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1、1 / 24 电路 CAD 课程设计报告设计题目：红外线报警器专业班级：电信 0903班学号： 2009001286 学生姓名：郝慧琴同组学生：李艳、赵士红精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 24 页2 / 24 红外线报警器摘要近年来，随着改革开放的深入发展，电子电器的飞速发展，人民的生活水平有了很大提高。各种高档家电产品和贵重物品为许多家庭所拥有。然而一些不法分子也是越来越多。这点就是看到了大部分人防盗意识还不够强. 造成偷盗现象屡见不鲜。因此，越来越多的居民家庭对财产安全问题十分担忧。防盗就成了一项重要的课题。红外线防
2、盗报警器是一种智能报警系统，可以大大提高了居民家庭的安全程度，有效保证了居民的人身财产安全。由于红外线是不见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用，通过红外线发射和接受系统来感应是否有人闯入，如果探测到有人闯入，那么系统的报警电路会给人们以提醒。通过介绍热释红外传感器的工作原理，给出了一种被动型热释电红外报警器的结构原理及其应用电路。这种电路把红外线的隐蔽性很好地应用于报警系统中，从而实现了防盗报警功能，达到了安全防护之目的。关键词被动式红外报警器；热释电红外 1.1 整流滤波电路1.2 稳压电路2. 单元电路电源电路的原理图及仿真结果3 放大电路的设计3.1
3、 反相交流放大器3.2 同相交流放大器4. 比较器电路设计5. 元器件的介绍6. 电路的总结四、总原理图及元器件清单1. 总电路图2. 说明3.PCB设计4. 元器件清单五、结论与心得六、参考文献精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 24 页4 / 24 一、 设计任务与要求当有人侵入探测区域内，控制器会发出报警信号，且在人离开后，报警器依然工作。报警器要轻便，易安装，造价合理，设计简单。设计一个红外线报警器：（1） 当有人闯入控制区域时，报警器发出报警信号；（2） 当人离开报警器时，报警器有短至几秒的时间不发出报警信号，之后
4、继续发出报警信号。（3） 闯入报警器控制区域的人可用开关仿真：有人闯入时，开关接通；无人或人已离开时，开关断开。运用 multisim软件对电路进行仿真和Protel 99se软件画原理图以及制作电路板。二、 方案设计与论证红外报警器分为主动红外报警和被动红外报警：主动红外入侵报警器是由发射机和接收机组成，发射机是由电源、发光源和光学系统组成，接收机是由光学系统、光电传感器、放大器、信号处理器等部分组成。主动红外报警器是一种红外线光束遮挡型报警器，发射机中的红外发光二极管在电源的激发下，发出一束经过调制的红外光束此光束的波长约在0.8 0.95 微 M 之间），经过光学系统的作用变成平行光发射
5、出去。此光束被接收机接收，由接收机中的红外光电传感器把光信号转换成信号，经过电路处理后传给报警控制器。由发射机发射出的红外线经过防范区到达接收机，构成了一条警戒线。正常情况下，接收机收到的是一个稳定的光信号，当有人入侵该警戒线时，红外光束被遮挡，接收机收到的红外信号发生变化，提取这一变化，经放大和适当处理，控制器发出的报警信号。目前此类报警器有二光束、三光束还有多光束的红外栅栏等。一般应用在周界防范居多，最大的优点就是防范距离远，能达到被动红外的十倍以上探测距离。被动红外报警器主要是根据外界红外能量的变化来判断是否有人在移动。人体的红外能量与环境有差别，当人通过探测区域时，报警器收集到的这个不
6、同的红外能量的位置变化，进而通过分析发出报警。人体都有恒定的体温，一般在 37 度左右，会发出特定波长10m左右的红外线，被动红外报警器就是靠精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 24 页5 / 24 探测人体发射的10m左右的红外线而进行工作的。人体发射的10m左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。被动红外报警器是以探测人体辐射为目标的，所以热释电元件对波长为10m 左
7、右的红外辐射必须非常敏感。为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元件。而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是报警器无信号输出。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同不能抵消，经信号处理而报警。方案一、该系统以单片机AT89S52系列为核心，采用红外线发射管和红外线接收管为发射和接收装置，由反相器芯片反相间接控制CPU工作。在 CPU程序运行以
8、后控制输出口电平使得蜂鸣器与发光二极管组成的声光报警电路同时进行声光报警。系统原理框图如图2-1 所示。图 1-1 系统方框图采用 AT89S52单片机，直流可调开关MC34063 ，反相器 74LS14D等芯片 9 。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 24 页6 / 24 其中， AT89S52的 P1.2P1.7 为输出口，而 P3.03.5 为输入口。 P1口连接红外线发射电路， P1 口为低电平时红外线发射电路导通，正常发射红外线10 。P3口输入经接收红外线电路接收并由反相器反相的电平，当电平到达单片机CPU后，
