红外防护装置.docx
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红外防护装置
《电子技术》课程设计报告
课题：
红外防护装置
班级电气1141学号1141201122
学生姓名宋丹丹
专业电气工程及其自动化
系别自动化学院
指导教师电子技术课程设计指导小组
淮阴工学院
电子信息工程学院
2017年05月
1设计目的
a）培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。
b）学习较复杂的电子系统设计的一般方法，了解和掌握模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力，由学生自行设计、自行制作和自行调试。
c）进行基本技能训练，如基本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、测量、熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设备进行调试和数据处理等。
d）培养学生的创新能力。
2设计要求
1.红外脉冲重复频率125Hz;
2.实现报警锁定，声光报警方式任选；
3.主要单元电路和元器件参数计算、选择；
4.画出总体电路图；
5.安装自己设计的电路，按照自己设计的电路，在通用板上焊接。
焊接完毕后，应对照电路图仔细检查，看是否有错接、漏接、虚焊的现象；
6.调试电路；
7.电路性能指标测试；
8.提交格式上符合要求，内容完整的设计报告；
3总体设计
3.1总体框图
设计思路的框图及各部分的主要内容如图1所示。
多谐振荡器
发射
报警电路
电路立乞
报警
信号的
锁定
图1红外防护装置总体设计框图
3.2框图各部分功能说明
发射电路是以555为核心组成多谐振荡器，通过改变振荡器的工作频率来调节红外发射器件的工作频率，且可以通过调节电阻来减小红外信号的占空比，从
而尽可能地增加红外防护的范围。
此外，要想得到较好的传输距离和稳定的工作性能，需将驱动红外线发射管工作的振荡电路频率调整在红外发射器件的工作频率附近，且产生振荡频率为f=1/0.7（R,+2&）C,555的三脚输出低频的振荡方波，通过VT1去控制红外发光管工作。
接收电路由红外线接收管、两个BJT9013—个0-5K的电位器等器件组成。
红外线接收管可将红外光脉冲转化为电脉冲信号，为使红外接收到的信号精确并且稳定，加进了CD4011用其中的一部分对接收到的脉冲信号进行整形。
经过整形后的脉冲信号传输到由555定时器构成的单稳态可重复电路，单稳态可重复电路可对其进行脉冲缺失检测，如果检测到有脉冲缺失，则发光二极管发光报警。
锁定电路可用来实现：
当有人阻断红外信号时，此时输出低电平，该部分电路可锁住低电平信号，即使此人离开，报警也可继续，直到被复位（本设计采用：
人为的手动复位）才停止报警。
本装置采用CD4011另一部分将其接收到的信号进行锁定，从而实现持续报警的目的。
报警电路是整体设计的尾声。
实现方法较为简单：
当上一级输入高电平是不报警，输入低电平时开始报警并可实现锁定。
3.3总体思路
该装置主要由红外发射电路和红外接收、报警电路两信号部分，将它们分别置于所要布置防盗地方的出口或入口的两侧，平时处于戒备状态。
当红外光束通
路被闯入者遮断时，报警电路就会发出报警信号。
为加大红外控制的作用距离，可采用提高其瞬时发射功率、降低其平均发射功率的办法，这就是常采用的脉冲调制红外光方式。
发射部分以555为核心组成单稳态多谐振荡器，要得到较好的传输距离和稳定的性能，必须将驱动红外线发射管工作的振荡电路频率调整在红外发射器件的工作频率附近，产生振荡频f=1/0.7（R1+2R2）C=1.43/（3k*4.7uf）=101.4Hz,555三脚输出低频的振荡方波，通过VT1去控制红外发光管工作。
采用555电路组成的振荡器来调整红外发射器件的工作频率，在555电路中，可以通过电阻来减小红外信号的占空间比，从而可以尽可能地增加红外的防护范围。
红外接收电路由红外线接收管，电压比较器等组成的。
红外线接收管是与红外线发射管配套的，它将红外光脉冲转化为电脉冲信号，为使红外接收到的信号精确并且稳定，加进了CD4011用其中的一部分对接收到的脉冲信号进行整形。
经过整形后的脉冲信号传输到由555定时器构成的单稳态可重复触发器，单稳态可重复触发器对其进行脉冲缺失检测，如果检测到有脉冲缺失，则发光二极管发光报警。
当有人阻断红外信号，输出低电平的时候，就需要一个锁存电路来锁住这个低电平信号，即使这个人离开，报警也应该继续，直到人为的按动复位键才停止报警。
采用CD4011另一部分将其接收到的信号进行锁定，以实现持续报警的目的。
另外由
于一开始输入的是低电平，所以需要一个开关控制电路转化成高电平。
同时需加
入一个复位开关，排除刚加电时的误报警。
4单元电路设计
4.1555器件的介绍
555定时器的外引线排列图和内部原理框图如图2、3所示。
图2555芯片管脚图
图3TTL电路555电路结构
ViceR
NE555定时器功能表，如表1所示
输入
输出
触发输入
阈值输入
复位
放电管
输出
0
导通
0
c2/3Vcc
v1/3Vcc
1
截止
1
>2/3Vcc
a1/3Vcc
1
导通
0
<2/3Vcc
>V3Vcc
1
不变
不变
4.2发射电路
发射部分以555为核心组成多谐振荡器，如图4所示。
电源接通后，Vcc通过电阻R1、R2向电容C充电。
当电容上电VC=2/3Vcc时，阀值输入端⑥受到触发，使输出电压Vo=0，同时放电管T导通，电容C通过R2放电；当电容上电压Vc=1/3Vcc时，输出电压Vo=1oC放电终止、又重新开始充电，周而复始，形成振荡。
由于555构成的多谐振荡器其工作频率应该在100KZ左右，所以可确定该多谐振荡器的R,,R的阻值。
令G=4.7uf，
充电时间：
tpH-（R1"R?
