光电报警器设计与制备.docx

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光电报警器设计与制备

光电报警器设计与制备

摘要：

本设计主要由红外线传感器、NE555多谐振荡器、红外发射接收对管的组合电路、同相比例运算信号放大电路、单稳态触发器电路、光声报警电路、延时电路和音响报警电路组成。

该探测器的探测距离大约3米，报警声音可持续时间可调，在开机后能够报警。

用普通红外发射与接收对管组成发射与接收系统，接收系统能够接收发射系统发出的红外线。

当接收系统受阻即有物体介入挡住红外光束时，接收系统会发出光与声的报警信号，而且这些光声报警信号在障碍物离开以后，还能够延续一段时间以引起人们的注意。

关键词：

红外线NE555LM386报警

1.引言：

进入21世纪以来，由于我国经济建设的发展，国家科技技术越来越发达，其中就包括电子技术领域的深入发展、飞速发展近。

人民的生活水平也有了很大提高，各种高家电器和各种高档装饰品（金、钻石等）等都已不是奢望，而是为很多家庭所拥有。

但是这样也引发了许多犯罪，一些不法分子正是看到许多家庭防盗意识的不强进行偷盗然。

所以，越来越多的居民家庭对财产安全问题十分担忧。

而电子技术的发展也为大家这方面的担忧提供了解决方法，那就是报警器。

不过目前，市面上的报警器大都用于大公司和财政机构，价格昂贵，大部分人都难以接受。

假如设计和生产一种价格适中、性能良好的报警器，必将在家庭防盗方面发挥非常重要的作用。

由于红外线是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保工作中得到了广泛的应用，此外，在电子防盗、人体探测等领域中。

红外报警器其功能非常先进，其中包括被动式热释电型红外报警器,，红外监控无线报警器,超声波防盗报警器,红外线防盗报警器,高灵敏红外报警器,触摸式延时防盗报警器,触摸式防盗报警器,红外报警器,红外线声光报警器。

报警器是一种重要的安全监视系统，有两种形式即被动式与主动式。

被动式报警器系统保密性好，但设备复杂；而主动式报警器系统可以利用特定的调制编码规律，达到一定的保密效果，设备简单。

因此本设计往着这一方向考虑，设计一个简易的具有特定编码的主动式红外光电报警器。

2.课程设计目的与内容、要求：

2.1目的：

1练习设计简单的光电系统。

2对影响光电探测性能的各种参数进行探讨，以求最大限度地发挥系统的探测能力。

3熟练掌握和运用多谐振荡器、跟随器、有源滤波及放大等电路。

2.2内容及要求：

用砷化镓发光管组成发射系统，发射系统和接收系统之间有红外光束警戒线，光警戒线被阻挡时，接受系统发出报警信号。

要求系统在一定器件的条件下作用距离尽可能远。

3.电路的主要性能及设计流程思路、参数计算：

电路的主要性能：

此设计的光电报警器，当警戒线被阻挡时系统发出声音和灯光报警，延续时间可调。

作用距离3米左右。

设计流程框图如下图1，可将其分为两大块：

发射块与接收块。

3.1NE555多谐振荡电源调制电路：

NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率的脉波讯号。

　　a.NE555的特点有：

　　1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。

其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。

　　2.它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑闸配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。

　　3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。

　　4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。

　　b.NE555引脚位说明下：

　　NE555接脚图：

　　Pin1（接地）-地线（或共同接地），通常被连接到电路共同接地。

　　Pin2（触发点）-这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。

触发信号上缘电压须大于2/3VCC，下缘须低于1/3VCC。

　　Pin3（输出）-当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。

周期的结束输出回到O伏左右的低电位。

于高电位时的最大输出电流大约200mA。

　　Pin4（重置）-一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。

它通常被接到正电源或忽略不用。

　　Pin5（控制）-这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。

当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。

　　Pin6（重置锁定）-Pin6重置锁定并使输出呈低态。

当这个接脚的电压从1/3VCC电压以下移至2/3VCC以上时启动这个动作。

　　Pin7（放电）-这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。

　　Pin8（V+）-这是555个计时器IC的正电源电压端。

供应电压的范围是+4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）。

参数功能特性：

　　•供应电压4.5-18V

　　•供应电流3-6mA

　　•输出电流225mA（max）

　　•上升/下降时间100ns

NE555多谐振荡电源调制电路原理图，如下图2：

图2

将接地端、电源端接好，并接上定时电阻、电容、发射管及其限流电阻。

其工作原理：

当管脚为高电平时，输出电压通过R1对C1充电，2端口电压指数上升，时间常数为R1C1。

当2端口电压上升到上限阀值2Vcc/3时，输出口3就输出低电平。

此时2端口电压又随C1放电而指数下降，当下降到下限阀值Vcc/3时，输出端口3又变成输出高电平，如此反复，可得到方波，调节R2可得到严格的方波。

由数字电路知识可知：

C1放电时间：

T1=R2C1ln2;C1:

