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1、志暴4元玄大J争课程设计说明书课程设计各部：模拟电蹈课程设计课程设计题目：热程电传感器报警电蹈学院各称：南昌航空大学信息工程学院专业：逼信工程班级：学号：姓各：评分：数师：2013年3月12日志忌4元？大4擎模拟电路课程设计任务书2012 -2013学军第2学期第1周3周题目楠程电传感器损害电踞内窑及要求育人接近传感器时，栅呈电传感器报警电瞌发出报警，无人接近时不报警。自夫不起作用，晚上自由工作。迪度安排第1周：查阅资料，到机房学习仿真软件，确量万案，完成l泉盟国ii计R仿真；第2周：领元器件、仪器重备，制作、焊接、调试电晤，完成系统的i耐；第3周：检查设计结果、撰写课设报告。学生姓名：指导时
2、间：周一、周二、周四下午指导地点：E楼311室任务下达2013年2月25日任务完成2013年3月15日考核方式1 . i孚到囚2.答辩口3.实际操作囚4.其它口指导教师系（部）主任注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时白帝一份备查。2、课程设计结束后与“课程设计小络”、“学生成绩单”一并交院教务存档。摘要报警器作为防盗的一种手段一直广受人们的欢边。本次设讨的报警电路为红外传感报警电路，达到1J:(:E夜晚自动工作且有人靠近时自动报警，无人靠近时不报警的功能。根据实际操作所遇到的问题，也做了相应的修改。本次实验模拟设计了热释电传感器报警器。热敏电阻感受到的温度越高其电也越
3、小，光敏电阻感受到了光亮越少电阻越大。在设i:I的电路中通过分压使热敏电沮沮值小到一定程度，光敏电阻阻值大到一定程度时，都往CD401l与非丁芯片输入高电平，此时CD401l芯片输出低电平触发555定时器，使输出一个高电平，点亮LED灯。经过分析，准备，调试后，本次的电路设计达到了课程设计的要求。关键词：报警器红外信号处理目录前言。第一章设计要求与内容. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1. 1热释电传感器报警器设计要求：1. 2系统设计方案选择. . . . . .
4、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1. 2. 1方案一. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1. 2. 2方案二. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1. 2. 3方案三. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 第二章系统组成及工作原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2. 1系统组成. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2. 1. 1 光敏电沮与热敏电阻. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2. 1. 2 与非门电路. .
6、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2. 1. 3 LED报警电路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2 工作原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 第三章 元件选择与参数计算. . . . . . . . . . . . . . . . . .
7、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3. 1相关原理及计算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3. 1. 1光敏电坦. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3. 1. 2热敏电阻. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3. 1. 3 CD4011与非门芯片.
8、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 第四章实验、调试与分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 4. 1焊万用板. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 4.2系统调试. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9、 . . . . . . . . . 11 4. 2. 1仿真调试. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 4.2.2焊接问题. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 4. 2. 3电路调试. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 第五章结论. . . . .
