻焊剂和过孔金属化等工艺的限制，此方法还不能制作复杂布线的双面板，只能制作单面板和所谓的“准双面板”，主要设备如图11-12所示。

图11-12 印制板雕刻机

1．热转印法需准备的设备和材料

安装有Protel DXP2004电路设计软件的电脑、黑白激光打印机、热转印纸、热转印机（可用塑封机改装）、敷铜电路板、腐蚀容器和药品、小型台钻和锯刀等一些机械工具。其他情况下如果没有热转印机可找金属壳电熨斗代替，腐蚀材料可用三氯化铁溶液或盐酸、双氧水溶液，钻头规格一般用0.8 mm、0.6 mm和1.0 mm。

2．热转印制板法设置布线规则时的注意事项

（1）线宽大于0.8 mm，线间距大于0.5 mm，焊盘间距大于0.5 mm。为确保安全，线宽一般设置为0.8～1.5 mm，大电流电源供电走线需加宽处理，可采用大面积接地方式设计。

（2）最好设计成单面板，无法布通时可考虑跳接线，最后还是无法布通时才考虑使用双面板。考虑到焊接时要焊接两面的焊盘，并排双列或多列封装元件在Toplayer层不要设置焊盘。元器件位置排列整齐、布局合理往往能增加布线的成功率。尽量使用手工布线，自动布线往往不能满足要求。

（3）孔直径和焊盘大小在条件允许的情况下，设计要比实际尺寸大，方便钻孔时钻头对准。

（4）Bottomlayer层的符号需翻转标注，Toplayer层的符号则正面标注。

3．热转印制板法的操作步骤

（1）使用DXP2004设计电路PCB板，如图11-13（a）所示。

（2）将底层布线图打印在热转印纸上，颜色设置成黑白，如图11-13（b）所示。

（3）检查和校正打印出来的图纸，确认无误后，调节热转印机温度在175℃，将转印纸上的碳粉转印到敷铜板上，如图11-13（c）所示。

（4）把敷铜板放在腐蚀溶液中进行腐蚀，注意控制腐蚀时间。

（5）定位、钻孔，选用合适规格的钻头进行钻孔。

（6）清洁处理，建议选用细砂纸对电路板进行打磨，去掉碳粉，然后用酒精清洗电路板，再涂上助焊剂，如图11-13（d）所示。

图11-13 热转印制板流程（1）

图11-13 热转印制板流程（2）

◇任务实施◇

一、电路的安装

（1）焊接。在万能板上对元器件进行布局，并依次焊接。焊接时，注意电解电容及三极管的极性。

（2）检查。检查焊点，查看是否有虚焊、漏焊；检查电解电容及三极管的极性，查看是否连接正确。

（3）元件清单（表11-2）。

表11-2 元件清单

二、电路的测试与调整

1．工作原理分析

本电路主要由两部分组成：NE555可调振荡电路和脉冲计数电路。通电后，NE555的③脚输出一定频率的方波信脉冲信号，振荡频率通过RP1调节。脉冲信号送至CD4017的⑭脚，在脉冲上升沿时进行计数，按输入脉冲的个数分配在10个输出端，依次点亮D1～D10。满10个数后计数器清零，到下一个脉冲到来时再次点亮D1～D10，不断循环。

电路的定时元件是：________________________________________________

当RP1中心抽头往下调节时，阻值变________（大或小），振荡频率变________（高或低）；当C容量变小，振荡频率变________（大或小）。

2．调试与排除故障

电路检查无误后，调节直流稳压电源输出9 V，通电调试并做好数据、波形记录。

① NE555 ④脚为复位端，外接定时元器件是________和________,在按下开关K的一瞬间，④脚电压为________V，当松开K时，C1端电压经过________放电。

② 门铃的余音长短与C1和R4参数有关，如想余音变长，可把C1容量________（增大或减小），或把R4阻值________（增大或减小）。

③ UC2波形为________充放电波形，其充电和放电时间常数________（相同或不相同）。

使用数字万用表和双通道示波器调试门铃电路，观察UC1和UC2波形并作记录。

表11-3 电子门铃电路调试记录表

◇思考题◇

1．二极管V1反接，电路能否正常工作？V2反接对电路有什么影响？

2．C1容量大小对声音是否有影响，如更改为1μF/25 V时，声音会发生怎样的变化？

3．C2容量大小对声音是否有影响？改变C2的参数，对比听听声音是否发生变化。

三、总结

本任务使你学习到了哪些知识？积累了哪些经验？填入表11-4中，有利于提升自己的技能水平。

表11-4 工作总结

四、工作岗位6S处理

工作任务全部完成后，关闭工作台总电源，拆下测量线和连接导线，归还借用工具仪器。组员对工作岗位进行“整理、整顿、清扫、清洁、安全、素养”处理。维护和保养测量仪器、仪表，确保其运行在最佳工作状态。

◇能力拓展◇

NE555定时器应用十分广泛，利用其定时功能可开发出很多应用电路。只要能理解NE555的内部结构，学会独立分析电路工作原理，自己也可以尝试设计、制作一些有实际意义的功能电路。

1．NE555闪光器

图11-14是采用NE555制成的闪光电路，工作时发光二极管D1和D2按一定速度轮流闪烁。该电路实际是个可调振荡电路，利用②脚和⑥脚共接的可调定时元器件参数不同，能改变振荡频率。工作原理如下：NE555时基集成④脚复位端接高电平，通电后定时器正常工作，Rl、RP1、Cl组成可调振荡定时网络。电路正常起振后，NE555的③脚电位高低交替变化，当③脚为高电平时，D1截止，D2导通发光；当③脚为低电平时，Dl导通发光，电流方向从正电源经R2、D1、NE555的③到负电源，此电流为NE555的灌电流，D2反向截止，两只发光二极管将轮流闪烁。制作时，两只发光二极管可选用红色、绿色或黄色，使闪烁效果更加醒目。

图11-14 NE555闪光器电路图

◇思考题◇

1．从电路结构、工作原理方面说说本电路与门铃电路有何异同？

2．调试发现D1、D2几乎同时点亮，调节RP1无效，分析故障产生的原因。

2．NE555气体烟雾报警器

图11-15是一个简易气体烟雾报警电路，该报警器由降压整流与稳压电路、气敏传感元件和触发报警电路组成。降压整流与稳压电路主要由变压器、桥式整流电路、集成稳压电源组成，触发报警电路主要由可控多谐振荡器（NE555、R2、RW2、C4）和扬声器Y组成。半导体气敏元件采用QM-25型或MQ211型，适用于煤气、天然气、汽油及各种烟雾报警。电路要求加热端电压稳定，故使用7805稳压电路，正常工作时需预热3 min。

图11-15 NE555报警器电路图

当气敏元件QM接触到可燃性气体或烟雾时，其A至B极间阻值降低，使得W1压降上升，NE555的④脚电位上升，当④脚电位上升到1 V以上时，NE555停止复位而产生振荡，③脚输出信号推动扬声器Y发出报警声，振荡频率为f＝0.7（R2+2RW2）C4。按图中定时元器件参数振荡频率约为0.6～8 kHz，调节电位器RW2，使其频率为1.5kHz左右。

正常情况下，气敏元件的A与B极间阻值较大，该电阻与RW1的分压值减小，使NE555④脚处于低电平，NE555复位停振，③脚无信号输出，电路不报警。

运用所学知识，查找相关资料，综合分析电路工作原理，动手安装调试电路，看看能否取得成功。

◇任务评价◇

表11-5 电子门铃装调评价表