充电时间T2=（R1+R2）C1ln2；

所以振荡频率为f=1/（T1+T2）=1/（R2C1ln2+（R1+R2）C1ln2）=1/（R1+2R2）ln2C1；

占空比q=T1f=（R1+R2）/（R1+2R2）；

采用脉冲信号去驱动红外发射管有利于提高发射机管的发射距离，因为脉冲的峰值是比较大的，另外采用高频方波将有利于提高发射管器的寿命。

因此选取R1=R2=10K,C1=39PF,输出端3（OUT端）的输出频率f=1/（（R1+2R2）ln2C1）≈1/（（2.1R1C1）ln2）≈1.8×106Hz，其占空比约为0.6接近0.5。

3.2发射管的限流电阻的计算和选用：

用NE555来驱动发光管时，发光管上要串联上限流电阻，使输出电流小于或等于发光管的最大正向电流IF，若振荡器的输出电压为U0，则限流电阻为

R大于或等于（U0-UF）/IF。

因此:

采用估算法了计算限流电阻的大小：

发射管处的限流电阻R7≈（5-2）V/20MA≈150，但考虑到实际情况，这里我选用200。

3.3运算放大电路:

要求有高的输入阻抗，以减少对信号源电流的索取，而低的输出阻抗特性，可以驱动下级电路。

电压放大电路的任务就是把输入信号的电压提高，提高到足以驱动功下级电路的程度。

选用由集成运放组成的同向比例运算电路。

集成运放可以看成是一个双端输入，单端输出，具有高差模放大系数，高输入电阻，低输出电阻。

集成运放的理想化参数是：

1开环差模增益（放大倍数）Aod=∞；

2差模输入电阻Rid=∞；

3输出电阻Ro=0；

4共模抑制比Kcmr=∞；

5上线截至频率fH=∞。

因此选用同向比例运算电路，电路图如下图3：

图3

以运算放大器LM386为核心构成的同相运算放大器如上图2所示，工作电压范围宽，4-12V 或5-18V。

它的放大倍数Au=（1+R4/R5）=（1+200/10）=21,其主要作用是放大输入端的电压值。

通过放大电路，就可以利用放大电路去驱动报警电路及延时电路。

接收与发射之间有物体挡住时，输入端的电压为0，通过放大电路后就驱动报警电路延时电路。

当接收与发射之间无物体挡住时，输入端的电压，通过放大电路后就大于驱动报警电路和延时电路NE555单稳态触发的上限阀值不驱动驱动报警电路和延时电路。

接收管的限流电阻采用500K的变阻器，通过它可以调节接收管的灵敏度。

C2为虑杂信号电容。

3.4NE555单稳态触发延时电路：

利用接收信号经放大器后的电压来驱动NE555单稳态触发电路，当NE555单稳态触发电路输入端的电压为高电平是NE555单稳态触发电路的输出3端为低电平，则报警电路和延时不工作；当NE555单稳态触发电路得输入端为低电平时期输出端3为高电平，则驱动报警电路和延时。