10、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 附录一. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11、. . . . . . . 16 附录二. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 附录三. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 前言防海报警系统是预防抢劫、海窃等意外事件的重要设施。一旦发生突发察件，就能通过声光报警信号在安保控制中心准
12、确显示出事地点，便于迅速采取应急措施。本次设计一种利用接收入体红外辐射进行工作的报警电路，能够在夜晚自动工作。它具有结构小巧、工作可靠、性能稳定且价格底廉等优势，应用前景广阔。这里所设计的被动式红外报警器则采用了美国的传感元件一热释电红外传感器。这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出入体辐射的红外线，并将其转变为电压信号，同时，它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。热释电红外传感器既可用于防盗报警装置，也可以用于自动控制、接近开关、遥测等领域。其特点有：）.不需要用红外线或电磁波等发射源。2.灵敏度高、控制在2围大。3.隐蔽性好，可流动安装。第一章设计要求与内容1. 1热释电传感器报警器设计要
13、求：1、有人接近时，热释电传感器报警电路发出报警，无人接近则不报警。2、白天不起作用，晚上自动工作。1.2系统设计方案选择1. 2. 1方案一f.1而却J.R响1。C2 曾 i1=, VI 10 T习mV=Hz 。亨R9 10阴B00 ., . RlO陋。R41 LM324.J FR3 ，.帽。U3A U.t24J 百vcc R5 ,o,o I I 、.t.13,.2t：4严怪川方案一咆E各民U4A 扭也LE01 ,i 、检测电路i如检测、放大、比较电路、驱动电路等组成。最终将信号转化为发光二极管亮的光信号或蜂鸣器响的声信号。虽然仿真没有问题，但是在实际操作中，电路的灵敏度非常低，常常不能够感
14、知到人的靠近，所以也失去了作为报警电路的功能，所以在咨询老师后，将电路图做了改进。1. 2. 2方案二本方案是经过搜寻资料之后得到的工电路，热释电传感器信号经过2个运放滤被放大之后，通过与非门控制输出低电平（仿真时用电位器代替了光敏电咀，触发555芯片输出高电平使蜂鸣器报警。本电路基本满足了所需的要求，但是本次实验是用热敏电阻代替热释电传感器，信号量已不需再放大：蜂鸣器也未加载驱动，这些者ll需要改边。酣于亏；二1d: 1崎睛也可” . 四+ l阳V,- 国叽咄咄n主内土B.:_ . l t:v L:fu , 蛐睛- 。挝军。拥抱图1.2 方案二电路图“Vla-?V.U.1.2.3方案三vcc
15、 R1 -OkO. 5S o/,也卢，寸昕一.R3 20k0 U1A vccJI 74LS08N 5 R4 R2 2恨。5k0 35% U2A p。74LS04例LED1 商R13 气/Ar附2vcc 5V 飞KeyA 陆2 ” -J R11 02 ”,. 20k0 亨 “4 叫555_ IRTUAL C7 c士，o严:O,a,F = 图1.3 方案三电路图通过咨询老师，用热敏电阻取代热释电传感器，以达到设i:I目的。热敏电阻感受到的11&度越高其电阻越小，光敏电阻感受到了光亮越少电阻越大由于仿真限制，图中以电阻相近的电位器代替。在设计的电路中通过分压使热敏电阻l组值小到一定程度，光敏电阻阻值
16、大到一定程度时，者ll往CD4011与非门芯片输入高电平，此时CD4011芯片输出低电平触发SSS定时器，使输出一个高电平，点亮LED灯。经老师改进将SSS单稳态电路去掉，直接接电沮与LED灯，不仅能达到效果，更节约了成本。通过讨论，我们决定使用方案三。第二章系统组成及工作原理2. 1系统组成本电E各自三个部分组成：光敏电阻与热敏电阻、与非门以及LED报警电路。2. 1. 1 光敏电阻与热敏电阻vcc . R3i -w un 、，. n w阳削阶- 阁2.1 光敏热敏电阻电路光敏电阻的的阻值范围比较大，探测到有光源的时候电阻值只有几百欧，探测不到光i版时阻值可达到45到65千欧。热敏电阻在常j
