遮光式红外监控无线报警系统设计.docx
《遮光式红外监控无线报警系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《遮光式红外监控无线报警系统设计.docx（23页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
遮光式红外监控无线报警系统设计
一、前言…………………………………………………………………2
二、关于红外线技术的应用、发展等知识的相关连接………4
三、电路设计原理方框图……………………………………………7
四、报警系统主要电路组成…………………………………………8
1、红外线发射电路……………………………………………………8
2、红外接收控制电路………………………………………………10
3、无线FM发射机电路…………………………………………11
4、FM接收机电路…………………………………………………12
5、FM接收机电路…………………………………………………14
五、电路元器件明细表……………………………………………16
六、安装调试…………………………………………………………18
七、设计心得体会……………………………………………………23
八、致谢………………………………………………………………25
九、参考文献…………………………………………………………25
一、前言
在我国逐步建立社会主义市场经济的过程中，安全生产、社会安定以及人民大众生命财产的安全是值得重视的一大问题。
随着不少贵重物品或仪器的进入我们的生活或一些重要的场合，我们为了防止不法份子的偷窃。
这时在电子科技发展的基础上人们研制了电子报警器来防止贵重物品被盗。
现在采用电子报警器技术作为安全防范的一种手段已被社会及人民大众所接受，对各类报警器材的需求与日俱增。
电子技术发展促进了报警技术的不断发展。
我们可以通过电子防遗失报警器产品的发展，看到电子对报警技术发展的影响。
电子防遗失报警器采用的是无线电波发射抑制原理，其系统一般由主机及子机组成，主机用来接受无线电信号。
而子机用于发射无线电信号。
当系统工作时，若主机与子机之间的距离超过设定的，主机就会因收不到子机发射的无线电信号而报警。
早期的这类电路多采用简单的无线电收发原理来实现，它只能一台主机对一台子机使用，且现场有同类机子使用时，不可避免地会发生相互干扰。
现在由于电子技术的发展在原来电路的基础上增加了编解码电路解决了这种缺点。
到后来传感器也带动了报警应用技术的发展，此时在检测范围、灵敏度、精度、响应速度及可靠性方面都有很大的提高，慢慢开始集成化发展，传感器模块成批生产，如水位报警集成电路、无线电发射及接受专用集成电路、热释电红外报警器集成电路、车辆多功能报警专用电路、微波自动开关专用集成电路、超声波倒车专用集成电路等等。
这些专用器件的问世对简化整机电路、增加功能及提高可靠性起到了重要作用。
近几年来，电子产品已逐步进入来工农业生产各部门及人们生活的各个方面，也在报警器中得到的广泛应用。
今天，微机电系统的发展促使了报警装置向微型化、智能化和低成本化的方向发展。
现在不少场合的报警器都运用的是红外光控制报警器、热释电红外防盗报警器或是触摸遮挡等原理的报警器，它们都有自己的缺点，针对这些缺点和结合人们的运用场合大小等特点，我设计一种遮光式红外监控无线FM报警系统，它克服了漏检测或是检测面覆盖小的缺点，这种报警器当有人活动，靠近或越入到了它的检测范围之内时，报警器便会报警。
只要把报警器安放在不法分子很可能经过的场所，一旦有人活动，靠近或越入到了它的检测范围之内时即是当遮光式红外监控无线FM报警系统检测到这种人体的信号时，该报警器就会发出警报，同时扬声器发出尖锐的警示音来提醒守卫的工作人员，以起到减小或避免不必要的经济损失。
二、关于红外线技术的应用、发展等知识的相关连接
红外光区划分：
通常将红外波谱区分为近红外（near-infrared），中红外（middle-infrared）和远红外（far-infrared）。