NE555单稳态触发电路图如下图4：

图4

选取延时电阻为500K滑动变阻器、电容为100uF，由数字电路知识可知：

延时时间为：

Tw=1.1R12C4。

在本次课程设计中，将滑动变阻器调为100K，所以延时时间约为：

Tw≈1.1R12C4=1.1×100×103×100×10-6≈11S。

如要改变延时时间，可以调节滑动变阻器的阻值。

3.5报警电路：

这部分电路很简单，主要靠三极管的放大作用和信号控制端来实现光声报警。

报警电路原理图如下图5：

图5

在此电路中，若在单稳态电路中U2的3脚变为高电平时，由于高电平驱动三极管9014，在9014的发射极输出高电平，则蜂鸣器发出警报声，同时报警灯亮。

如图5，。

由于本电路采用的蜂鸣器阻值较大，故其限流电阻R6取20，其中其额定电压为5v。

3.6红外光电报警电路：

总原理图如下图6：

图6

红外线报警器电路由多谐振荡电路、红外线传感器、信号放大电路、单稳态触发电路、延时电路和音响报警电路等组成。

S1闭合后，工作指示灯DS4亮，表示电路开始工作，NE555构成的多谢振荡器不断向发射管输送频率约为1.8×106Hz的方波脉冲信号让发射管DS2高速间断地发射红外线；①当有物体介入挡住了红外线时，接收管DS3电阻变得很大，接收管相当于断开，故R3左端的电压为0，放大后还是0，故此时单稳态触发器的触发端2为低电平，则输出端3为高电平，三极管9014导通，报警电路工作，蜂鸣器发出报警声音，DS1亮，而且时间约为11S。

②当没有物体介入挡住红外发射接收对管之间的红外线传递时，R2左端的电压大概为1.6V,这个电压经过同相比例运算放大电路放大后约变为4.27（高电平），故此时单稳态触发器的触发端为高电平，则输出端位低电平，报警电路不工作。

当电路工作在有太阳光的环境时，接收管应该加上保护套以隔绝太阳光里面跟发射管所发出的红外线有相同频率的红外光。

4.调试:

本次设计中，调试是十分重要的过程，调试的好坏就直接关系了作品的成功与否。

本次设计中用到得工具很简单主要应用了数字万用表，数字万用表工具作为调试工具。

在设计整个报警系统的过程中，我们不断的调试，不断的改进，从一个发现问题到解决问题的过程。

从调试来看，要做到分模块调试，最后整机调试。

把各个电路连接在一起接上电源，观测电源的稳定性，在次重复上述调过程。

若没问题就可以测试了。

将整个系统通电观察指示灯，当系统刚开运行时只有红色指示灯亮，此时在发射管与接收管

没放障碍物，这时系统是不会报警的、红色报警灯也不亮起；再在发射管与接收管放个障碍物，系统发出响亮的报警声，红色报警灯也亮起，这时拿走障碍物可以发现系统还在报警，报警声大约持续了11S左右，这样这个测试就完成了。

调试的过程要慢慢的、一步一步的进行。

调试过程中，发现光电报警器工作不正常，无论如何、无论接收管与发射管的距离多近，报警器都不会响应。

为了找出问题点，我使用手机的红外设备检查反射管，看看是不是反射管没有发射。

但我却发现，发射管正常工作。

那么这样，就不是发射管出现问题。

问题就出现在接收模块了！

然后我就再次重新对照自己设计的原理图，仔仔细细地检查一遍电路图看看实物图有没有焊接错误。

在经过对实物图的多次检查后，我发现实物图焊接确实没有错误。

然后，我就怀疑红外就收管正负连接错误，于是我就将红外接收管的管脚调转焊接，接着再次测试，发现还是不行。

经过几次后的验证后，报警系统还是不正常工作后，我就在重新在网上查找了有关红外报警器的工作原理。

在查资料的过程中，我发现红外报警器不正常工作，有可能因为跟接收管接在一起的电阻阻值不够大有关（因为这与报警器的灵敏度有关），还有可能与放大电路的放大倍数不够有关（因为如果放大倍数不够，那么放大电路的输出电压达不到当稳态触发的阀值就不能使报警系统正常工作）。

于是，我就用数字电压表测量接收管与发射管之间有障碍物、无障碍物两种情况下：

放大电路的输入、输出电压的值。

结果发现有障碍物时输入电压接近0，输出电压也接近0；无障碍物时，输入电压不为0，而输出电压为3.76V。

但由于电源使用6V，稳态触发电路阀值为4V，因此驱动不了当稳态触发电路是报警电路正常工作。

我终于发现了问题点。

然后，我便一边测量放大电路的输入、输出电压，一边调节放大倍数及接收管灵敏度的阻值。

最后经过多次的测试，报警器终于正常工作，并且作用距离大约为3米。

此时放大电路倍数为21，接收管灵敏度阻值约为100K。

延时时间为11S左右，到此测试完成。

5.参考文献：

[1]．数字电子技术基础.阎石主编.北京：

高等教育出版社.2006.5

[2].模拟电子技术基础.华成英，童诗白主编.北京：

高等教育出版社.2006.5

[3].材料与能源学院实验指导书.微电子材料与工程系编写.2007.1

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