基于目前广泛应用的传统电铃噪音大，声音刺耳，不符合人们追求“绿色环保”生活环境的要求，采用电力电子技术设计了一种新型变流直流电铃，可模拟人工打铃效果，有效地减少了环境噪音污染，有很好的实用价值。
在此基础上，采用AT89C51单片机设计了一套智能自动打铃系统，根据作息制度自动打铃，从而使我们的设计更加完善。
系统原理
系统原理框图如下图所示。
该系统由三部分组成：电源部分、变流直流电铃部分和单片机定时控制部分。+5V、+12V和+280V直流分别为各部分电路提供电源。变流直流电铃部分主电路拓扑为断续工作的BUCK电路，由波形产生电路产生的驱动信号经放大后驱动MOS管的开通与关断，从而在主电路电源接通的情况下控制响铃频率，使得铃声节奏符合人的听觉习惯。单片机部分由三个模块组成：时钟及其显示模块、响铃定时数据表和打铃控制模块。实时时钟随时与打铃定时数据表进行比较，当二者相吻合时，由P2.0脚给出响铃信号，再由单稳确定响铃时间长短，驱动继电器吸合，从而接通电铃电路的主电源，完成自动定时响铃任务。
电路原理图见下图(a)(b)，其工作原理是：220V市电经变压整流滤波后得到约+12V直流，再经7805稳压得到+5V直流。555及其外围元件构成占空比可调的多谐振荡器，振荡频率取4Hz。调Rp可调占空比，即改变音量大小，改变电容可调节响铃频率。555定时器3脚输出经倒相后由两个D触发器VIA、V2A四分频，再经D7、R4、C6、U4、U5构成的延时电路将V2输出的方波高电平延时约1/8—1/4周期．U3的输出与V2A或U5的输出经U6相与后送出响铃脉冲．Ka接位置1时，为连续响铃模式，Ka接位置2，Kb接位置1时，为当当响铃模式，Ka接位置2．Kb接位置2时，为当当当响铃模式。T1、T2为MOS管的驱动电路，由+12V电源供电。电路中发光二极管起信号指示作用。
主电路以功率MOS管M1为核心。220V市电经整流桥整流，滤波后得到约280V直流，开关管的开关信号由上述NE555构成的脉冲振荡器提供．其频率和脉宽可以调节，通过开关管的开通与关断（开关管相当于一固态继电器）。直流电铃上得到幅值约280V的直流脉冲，作为负载的直流电铃实际上是一个直流电磁铁，得电后吸合，敲击铃碗发声，其发声频率就是开关频率，合理选择开关频率就能有效改善铃声，同时，通过改变开关脉冲的宽度，还能改变音量大小。响铃模式由Ka、Kb选择。并联二极管D起续流作用，使关断期间电磁铁线圈的电流得以释放。并联支路RC起抑制电压过冲作用。在本设计中，直接采用市售的交流电铃来代替电路中的直流电铃。
单片机AT89C51作为系统主控芯片，主要起定时和按作息时间表自动给出控制信号以接通主电路而响铃的作用。在硬件连接上，以PO和P1口输出六位数码管，动态显示时分秒。由P2.0和P2.1的输出相与后得到按时间表给出的30秒时长的打铃控制信号，该信号通过三极管T3驱动继电器KJ动作，从而接通主电路而响铃。电键Kc接1时为自动控制打铃，接2时为人工控制响铃，以便在特殊情况下能人为地随时控制响铃。在软件方面，其流程图如下图所示。
用汇编语言编写的程序见本刊网站。程序中主程序执行实时时间与作息时间表比较、时钟显示任务，一旦预定的响铃时间到来，则将P2．O置1，并保持1分钟。系统中同时用到了两个定时器TO和T1，分别以定时方式、模式1和外部记数方式、模式2工作。TO定时时间为100ms，其中断程序执行实时更新时分秒的显示数据，并使P2.2输出周期为200ms的方波，该脉冲作为Tl的记数脉冲．Tl的记时时间为30s，其中断服务程序使P2.1输出周期为1分钟的方波。这样，P2.0和P2.1相与就得到所要的30s的响铃信号。
作为演示系统，我们只给出了一个简单的时间表：
00:02;00:05;01:00;01:10。
对于实际系统，按实际时间表编程。
重要元器件型号及参数
T1、T2:3DG6B;T3:C9014;M1:IRF840；晶振：6MHz;继电器：DC5V/10A:AC220V;其它元器件参数如电路原理图中标注。
主要技术指标与参数
1．输入电压：220V，50Hz
2．总功耗：弱电部分：约2.1W强电部分：约10W
3．响铃频率：4Hz，响铃时长：30s
4开关信号占空比：20%（可调）
5．时钟误差：10ms/24h
6．制板面积:10cmx8cm+6x8cm
实物演示
本设计系统已由手工焊接制作出实物，系统经摔打试验和连续5小时试运行，工作稳定可靠，响铃声清脆响亮悦耳，各按键、开关、可调元器件均正常工作。给数码显示部分供电的三端稳压器7805和电源变压器有些发热，但均在允许的湿升范围内。
总结与改进
本设计采用8位单片机AT89C51作为系统的主控芯片，使系统具有自动化智能化功能，同时，还考虑到了人工控制的需要，使系统更加灵活实用。为减少环境噪音污染而设计的变流直流电铃是本设计的初衷，也是本设计的创新点和价值所在。为进一步使设计人性化，设置了两个开关，提供了三种响铃模式。在响铃期间对直流电铃的通断控制之所以采用MOS功率开关管而不采用电磁继电器或舌簧继电器，是因为开关的电压高达近300V，负载又是强感性的，而且开关频率较高（数赫兹以上）．动作频繁。如用在学校，每天开关动作大约为12（节）×2（次）×30（秒）×4(Hz)=2880次，普通继电器在本系统的工作条件下的寿命只有数万次，也就是说平均不到一个月的时间系统就出现故障，而采用MOS管就不会出现上述问题，系统可长期可靠工作。本系统所需器件材料费用约60元，批量采购时可控制在35元以内。
本设计还属原理性设计，是一个最小系统，要实用化还需在以下几个方面加以改进和完善：
1．按实际作息时间表程序还应作相应修改；
2．根据用户要求，电铃数目不受限制，所有经改进的变流直流电铃均可并接在一起，统一由单片机主控。电源、控制驱动、开关器件和继电器等应相应增大容量。系统扩展后，电气连接示意图如下图所示。
3．本设计的变流直流电铃实际上是在市售的传统交流电铃的外围附加变流电路，使交流电铃成为直流电铃。
事实上，可根据机械电气特性独立设计电铃，从而使直流电铃工作性能更加优化，成本也将进一步降低（220V交流电铃电磁铁工作在磁滞回线的四个象限，有较大的磁滞损耗，且交流信号是连续正弦，电铃工作时必须有较大的反力，其每秒钟响铃100次）。
4．系统中控制驱动部分和主电路部分没有隔离，使得整个电路板带有脉冲高电压，为保证安全最好用一小变压器进行隔离。
5．电路板面积较大，可用Protel等软件绘制PCB板，面积可减小很多，从而将电路板和电铃做在一起。
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