）Cln2：
0.7（R,亠&）C
放电时间：
tpL=R2Cln20.7R2C
振荡频率:
11.43
f=1T=
tpH+tpL（R+2R2）C
由此可求出R,,R2的阻值分别为1K為1KQo
O
红外线接收管和
4.3接收电路
红外接收管接收到红外光就会产生光电流，从而构成了9013三极管的基极
电流。
因三极管对基极电流有放大作用，所以在三级管的集电极形成了振荡信号
（1+B）lb。
考虑到起初接收到的信号可能很微弱，所以需要将其进行一定的放
大之后再重新送入报警电路
4.4可重复触发的单稳态电路
由555定时器构成的可重复触发单稳态电路如图6（a）、（b）所示
（a）电路图
（b）工作波形
图6由555定时器构成的可重复触发的单稳态电路
当V1输入负向脉冲后，电路进入暂稳态，同时BJT导通，电容C放电。
输入脉冲撤除后，电容C充电，在VC未充到2/3Vcc之前，电路处于暂稳态。
如果在此期间，又加入新的触发脉冲，BJT又导通，电容C再次充电，输出仍然维持在暂稳态。
只有在触发脉冲撤除后且在输出脉宽Tw时间隔内无新的触发脉冲，电路才回到稳定状态。
所以当红外光被遮挡时，且挡住时间大于脉宽Tw时，Vo
输出低电平，从而导致报警。
4.5报警信号的产生
发射电路发射出连续而稳定的光脉冲，接收电路在没有物体遮挡光的情况
下，接收到发射电路所发射的所有脉冲波。
但是当物体遮挡了红外光时，并遮挡住2个以上的脉冲波时，接收电路就会出现脉冲波的缺失。
此时，需要将这种缺失检测出来，本设计采用由555构成的可重复触发的单稳态电路（下跳沿触发）,对其进行脉冲缺失检测，如果检测到有脉冲缺失，则发光二极管发光报警。
接收与发射脉冲波的示意图如图7所示。
因物体经过而缺失的脉冲波
发射电路发射的脉冲波
捺收电路接收到的脉冲波
图7脉冲波发射与接收示意图
4.6信号锁定电路
本部分用反相器和与非门构成的简单结构，可以锁定单稳态触发器触发后的
低电平信号，从而持续报警，本设计中采用CD4011其管脚图如下图8所示。
14131211109@
3+567
图8CD4011管脚示意图
CD4011功能和用途：
该电路含由四个二输入的与非门，每个门都带有输入、
输出缓冲器，主要有于数字仪器仪表、工业自动化控制装置和计算机外围设备。
主要0参数：
静态电流0.1~5uA，输出高电平（电源电压10V）9.99V，输出底电平0.01V~.1V，输出延迟时间50~300nS不同档次），输入电容5pf。
报警信号的锁定电路，如图9所示。
图9报警信号的锁定
当输入低电平信号后，经与非门变成了高电平的信号，再经与非门后又变成低电平信号，并反馈到与非门的另一个输入端，这样即使输入的信号变成了高电平，最后输出的仍是低电平信号，从而实现了信号的锁定。
4.7报警电路
□
报警电路，如图10所示
图10报警电路
此部分由三极管9012和发光二极管构成，为低电平触发报警电路，当接收到前级的低电平信号时，发光二极管发光，即报警。
直到按下复位开关方可解除报警。
4.8红外防护装置整体原理图
本装置的设计原理图如图11所示。
低q+5V
丁c
BEE55J
6
5
21
3.3K_
---
1K
£0.01
工
T
nu.