9、若各口均为低电平，则CPU不做任何反应，此时不报警；而当红外线被认为挡住而使接收电路无法接受到时P3输入口就会输入高电平，此时当在一定的时间内检测到位于不同位置的光束被遮挡时，由P3.7 口输出报警信号，驱动声光报警电路进行报警。P1 口连接红外线发射电路， P1 口为低电平时，红外线发射电路导通，正常发射红外线 10 。P3 口输入经接收红外线电路接收并由反相器反相的电平，当电平到达单片机CPU后，若各口均为低电平，则CPU不做任何反应，此时不报警；而当红外线被认为挡住而使接收电路无法接受到时P3输入口就会输入高电平，此时当在一定的时间内检测到位于不同位置的光束被遮挡时，由P3.7 口输出报
10、警信号，驱动声光报警电路进行报警。方案二、电路的组成框图如图1-2 所示。图 1-2 报警器电路的组成图1电源：通过交流电经变压器的变压、桥式二极管的整流、电容的滤波、稳压器的稳压得到5V的直流电压。2传感器：传感器主要是用来采集人体的红外线信号并将该信号转换成电信号的器件。3放大滤波：是由集成运算放大器LM324和电容构成对传感器的信号进行放大和滤波供下一级电路使用。4比较器：这里采用的是双限电压比较器，把电路中的基准电压U1 和 U2作为参考电压 U2 ）与比较器输出的电压作比较控制指示电路指示是否有人比较器传感器电源基准电压指示电路放大滤波精选学习资料 - - - - - - - - -
11、 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 24 页7 / 24 进入的情况。用热释电红外传感器制作的防盗报警器结构简单，可选用的元器件容易找到，且实现功能完整，清晰，而方案一要用到单片机，相对要求的内容增多，而且变复杂，故方案二更好，方案二与目前市场上销售的许多防盗报警器材相比，还具有如下特点：1. 不需要用红外线或电磁波等发射源。2. 灵敏度高、控制范围大。3. 隐蔽性好，可流动安装。故选择方案二三、单元电路设计与参数计算1. 电源电路设计方案一、电源开关 SW1送入 220V 经过保险丝后送入变压器，保险丝起保护电路的作用18 。变压器 L1 将 220V 的交流电源经磁场
12、耦合转换成12V 的交流电源，四个全波整流二极管将12V 交流源整流为直流12V 电源提供给后面电路。由电容组成的滤波电路将整流后的电源进行纹波滤除，滤除频率较高的干扰纹波。再经直流开关电源，转换出5V电源为后端供电，具体工作过程：经整流、滤波的 12V电源，经直流开关电源U1 ，第 6 脚供给电源， 1、7、8 脚为电源芯片的比较输入端， RA为大功率限流电阻，电源经芯片的2 脚输出， TL1 为功率电感，电源经 TL1的 2 脚输出。 D2为快速开关二极管。 C1/BC3组成电容滤波电路。如图 3-6 所示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - -
13、 - -第 7 页，共 24 页8 / 24 方案二、直流电源 整流电路晶体二极管是由两种具有不同导电性能的n 型半导体和 p 型半导体结合形成的 pn 结构成的，如图2-1a）所示， pn 结具有单向导电的特性，常用符号表示如图 2-1b）。图 2-1 二极管的 pn 结构及符号图 2-2 二极管的特性曲线当 pn 结加上正向电压 滤波电路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 24 页10 / 24 电容或电容量 , Capacitance）指的是在给定电位差下的电荷储藏量；记为 C，国际单位是法拉 在输出引脚 , 另一个接
14、可调电阻 ( 几 K接于地。输入和输出引脚对地要接滤波电容。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 24 页11 / 24 图 2-5 稳压电路图典型线性调整率 0.01%，典型负载调整率0.1%。80dB 纹波抑制比，输出短路保护，过流、过热保护，调整管安全工作区保护，标准三端晶体管封装。稳压电路的原理图如图2-5 所示。当外部电容应用于任何集成电路稳压时，有时必须加保护二极管以防止电容在低电流点向稳压器放电，LM317的引脚如图 2-6所示。图 2-6 LM317 引脚如图 2-6 所示 1 脚为调节脚、 2 脚为输出脚、
15、 3 脚为输入脚，其中2 脚与散热片的表面是连接的。电源指示电路是由一个发光二极管构成，利用发光二极管的发光作用，指示电路的工作情况，当发光时说明电路正常工作，不发光时说明电路不工作，如果电路电流过大会把发光二极管烧毁这是就可以检查电源电路是否用开路或者短路的情况。电源指示电路如图2-5 所示。选择方案二，因为其元器件较容易寻找，且具有电源指示电路，可以方便检测其功能。2. 单元电路电源电路的原理图及仿真结果精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 24 页12 / 24 3 放大电路的设计3.1 反相交流放大器此放大器可代替晶