区域
波长范围（μm）
波数范围（cm-1）
频率（Hz）
近红外
0.78-2.5
12800-4000
3.8⨯1014-1.2⨯1014
中红外
2.5-50
4000-200
1.2⨯1014-6.0⨯1012
远红外
50-1000
200-10
6.0⨯1012-3.0⨯1011
常用
2.5-15
4000-670
1.2⨯1014-2.0⨯1013
外线技术应用的类型及其相关技术综述--
红外线（Infraredrays）也是一种光线，由于它的波长比红色光（750nm）还长，超出了人眼可以识别的（可见光）范围，所以我们看不见它。
红外线由德国科学家霍胥尔于1800年发现，又称为红外热辐射（Infraredradiation）。
通常把波长为0.75～1000μm的光都称为红外线，并可以按照波长继续细分为三部分，即近红外线，波长为0.75～1.50μm之间；中红外线，波长为1.50～6.0μm之间；远红外线，波长为6.0～l000μm之间。
红外线是一种光线，具有普通光的性质，可以以光速直线传播，强度可调，可以通过光学透镜聚焦，可以被不透明物体遮挡等等。
特别制造的半导体发光二极管，可以发出特定波长（通常是近红外）的红外线，通过控制二极管的电流可以很方便地改变红外线的强度，达到调制的目的，因此，在现代电子工程应用中，红外线常常被用做近距离视线范围内的通讯载波，最典型的应用就是电视机的遥控器。
使用红外线做信号载波的优点很多：
成本低、传播范围和方向可以控制（不会穿过墙壁，对隔壁家的电视造成影响）、不产生电磁辐射干扰，也不受干扰等等。
因此被广泛地应用在各个技术领域中，这方面应用的专利很多。
红外线是一种光线，但又不同于普通可见光，它不会被察觉。
可以使用一对红外线发射与接收的装置，构成红外线的对射系统，称为主动式红外线应用系统。
当红外线收、发装置之间的隐形光路被阻挡时，接收装置可以立即察觉到，发出警示信号。
利用这种对射系统，可以很方便地构建各种隐蔽的防盗警戒布控，还可以用于各种设备的安全防护或者自动控制方面。
可以使用非常微弱的红外光线，达到信号通讯的目的。
由于红外线发光二极管的发光强度很容易被控制，因此通过简单的电路就可以产生出受特定频率调制的调幅红外光，这种具有特征的红外光线，即使非常微弱，也可以从环境杂射光中被识别并分离出来，达到很好的通讯效果，典型的应用领域有遥控、音频通讯、PC数据通讯等。
红外线又是一种热辐射，任何一定温度的物体都会向外辐射，温度不同辐射光波（电磁波）的波长也不同，而常温下的热辐射通常就是红外线的波长范围。
比如人体的正常体温为37度左右，其热辐射的波长约为10μm，属于远红外线的范围，但体温变化时，辐射光的波长也会随之变化。
根据这一原理，可以通过检测热辐射的光波长，测量温度（体温），这就是非接触式体温计的测量原理；也可以通过探测特定空间中，一定波长范围内红外光线的位置移动，识别空间范围内是否有移动人体存在，达到安全警戒或者自动控制的目的，如：
被动式红外线入侵探测、自动门、自动水龙头、自动路灯、火灾探测等等，都是这一原理；还可以通过红外成像以及红外摄影的技术，构成夜视装置；医学检查中的乳腺扫描，也是利用了红外热辐射的基本原理，乳腺癌变部位的皮肤与正常部位皮肤的温度略有不同，通过红外线成像技术，呈现出整个乳房表面的温度分布图形，就可以早期发现乳腺癌变。
红外线是一种电磁波，当它通过放射方式辐射到物体时，被物体吸收的辐射能传递给物体内的原子、分子等粒子，使这些粒子发生不规则运动，引起物体的升温作用，称为远红外线的一次效应，也称为增温效应。
产生一次效应的同时，物体也随之发生其他的化学、物理等改变，这称之为物体吸收远红外线辐射后产生的二次效应，也称为继发效应。
近年来，由于检测设备的完善及研究的深入，人们对红外线的物理性能及其生物学效应有了比较全面的认识，获得了许多进展。
红外线特别是远红外线已被广泛运用在医疗保健产业中，与日常生活有关的各种红外线产品也大量出现，相关的专利申请也逐渐增度。