K
3
图11红外防护装置原理图
4.8.1工作原理
本设计是红外防护装置。
要求当有遮挡红外时发出报警信号，无人遮挡时报警器不工作，即不发声。
根据要求，红外装置由两部分组成，即红外发射装置和红外接收装置。
红外发射装置由多谐振荡器、功率发大器、红外发光二极管组成。
多谐振荡器产生脉冲，此脉冲为红外光的调制脉冲，经功率放大后控制红外光二极管发射红外脉冲。
红外接收装置由红外晶体管接收与放大、可重复触发单稳态、锁定、报警电路组成。
把红外脉冲转换成电信号，即解调出调制脉冲，然后把此信号放大，控制报警器不工作。
若红外脉冲被人遮挡，则报警器发出报警声。
5.安装和调试
本次实验的连接板块较小而实验所需的元器件还不少，因此在焊接过程中要合理安排各器件的位置，使实验的样板看起来尽可能整洁美观。
认真焊接每一个连接点，勿造成虚焊、短路等现象，每一个元器件都安装好后应进行适当的调试。
装置在最开始的时候，可重复触发的单稳态电路处于低电平状态，而低电平是报警信号，所以需设定一个开关。
在起始的时候断开开关，接通电源以后，再闭合开关，可使可重复触发的单稳态电路处于暂稳态，避免无意义的报警。
本电路采用逐步调试的方法。
在调试之前，对照原理图，检查装置中的各个元件和它们相互的连接关系是否正确，并确保装置中无漏焊或虚焊等错误现象。
首先，调试发射电路。
将5v的直流电源连接到装置的两极（注意：
极性不可接反），使用示波器测试555定时器的输出端（3脚）,应该在显示屏上看到频率约为100Hz的方波信号。
同时，用万用表测试红外发射管两端是否有电压输出，以
检测二极管是否接反。
其次，调试接收电路。
用示波器测试几个特殊点的波形，看其是否正确。
接受电路中两个三极管起放大信号的作用，能在示波器中观察到被放大的方波信号。
这部分在接线过程中最易出现错误，很容易导致报警电路中的发光二极管持续亮或不亮等现象，要认真仔细的观察各点的波形从而找出错误，同时要注意如果有元器件在接通电源后发烫，要立即检查电路中是否有短路等现象，以免烧坏元器件。
最后，进行整体调试。
接通电源后，需先检查发光二极管是否发光。
如果不亮则检查二极管的好坏，若二极管正常，则检查开关电路，是否出现了虚焊等现象。
排除障碍后，二极管就亮了，然后按下开关，此时发光二极管应该是熄灭的。
如果仍亮着，则需进一步检测电路的连接是否出错。
若二极管能正常地熄灭，就用物体遮挡红外光发光管，理论上讲此时发光二极管应该发亮，即开始报警，但是如果没有报警，则需要检测振荡电路，可以用示波器观察其波形是否正确，然后用万用表检查连接的导线有无出现各种焊接问题，确定没有问题后，可以缓慢
调节滑动变阻器，使之位于一个较为合适的阻值，并再次检查电路运行是否正常。
6.设计总结
此次电子技术的实习让我学到了很多知识，不仅巩固了我平时所学习的内容，还让我得到了自己动手操作的机会，增强了我的动手能力。
从设计电路，选择元件，买缺少的零件，焊接电路，每个过程都是大家一起探讨研究的。
中间出现了不少问题，像由于对电路板的不了解导致第一次花了大量时间焊出来的电路短路，烧坏了元件；还有焊接期间把三极管的发射极焊错等等。
但大家没有放弃，在老师的指导下找出了原因并且学到了焊接技巧，之后焊接起来就方便很多了。
不过由于先前花费的时间比较多，剩下的时间不多了，心里有些着急，不过大家还是一步一步的焊接进行着。
两周时间的课程设计终于结束了，通过这两周以来同学的努力，在老师之前的指导下，我们完成了这次的课程设计。
面对从未接触过的事情，不知道从何开始下手，在一步步的实践中，我们学习到了一些除技能以为的其它东西，深切体会到人与人之间的那种相互协调合作的机制，更领略到了专业技能的重要性，最重要的是我们对一些问题的看法更加客观。
通过这次设计，我对数字电路设计中的逻辑关系等有了一定的认识，对以前
学的数字电路又有了一定的新认识，温习了以前学的知识，但在设计的过程中，遇到了很多的问题，有一些知识都已经不太清楚了，但是通过一些资料又重新的温习了一下数字电路部分的内容。
在这次设计中也使我们的同学关系更进一步。
7.参考文献
1.任振辉，张义华《电子技术》中国水利水电出版社；
2.康光华，周寿彬，秦臻《电子技术基础》数字部分（第五版）；
3.张宏希红外接收组件原理及应用电路[J]石河子大学学报20056
附录
实验所需元器件清单如下所示:
名称
型号
数量
电阻
100
2
电位器
5k
1
电阻
1K
2
电阻
3.3K
3
电阻
10K
1
电容
4.7uF
2
电容
47uF
1
电容
0.01uF
2
三极管
9013
3
三极管
9012
2
发光二极管
绿色
1
红外发射器
红色
1
红外接收器
黑色
1
按钮开关
1
NE555集成块（含插座）
2
CD4011（含插座）
1
电源
直流+5V
1
导线
若干
升级会员 