16、体管进行交流放大, 可用于扩音机前置放大等, 电路无需调试。图 3-1 反相交流放大器放大器采用单电源供电 , 由 R1、R2组成21U+ 偏置,C1 是消振电容。如图3-1所示：放大器电压放大倍数Av 仅由外接电阻Ri、Rf 决定:RiRfAv。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图中所给数值,Av=-10 。此电路输入电阻为Ri。一般情况下先取Ri 与信号源内阻相等 , 然后根据要求的放大倍数在选定Rf。Co和 Ci 为耦合电容。3.2 同相交流放大器同相交流放大器的特点是输入阻抗高。其中的R1 、R2 组成21U+分压电路 ,精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总
17、结 - - - - - - -第 12 页，共 24 页13 / 24 通过R3 对运放进行偏置。电路的电压放大倍数Av 也仅由外接电阻决定:41RRfAv, 电路输入电阻为R3 、R4 的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆，如图 3-2 示。图 3-2 同相交流放大器4. 比较器电路设计单限比较器只能检测一个电平，若要检测Ui 是否处于 U1和 U2两个电平之间，则需采用双限电压比较器又称窗口比较器）。双限电压比较器常用于工业系统控制中，当被监测的对象, 理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大( 实际上是很大 , 如 LM324运放开环放大倍数为100dB，既 10 万倍。此时运放便形成一个电压
18、比较器，其输出如不是高电平 V+ ），就是低电平 U2U1 时，A2 输出+Uo(sat,A1 输出为 - Uo(sat ，故二极管 VD2导通， VD1截止， uo 则近似等于 + Uo(sat ；当 uiU1 ，A1输出为 + Uo(sat ，二极管 VD2截止， VD1导通， uo 也近似等于 + Uo(sat ；只有当 U1ui ，二极管 VD1,VD2都截止， uo 为 0。其电压传输特性如图4-2 示。如图 4-1 使用两个运放组成一个电压上下限比较器，电阻R1 、R1 组成分精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共
19、 24 页14 / 24 压电路，为运放A1 设定比较电平 U1 ；电阻 R2 、R2组成分压电路，为运放A2设定比较电平U2 。输入电压 U1 同时加到 A1 的正输入端和A2的负输入端之间，当 Ui U1 时，运放 A1输出高电平；当Ui U2 ，则当输入电压Ui 越出U2，U1区间范围时， LED点亮，这便是一个电压双限指示器。若选择U2 U1，则当输入电压在 U2，U1区间范围时， LED点亮，这是一个“窗口”电压指示器。此电路与各类传感器配合使用，稍加变通，便可用于各种物理量的双限检测、短路、断路报警等。5. 元器件的介绍精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结
20、 - - - - - - -第 14 页，共 24 页15 / 24 电路中的放大器及比较器选用LM324集成运放LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。图 4-3 LM324 引脚图该四放大器可以工作在低到3.0 伏或者高到32 伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图4-4 所示的符号来表示，它有5 个引出脚，其中“ +”、“ - ”为两个信号输入端，“ V+”、“V-”为正、负电源端，“ Vo”为输
21、出端。两个信号输入端中，Vi- ）为反相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的位相反；Vi+）为同相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图4-3。可工作在单电源下，电压范围是3.0V32V或+16V 。LM324的特点：1短跑保护输出。2真差动输入级。3可单电源工作： 3V32V。4低偏置电流：最大100nALM324A ）。5每封装含四个运算放大器。6具有内部补偿的功能。7共模范围扩展到负电源。8行业标准的引脚排列。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 24 页16 / 2
22、4 9输入端具有静电保护功能。LM324是四运放集成电路 , 它采用 14 脚双列直插塑料封装。图 4-4 集成运算放大器图 4-5 LM324 封装引脚图它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器, 除电源共用外 , 四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图4-4 所示的符号来表示 , 它有 5 个引出脚 , 其中“+”、“ -”为两个信号输入端, “V+”、“ V-”为正、负电源端 , “Vo”为输出端。两个信号输入端中,Vi- -）为反相输入端 ,表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的位相反。Vi+）为同相输入端 ,表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相同。 LM324 的引脚封装见