三、电路设计原理方框图
遮光式红外监控无线FM报警系统电路主要由红外发射、红外接收和无线电FM发射机、接收电路等部分组成。
四、报警系统主要电路及其工作原理
（1）红外线发射电路
图2-1
上图2-1所示为电路为红外发射电路。
VT1、VT2、R1~R4、C2和C3组成一个不对称的自激多谐振荡器，其振荡频率取决于形成多谐振荡的充、放电时间常数。
由于C2、C3的电容量不同。
振荡脉冲的站空比D=td/T0≈1:
4。
因为发射的脉冲宽度较窄，这样可在驱动的平均电流相同的情况下，得到比较高的红外脉冲电路（脉冲功率）。
为使红外线发射功率恒定，设计了一个恒流源，它由VT4、VT5和RP1组成，VT4置于驱动级VT3和红外发光二极管VD1的上方。
VT5为高阻抗场效应管，它为VT4提高一个恒定的电流，使VD1在VT3道通期间有较恒定的电流通过，发出稳定红外光。
VD1采用SE303A红外发光二极管，为使它发出的红外光能集中辐射向前方，将一个凸透镜置于VD1的聚焦点上。
SE303A的环形透镜直径为5mm，选2～4cm的小型凸镜即可。
（注）上图所示电路中，VT1~VT4分别采用9013、9012型管，要求hfe≥120;VT5采用N沟道结型场效应晶体管30J6F；VD1采用与发射管SE303A型红外发光二极管。
红外线发射电路中相关元件参数见表
（1）
（2）红外接收控制电路
图2-2
如上图2-2为红外接收控制电路。
它由红外光电转换器、两级放大器、选频电、继电器控制电路和交流降压整流电路等组成。
VD1为红外发光二极管，它与R1组成光电转换电路。
从发射头发出的红外光束，经过空间传输射至红外接收头的VD1上，VD1将红外光信号转换成相应的电信号。
检测出的微弱电信号经过C1加至VT1前置放大器进行放大器放大，VT1采用噪声较底的小功率三极管9014。
IC1采用通用型单运放集成电路uA741。
为保证该运放输出电压有较大的动态范围，在采用单电源VDD供电的情况下，应将输出端电位设置在1/2VDD处。
设计了R6、R7分压器，将1/2VDD电压因至uA741的同相输入端，这相当于将其输入偏压垫高了1/2VDD，从而输出（
脚）的静态点电压为1/2VDD。
经IC1放大后的脉冲信号加至IC2的输入（
脚）。
IC2选用CMOS集成锁相环电路CD4046，它内前置放大器、相位比较器（两个）、压控（频率）震荡器（VCO）和缓冲放大器等。
锁相环内部压控震荡器的中心频率，由⑥、⑦脚间外接的C4和
脚输入的信号的频率与CD4046的VCO的频率f0一致时，相位比较器PCⅡ在的锁定指示输出端①脚就由低电平转呈高电平，输出一个正脉冲。
利用CD4046的这一选频特性，在它的输出端①脚接一个触点常开的继电器控制电路，实现对FM发射机的控制。
在发、收端正常运行时，红外光路是畅通的。
此时，CD4046的①脚呈高电平，外接的VT2（PNP型）呈截止状态，继电器K处于释放状态，其触点K1-1断开，FM发射机无点不工作。
当有人闯入红外光束通路时，人体将红外光束遮挡。
此时，CD4046的输入端无信号输入，它的①脚转呈低电平（0.3V），VT2导通，继电器K通电吸合，其触点K1-1接通，FM发射机通电，向空间发射调频电磁波。
（注）以上电路中，VD1采用与发射管SE303A配套的红外发光管PH302；VT1选用前置放大三极管9014，VT2采用PNP型三极管9012，要求hfe≧100;IC1采用运用运放集成电路uA741、LM741或FX741等；IC2采用CMOS锁相环集成电路CD4046或CC4046；K选用JZC-22F（DC9V）超小型中功率电磁电器；T采用功率为3～5W、此级电压为AC13V的电源变压器；VD采用1A/50V的全桥整流模块。
红外接收控制电路中相关元件参数见表
（2）
（3）无线FM发射机
图2-3
上图2-3FM发射机电路所示,它由音频信号产生器和震荡器等组成,是一个微型调频发射机,电路极其简单,体积小,可置于一只普通火柴内.