17、且状态下阻值约为18千欧，温度越高阻值越小。2. 1. 2 与非门电路U1A U mT D;il 阁2.2 与非门电路与非门的作用是当它的两个输入管脚同时输入高电平时，与非门芯片输出一个低电平。2. 1. 3 LED报警电路LOE灯前接一限流电阻，最后点亮LED灯，达到报警效果。2.2 工作原理在现实操作中我们采用了CD401l与非门，与非门的输入假定分别为A.B脚，A脚接入的是热敏电阻与其相对应串联的电阻间的电压（VCC热敏电阻A脚输出电压分压电阻接地），在正常温度f!ll：室温条件下（25Co），热敏电阻的阻值为16.7千欧左右，当温度升到足够高时，热敏电阻阻宦可以降到几十欧甚至更小，通过
18、热敏电阻阻值的改变，控制着A脚的输入电压。通过串联一个20千欧的电阻，当热敏电阻组值变小时分压也变小，从电路圈可知可以从中间输出一个高电平到A脚：光敏电阻原理也相同，只是串联的位置相反（VCC分压电阻击 脚输出电压光敏电阻接地）。B脚输入的是光敏电阻两端的电压，白天光敏电子阻值小，输入电压小，但是到了晚上，光敏电阻阻值可以变到45-65千欧。通过串联一个2千欧的电陋，当光敏电阻感受不到光扎在时电阻变大，以实现此时输入电压达到高电平的要求。只有当温度上升（热敏电阻阻值减小同时又是黑夜（光敏电阻阻值增大的时候，与非门的两个输入端同时输入了高电平，也就只有这个时候，与非门才会输出一个低电平。最后通过
19、限流电阻，点亮LED灯，达到报警效果。第三章元件选择与参数计算3. 1相关原理及计算3. 1. 1光敏电阻图3.1光敏电阻结构一一通常出光敏层、玻璃基片（或树枝防潮膜）和电极等组成的。特性一一光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感，它的电坦值能随着外界光照强弱（明暗变化而变化。它在无光照射时，呈高阻状态：当有光照射时，其电阻值迅速减小。作用与应用一一广泛应用于各种自动控制电路如自动照明灯控制电赂、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的亮度自动调节，照相机的自动曝光控制等及各科l测量仪器中。光敏电阻主要参数有：I. 亮电l也（随：指光敏电阻器受到光照射时的电阻值。
20、2. 暗电阻。,LQ）：指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时的电阻值。3. 最高工作电压(V）：指光敏电阻器在额定功率下所允许承受的最高电压4. 亮电流：指光敏电阻器在规定的外加电压下受到光照射时所通过的电流。5. H音电流（1nA）：指在无光照射时，光敏电阻器在规定的外加电压下通过的电流。6. 时间常数（s ）：指光敏电阻器从光照跃变开始盖lj稳定亮电流的63%时所需的时间。在实践电路图中，光敏电阻电路输出的电压为：V =Vcc*R先 （R先R分原）= 5 * 20 I (20 + R尤）3. 1. 2热敏电阻图3.2热敏电阻NTC热敏电阻是指具有负温度系数的热敏电阻。是使用单一高纯度材料、
21、具有接近理论密度结构的高性能陶瓷。因此，在实现小型化的同时，还具有电阻值、j且度特性波动小、对各种温度变化响应快的特点，可进行高灵敏度、高精度的检测。NTC热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，它的电阻值随着植度的升高呈阶跃性的减小。NTC热敏电阻是以铭、钻、镇和钢等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似绪、硅等半导体材料.WI1i度低时，这些氧化物材料的载流子（电子和孔穴）数目少，所以其电阻值较高：随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低.NTC热敏电阻器在室温下的变化范围在JOO什000000欧姆，温度系数2%
22、6.5o/o。NTC热敏电阻器可NTC热敏电阻器广泛用于测温、控tliA、j且度补偿等方面。NTC热敏电阻根据其用途的不同分为：功率型NTC热敏电阻、补偿型NTC热敏电阻和测1/iA型NTC热敏电阻。零功率电阻值RT( Q ) :RT指在规定温度T时，采用引起电阻值变化相对于总的测量误差来说可以忽略不计的测量功率测得的电也值。电阻一温度特性热敏电阻的电阻1，且度特性可近似地用下式表示：R=RO exp (B(l厅 1厅。）电阻温度系数所谓电阻iliA度系数（），是指在任意温度下温度变化l。C(K）时的零负载电阻变化率。电阻温度系数（）与B值的关系，可将微分得到。所以，当输出电压为2.Sv肘，热
23、敏电阻阻直为2K左右，温度为400摄氏度左右。3.1.3 CD4011与非门芯片H自l3q!OI$ll.ll61 阁3.3CD401 l引脚阁乱也13)2(9，丘2)LOGIC DIAGRAM CD4001BMS 图3.4CD401 l原理图表一逻辑表达式：Y=A.B真值表A=Y.Bx y Q 动作。禁止。设定。重盟不变无(I）当X=O、Y=O时，将使两个NAND门之输出均为1，违反触发器之功用，故禁止使用。虫日真值表第一列。（勾当X=O、Y=l肘，由于X=l导致NANO-A的输出为”1”，使得NAND-B的两个输入均为”1”，因此NAND-B的输出为”。”，如真值表第二歹1J。(3）当X=l