23、图4-5。由于 LM324四运放电路具有电源电压范围宽 , 静态功耗小 , 可单电源使用 , 价格低廉等优点 , 因此本电路选用LM324 。热释电红外传感器的原理特性：热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰该传感器精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 24 页17 / 24 在工艺上将两个特征一致的热电
24、元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化并将其转换为电信号输出。热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用因而需要用电阻将其转换为电压形式该电阻阻抗高达104M ，故引入的N 沟道结型场效应管应接成共漏形式即源极跟随器 来完成阻抗变换。热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。双探测元热释电
25、红外传感器的结构。使用时D 端接电源正极， G端接电源负极， S端为信号输出。该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为0220m 。为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和
26、其它红外辐射拒之门外6. 电路的总结通过以上对电路的分析与设计，最终完成了5V 电源的设计，也了解了LM317芯片的功能与作用和桥式整流二极管的工作原理与整流过程。通过对LM324集成运算放大器性能和特点的分析，从各个方面了解了LM324集成运算放大器以及LM324构成的同相放器、反相放大器和电压双限比较器的原理并且以此运用在整机电路的设计中以发挥出良好的效果。四、总原理图及元器件清单1. 总电路图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 24 页18 / 24 对电路进行仿真：，表示情况正常。其仿真效果图如图5-1 所示。图
27、51 后，表示有人闯入即发出报警信号，其仿真效果如图5-2 所示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 24 页19 / 24 图 52 后，表示有人闯入后离开即发出报警信号，其仿真效果如图5-3 所示。图 5-3 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 24 页20 / 24 2. 说明通过对电路的分析设计完成了整机电路的总体设计原理图如附录1 所示其中包括电源部分和报警电路部分，电源部分主要是通过对交流电的变压、整流、滤波、稳压输出一个+5V 的直流电压
28、为后面的报警电路的正常工作提供电压；报警电路主要是由热释电红外传感器、LM324集成运算放大器、发光二极管、电阻电容构成。传感器主要的工作就是把采集到的人体红外线转换成电压信号，由于此时的电压比较微弱所以要经过LM324 的放大后的电压输入到电压比较器进行比较来控制相应的发光二极管指示灯工作。下面是报警电路的工作流程与及电路的参数计算过程 : 在电路中采用 KP506B型热释电人体红外线传感器，当人体进入该传感器的监视范围时，传感器就会产生一个交流电压幅度约为1mV ），该电压的频率与人体的移动速度有关。在正常行走速度下，其频率约为6Hz。电路中， R3 、C4、C5 构成退耦电路， R1 为
29、传感器的负债， C2 为滤波电容，以滤掉高频干扰信号。传感器的输出信号加到运算放大器A1 的同相端， A1 构成同相输入式放大电路，其放大倍数取决于R4和 R2，其大小为 : Auf1 =1121820001241RRA1放大后的信号经电容C6耦合至放大器 A2反相输入端， A2构成反相输入式放大电路。电阻R6、R7 将 A2 同相端偏置于电源电压的一半,A2 的增益取决于 R8 、R5 ，其大小为Auf2 =4247200058RR因此，传感器信号经两级运放总共放大了Auf1Auf2 =112 -42）=-4704 倍，当传感器产生一个幅度为1mV交流信号时， A2 的理论输出值为-4.70
30、4V。A3和 A4构成双限电压比较器， A3的参考电位为 : U3= 22474747225 =3VA4的参考电位为 : 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 24 页21 / 24 U4 =22474747225 =2V 在传感器无信号输出时， A1静态输出电压为0.4 1V之间；A2在静态时，由于同相端电位为2.5V，其直流输出电平为2.5V。由于 UB2.5V3V,因此 A3 输出高电平， LED1亮；当人体退出时， U3家用与民用电路. 北京: 中国计量出版社 , 2001.2 夏路易 . 电路原理图与电路板设计教程. 兵器工业出版社 . 2002.3 黄继昌等编著实用报警电路人民邮电出版社，2005 4 胡斌编著电子线路快速识图福建科学技术出版社，2005 5 胡斌编著图表细说元器件及实用电路电子工业出版社，2005 6 魏群等编著怎样选用无线电电子元器件人民邮电出版社，2002 7 吴英才、林华清热释电红外传感器在防盗系统中的应用传感器技术 , 2002 8 红外线报警器http:/ 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页，共 24 页