音频信号产生器是以一只音乐三极管VT66系列音乐集成电路的外形酷似一个小功率塑封三极管,故又称为音乐三极管.它内储一首乐曲的主旋律,其触发方式分为L型和S型两种.前者只要加上电源电压,便会一直不停地重复播出其内储的音乐信号;后者在加电（或触发）后便演奏内储的音乐,曲毕自停.这里选用VT66L20型器件,它内储乐曲长度为6S的门铃乐曲信号,一旦加上电压,便迅即由③脚输出铃声信号,该信号经VT1放大器放大后,再经C2加至VT2的基极.
VT2采用超高频晶体三极管3DA3866A,它和L1、C4等组成一个高频震荡器,其振荡频率主要由L1、C4并联谐振回路来决定,并受来自VT1的音频信号调制,产生所需要的调频信号并经天线WT向空间发射.
VT66的工作电压为1.2～3.6V,为保证其可靠工作,设计了R1\VDW（2CW51）稳压支路,由VDW稳压出3V电压,作为VT66的工作电压源.VT66的耗电积省,静态电流Iab≤0.3uA,最小输出电流不小于2mA.
（注）图2-3无线FM发射机电路中,IC1选用VT66L20或VT66L21;VT1采用9014,要求hfe≥150;VT2采用3DA3866A（国产）或34D40\2N3866,要求hfe≥85,Icm≥1.5A,Pcm≥1W;ƒT≥600MHz;L1、L2用∮0.71mm漆包线在∮4mm钻头圆柄上分别平绕4.5匝和10匝,然后脱胎;C1～C6均采用云母或瓷介质电容器;VDW采用2CW51型（3V,71mA）稳压二极管。
无线FM发射机电路中相关元件参数见表（3）
（4）FM接收机
图2-4
一、调频接收机的工作原理
基本要求：
（1）接收频率（f0）范围：
8～108MHz。
（2）接收信号为20～1000Hz音频调频信号，频偏为3kHz。
（3）最大不失真输出功率≥100mW9（8Ω）。
（4）接收灵敏度≤5mV。
（5）通频带：
f04kHz为-3dB。
（6）选择性：
f010kHzo–30dB。
（7）镜像抑制比≥20dB。
本设计采用窄带FM/IF芯片MC3361B完成混频、中放和解调，以PLL频率合成方法产生稳定的本振，以D/A转换方法控制输入调谐回路的谐振频率，从而实现电调谐。
在高频电子线路中学习了超外差式接收机的知识，就对于这种应用广泛的方法有了一种十分喜欢的情素，所以这次也选了对它的更深一步的学习，来设计超外差式调频接收机。
其工作原理是：
天线接收到微弱的高频信号经输入调谐回路选频为v1,再经过一级或几级高频小信号放大器（这部分往往也可以省略不用）放大为v2。
然后送至混频器与本地振荡器所产生的等幅振荡电压v3相混合，所得到的输出电压v4包络线形状不变，仍与原来的信号波形相似，但载波频率则转换为v2与v3两个高频频率之差（或和）。
这叫做中频。
中频电压v4再经中频放大器放大为v5，送入检波器，得检波输出电压v6。
最后天波；调频制无线电广播多用超短波（甚高频）无线电波传送信号，使用频率约为88MHz-108MHz，主要靠空间波传送信号再经低频放大器放大为v7，送到扬声器（或耳机）中转变为声音信号。
超外差式接收机的核心是混频器部分。
混频器的作用是将接收到的不同的载波频率转变为固定的中频。
这种作用就是所谓外差作用，这也就是超外差式接收机名称的由来。
由于中频是固定的，因此中频放大器的选择性与增益都与接收的载波频率无关。
这就是克服了直接放大式的缺点。
混频器和本地振荡器往往共用一个电子器件，合并为一个电路，这时就叫做变频器。
它的方框图如图2-4所示：
（5）FM接收机电路
图2-5
FM接收机电路如上图2-5所示，它是以一片微型FM收音机专用集成电路TDA7010T为核心而组成的，接收频率范围为88～108MHz。