24、、Y=O时，由于Y=O导致NAND-B的输出为”l”，使得NAND- 1的两个输入均为1，因此NANO-A的输出为”。气如真值表第三列。(4）当X=l、Y=l时，因为一个1不影响NANO门的输出，所以两个NAND门的输出均不改变状态，如真值表第四歹1J。管脚功能：IA：数据输入端2A：数据输入端3A：数据输入端4A：数据输入端IB：数据输入端28：数据输入端38：数据输入端48：数据输入端I y : 数据输出端2Y：数据输出端3Y：数据输出端4Y：数据输出端VDD: 电扎且正VSS: 土也VDD电压范围：一O.SVto 18 V 功耗：双列普通封装7001nW小型封装5001nW工作1！度范围
25、：CD401IBM-55 +125CD40l 1BC -40 4.1焊万用板步骤一：排线第四章实验、调试与分析根据所设计的电路图先在空白纸上排线，尽量避免过多的跳线和短路问题。使整个版丽看上去干净漂亮。步骤二：焊接左手拿焊丝，右手握；陷铁烙铁头靠在两焊件的连接处，加热黎个焊件全体，时间大约为l2秒钟。焊锡丝从烙铁对面接触焊件，当焊生在熔化一定量后，立自I向左上的。方向移开焊丝，最后移开烙铁。步骤三：检查将所有的元器件核电路图焊接好后，将万用表打到虫草鸣挡，用两端笔头检查电路是否有短路和断路的情况，并及时予以修正4.2系统调试4.2.1仿真调试I .用方案一时，由于在用软件仿真时，无法在引入相关
26、光学元件，如，热释电红外传感器，1次用直流电源与交流电源串联代替，再用按键开关模拟传感器发出的信号。综合考虑人的移动速度和菲涅尔透镜的作用，交流输入信号设置为IHz, Jin V.。2.采用方案三时，由于光敏和热敏电阻也无法引入，故用相应的电位器代替。通过改变电位器的值来模拟热敏电阳和光敏电阻在受热和受光照时阻值的变化以达到相同的效果。4.2.2焊接问题l由于个人焊接技术的问题，在泼锡时使两条电路之出现了短楼的情况。另外在有的地方加热过久，使板上的铜片脱落，为之后的焊接带来了少量的麻烦。再者，排线时任然有部分情况未考虑，使跳线的情况增加。2.初期使用运放的时候没有逐级排查错误，焊完了电路板才发
27、现有不通的地方，此时排查错误工作量增大，改正难度更大。4.2.3电路调试在实际操作过程中，由于方案工的电路过于复杂，且缺少相应的元器件，所以我们并没有采用方案二来做实物。方案，）.刚开始时，我们焊了方案一的电路。接入电源后人靠近时，LED灯并没有亮起来，便以为是感应信号太微弱了，用手靠近，还是没有报警。2.用万用表测试第一级放大信号，由于信号很微弱，万用表明显精度不够，运用电子示波器测试信号输出，测试结果大概在J01nv左右，第二级信号并没有放大，便对第二级进行了检查改逝，增大了放大倍数，但结果并没有理想中的顺利，报警LED灯成了常壳，便又减少了第二级的放大倍数，但感应时报警灯还是未亮。3.进
28、过询问后才知道，热释电传感器需要特定的芯片进行调整，由于知识的限制，故没有对电路阁再进行改变。4.多次测试无果之后，我们决定换做方案三，采用热敏电阻和光敏电阻的阻值变化引起差分放大电路的电压变化，从而获取一个瞬时信号，触发报警电路。方案三：）.将电路接入电源，电阻边光加热后，用万用表测量与非门输入与输出的电压值，以及LOE两端的电压俑，发现与计算值相i丘。2.方案三的电路正常工作时，拿手靠近电路时，灯亮报警电路工作。手离开后，灯灭，报警电路不工作。将黑胶布拿走后，无论手靠近或离开，灯不亮，报警电路不工作。3.虽然电路基本达到设讨要求，但多次试验后发现，电路本身灵敏度不高，偶尔会有失效的情况，但
29、由于时间限制，也没有再做改远。4.老师在检查后提出，去掉555芯片，在二极管前接一个限流电脑同样可以达到相同的效果，且更节约成本。5.第一个方案，在原理上，并没有什么问题，但由于电路较为复杂，多次寻找造成问题的原因，未能找到。相比较而言，第三个方案较为简单，但是感应度还是没有达到理想中的要求，而且结果不是很稳定。第五章结论实验结论：l.本次设计的电路能在夜晚有人靠近时自动报警，且有造型小，成本低，易于安装的特点。2.设计符合要求，排线合理，理论讨算值易求，各元件两端的实际电压值也与计算值相近。3.设计的过程中，通过咨询老师及查阅书籍的方法尽量简化电路圈，降低电路的成本。4.实物仍然存在少量问题
30、，如灵敏度不高，版面设计稍稍有些不合理等。5要提高报警器的灵敏度，可以考虑使用其它更好的元器件代替热释电传感器，或者用专门的芯片来调试热释电传感器，以求提高电路的灵敏性。另外在动手做实物时，要考虑到各种可能出现的因素，使布线合理，版面黎洁。参考文献 l 王振红，张常年电子技术基础实验及综合设tvt北京：机械工业出版社，2007.2.吴英才，林华清热辛辛电红外传感器在防且在系统中的应用J.广东：湛江海洋大学，20023.华成英模拟电子技术基本教程M.北京：清华大学出版社，20014.王毓锻主编数字电路逻辑设计（第3版）M北京：高等教育出版社，1999方案一背面图：方案一正面图：附录一方案一实物图方案三背丽图：方案三正丽图：附录二方案三实物图电路元件光敏电阻CDS附录三元件清单表二：元件清单NTC负温度系数热敏电阻CD401 l与非门0.1 uf电容I Ouf电容lOQ电阻lOk.Q电阻元件个数1 1 2 lOOQ电阻2k.Q电他20k.Q电阻LED :J:T