该器件的芯片集成度高，把所需要调试的外围元件，甚至连中频滤波器也集成了进去，还采用频率锁向环和特殊静噪（音）控制电路，使FM接收机只需要单联调试选台，避免对中频的再调试，也无需要调试，调试及操作相当简单。
输入的FM信号经过TDA7010T内部放大、混频中放及解调后，从②脚输出音频信号，并经过C15加至IC2D的同相输入端③脚。
IC2采用低电压优质小功率音频放大集成电路LM386。
它具有使用电压范围宽（4～12V）、静态电流小（Iab≤4mA,VDD=6V）、输出功率大、P0=325mW（VDD=6V，RL=8Ω）、开路增益高（26dB）以及谐波失真小（THD≤0.2%）等优点。
在它的铃声信号经过LM386放大后，驱动电动扬声器发出告警音响。
（注）图2-5无线FM接收机电路中，IC1选用飞利浦公司生产的TDA7010T；IC2采用LM386；L1用Ф0.71mm漆包线在Ф4mm钻头圆棒上平绕5匝，然后脱胎即可；天线WR用一般软导线，1.2m长即可；RP1选用WH9-K型带开关的小型电位器；B采用YD57-1型电动扬声器；C11采用CBM-202B2型有机薄膜双联可变电容器（实际只用其中的一联）。
FM接收机电路中相关元件参数见表（4）
五、电路元器件明细表
红外线发射电路的主要元器件参数如下：
R1
3K
C3
1200pF
R2
15K
VT1
9018
R3
15K
VT2
9018
R4
3K
VT3
9013
RP1
15K
VT4
9012
C1
100uF
VT5
3DJ6F
C2
8200pF
VD1
SE303A
表
（1）
红外接收控制电路的主要元器件参数如下：
R1
100KΩ
C6
330uF
R2
470KΩ
C7
220uF
R3
150KΩ
VD1
PH302
R4
5.1KΩ
VD2
1N4148
R5
0.027KΩ
VD
1A/50V
R6
100KΩ
VT1
9014
R7
100KΩ
VT2
9012
R8
200KΩ
IC1
uA741
R9
0.51KΩ
IC2
CD4046
R10
5.1KΩ
R11
47K
RP
10KΩ
C4
500pF
C1
0.047uF
C3
0.1uF
C2
0.047uF
C5
0.1uF
表
（2）
无线FM发射机电路的主要元器件参数如下：
R1
1KΩ
R2
1.5KΩ
R3
20KΩ
R4
15KΩ
C1
2000pF
C2
0.01pF
C3
1000pF
C4
22pF
C5
18pF
C6
6pF
C7
0.1pF
VDW
2CW51
IC1
VT66
VDD
9V
VT1
9014
VT2
3DA3866A
L1
4nH
L2
10nH
表（3）
FM接收机电路的主要元器件参数
R1
10KΩ
RP1
10KΩ
C1
3000PF
C2
220uF
C3
330uF
C4
0.1uF
C5
180PF
C6
3000PF
C7
180PF
C8
0.02uF
C9
0.1Uf
C10
270PF
C12
150PF
C13
220PF
C15
22Uf
C16
10uF
C17
220uF
C18
0.01Uf
C19
220uF
GB
4.5V
IC1
TDA7010T
IC2
LM386
表（4）
使用注意事项：
遮光式红外监控无线FM报警器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系。
正确的安装应满足下列条件：
字串6
1.报警器应离地面1.0到2.0米之间。
字串9
2.报警器应远离风扇、门扇等运动变化比较多的地方。
字串1
3.报警器探测范围内不得有隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。
频率调制（FM）：
角度调制信号的时域表达式为:
（注意，这里和前面的调制的区别在于，这里的cos中的量，原来是个出相位“phy”而现在是个
cita（t）是个t的函数了）
其中，
是载波的振幅，
是角度调制信号的瞬时相位，而
是瞬时相位偏移;
为信号的瞬时频率，而
称为瞬时频率偏移，即相对于
的瞬时频率偏移。
频率调制的定义
所谓频率调制，是瞬时频率偏移随调制信号
成比例变化的调制，此时，瞬时频率偏移可表示为
注意，这里是频率，是求过导的。
其中
为频偏常数，或有
频率调制信号的时域表达式为
（4.6-1）
（从这里可以看出，频率的变化还是随调制信号的幅度而线性的，毕竟K是常数。
但是，在电子中，频率就不能变，一变就叫非线性电路）
FM信号的时域波形图如图4-6-1所示:
图4-6-1FM信号的时域波形
设调制信号单频余弦信号，即
（4.6-2）
当它对载波进行调制时，由式（4.7-1）、式（4.7-2）可得调频信号为
（4.6-3）
式中
称为调频指数。
由于
为最大角频率偏移，通常记作
，所以式（4.6-3）又可以表示为
根据调制后载波瞬时相位偏移的大小，可以将角度调制分为宽带与窄带两种。
宽带与窄带调制的区分并无严格的界限，但通常认为由调频或调相所引起的最大瞬时相位偏移远小于
，即
时，称为窄带调频或窄带调相。
当不能满足上式的条件时，则称为宽带调频或宽带调相。
以三极管，集成电路为中心并根据输入输出分离的原则，以适当的间距来安排其他元件。
根据仿真好的电路图有电路图左到右安装面包板。
注意地线，电源线，尽可能归并统一。
安装完成后，需详细检查电路图，看是否会漏线，或者接错线。
拿到元件的时候首先要做的就是用仪器把每个元件测量一遍，看是否是要求中需要的与它的标称值相不相等，因为虽然元件的质量虽然比较好，但依然会有可能有故障或者误差比较大的。
元件会较多，但测量不要嫌麻烦，真正做到疏而不漏。
在安装之前把实验元件按要求在实验箱上联接好，接线一方面要做到令电路达到计划中的功能和指标，另一方面又要做到简单明了，兼顾整齐美观。
连线布线应注意以下几个要点：
一般以集成电路或三极管为中心，并根据输入输出分离的原则，以适当的间距来安排其他元件。
集成块与晶体管的布局，一般按主电路信号流向的顺序在插座板上直线排列，各级元器件围绕各级的集成块或晶极管布置，各元件间的间距应视周围元件多少而定。
第一级的输入线与末级的输出线、高频线与低频线要远离，以免形成空间交叉耦合。
合理布置地线。
当电路有多级时，应将各级单独接地，再分别接公共地线。
布线的顺序一般是先布电源线与地线，然后按布线图从输入到输出依次连接好各元器件和接线。
在此条件下，尽量做到接线短、接线少、测量方便。
集成电路的安装：
集成电路引脚必须插在面包板中央凹槽两边的孔中。
为便于检查，尽可能采用不同颜色的导线；尽量在器件周围连线，并不允许导线在集成块上方跨过，或从三极管下方穿过！
查线无误，才能接通电源。
查线时仍以集成电路或三极管的引脚为出发点，逐一检查与之相连的元件和导线。
七、设计心得体会
我在大学四年的学习生活中，系统地学习了电子及其相关专业的几门课程。
我们的课程以数电、模电为基础，进一步又学习了微波、电子线路等专业课程。
为了更深入的理解并掌握大学所学内容，我的设计课题选择了由老师指导的遮光式红外监控无线FM报警系统电路。
通过本次设计，使我感受到过程是艰辛同时又充满乐趣的。
自行设计这对我将来踏上工作岗位是非常有帮助的，这也是我对自己的考验。
于是本次设计过程中我完全按照电子设计步骤的要求来进行，从设计分析开始，再进行总体设计、详细设计,最后到系统实现。
每一步都让我将理论学习的知识应用到实践中去。
也使我掌握了一整套规范的设计
升级会员 