测控电路课程设计.doc
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测控电路课程设计
课程设计结题报告
课程名称测控电路课程设计
题目1、红外报警系统的设计与实现
2、光照度测量
指导教师
系别仪器科学与光电工程学院
专业测控技术与仪器
学生姓名
班级/学号
成绩____________________________
目录
目录 1
设计任务与要求 2
1.设计内容：
2
本小组选择的题目 2
红外报警系统的设计与实现 2
一、课设背景：
2
二、系统设计方案 3
1、结构框图：
3
2、系统原理与原理图：
3
3、系统的功能 3
三、传感器选择：
4
热释电红外传感器RE200B 4
选择的原因：
4
工作原理：
4
参数 5
四、单元电路设计 5
红外线采集接收电路 5
红外线采集接收电路电路图 5
信号的放大处理电路 6
信号的放大处理电路电路图 6
信号的比较电路 6
信号的比较电路电路图 7
信号的取反电路 7
信号的取反电路电路图 7
蜂鸣器报警电路 7
五、元器件选择 7
LM741 7
LM339 8
HD74LS00P与非门芯片 10
六、电路接线图 10
七、调试过程：
11
八、结果（数据、图表等） 11
光照度测量 13
一、课设背景 13
二、系统设计方案 13
1、结构框图 13
2、系统的功能 14
3、系统原理与原理图 14
三、单元电路设计 14
1.Led发光和光电转换电路 14
2.I/V转换放大输出电路以及数字表头显示电路 15
3.比较电路及其发光报警电路 15
四、电路接线图 15
五、调试过程：
16
六、结果（数据、图表等） 16
七、总结 17
设计任务与要求
1.设计内容：
室内环境参数测量及安防报警电路设计
温度、湿度、照度测量与显示、报警电路设计；
破门入室、破窗入室、室内防盗、火灾,燃气泄露等报警电路设计。
2.基本要求：
用电路实现，不用软件；
用数字表头实现测量值的显示；
能够设置环境参数测量值报警上下限，并实现声、光报警；
从1和2中各选一项完成；
3.提高部分：
完成1和2中功能或其它自选功能。
本小组选择的题目
室内环境参数测量及安防报警电路设计：
我们选择的是分别是光照度测量和红外报警系统的设计与实现。
一．红外报警系统的设计与实现
一、课设背景：
由于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。
报警器这时正为人们解决了不少问题.但是市场上的报警器大部分都是用于一些大公司财政机构。
价格高昂,一般人们难以接受。
如果再设计和生产一种价廉、性能灵敏可靠的防盗报警器，必将在防盗和保证财产安全方面发挥更加有效的作用。
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，此外，在电子防盗、人体探测等领域中，被动式热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。
红外报警器大多数采用国外的先进技术,其功能也非常先进。
其中包括被动式热释电型红外报警器,也即是本文将研究的产品。
还有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,红外线声先报警器……
其外，可用红外报警器原理，控制各种电器的运行……
目前,一些银行、商场和宾馆都安装了防盗监视录像式自动报警系统。
这些系统工作起来有效,可靠,但成本高,不隐蔽,且在普通家庭及办公室使用不易普及。
热释电红外传感器工作原理是利用晶体热释电效应,检测人体特定波长的红外辐射,它能广泛应用于防盗报警。
二、系统设计方案
1、结构框图：
蜂鸣器
放大电路
调节电路
双元热释电红外传感器RE200B
人体红外线
2、系统原理与原理图：
图1红外线报警器原理图
3、系统的功能
当有人闯进来时，热释电红外传感器RE200B接收到红外线，输出为低电平；当无人闯进来时，热释电红外传感器RE200B接收不到红外线，输出为高电平。
热释电红外传感器输出的信号，经运算放大器LM741进行放大处理，将输出的信号经过比较器LM339与已测定的有人进入时的电压比较，若是输出的电压高于参考电压则输出高电平；反之输出低电平。
将该电信号再次经过非门，对信号取反。
最终得到当有人闯入时输出为高电平，蜂鸣器发出蜂鸣声而报警；无人闯入时输出为高低电平，蜂鸣器不发出蜂鸣声报警。
三、传感器选择：
热释电红外传感器RE200B
RE200B是传感器的一种，RE200B采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，并配合双灵敏元互补方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。
热释电红外传感器通常采用3引脚金属封装，各引脚分别为电源供电端（内部开关管D极，DRAIN）、信号输出端（内部开关管S极，SOURCE）、接地端（GROUND）。
常见的热释电红外传感器外形如图2所示：
图2RE200B外形及其引脚功能
选择的原因：
热释电红外传感器RE200B稳定好，能实现我们小组选题的中要求的功能，并且价格便宜，性价比高。
工作原理：
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，该传感器在工艺上将两个特征一致的热电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１０４ＭΩ，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。
图2是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。
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０．２～２０μｍ。
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、阳光和其它红外辐射拒之门外。
参数
灵敏元面积2.0×1.0mm2
基片材料硅
基片厚度0.5mm
工作波长7-14μm
平均透过率>75%
输出信号>2.5V（420°k黑体1Hz调制频率0.3-3.0Hz带宽72.5db增益） 噪声<200mV（mVp-p）（25℃）
平衡度<20%
工作电压2.2-15V
工作电流8.5-24μA（VD=10V,Rs=47kΩ,25℃）
源极电压0.4-1.1V（VD=10V,Rs=47kΩ,25℃）
工作温度-20℃-+70℃
保存温度-35℃-+80℃
视场139°×126°
四、单元电路设计
红外线采集接收电路
由热释电红外传感器RE200B来完成。
当有人闯入时RE200B输出为低电平，当无人闯进时输出为高电平。
红外线采集接收电路电路图
图3红外线采集接收电路
信号的放大处理电路
由运算放大器LM741，将信号放大处理。
信号的放大处理电路电路图
图4信号的放大处理电路电路图
信号的比较电路
由运算放大器LM339，将信号比较处理。
当输入电压低于参考电压1.8V是输出-5V；当输入电压高于参考电压1.8V是输出5V。
信号的比较电路电路图
图4信号的比较电路电路图
信号的取反电路
由与非门74LS00芯片，将信号进行取反处理。
当输入电压为低电压时，经过该电路取反，得到高电平输出；当输入电压为高电压时，经过该电路取反，得到低电平输出。
信号的取反电路电路图
图4信号的比较电路和蜂鸣器电路图
蜂鸣器报警电路
由蜂鸣器发出蜂鸣声报警。
当输入电压为高电压时，蜂鸣器报警；当输入电压为低电压时，蜂鸣器不报警。
五、元器件选择
LM741
LM741（单运放）是高增益运算放大器，用于军事，工业和商业应用.这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。
这些类型还具有广泛的共同模式，差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位。
10kΩ电位器是用于抵消调零类型CA741C，CA741（见图5）类型CA1458，CA1558没有具体的终端抵消调零。
每一类运放包括一个差分输入放大器有效驱动增益和发射极跟随互补输出。
技术数据类型与相应的台湾CA品牌同类型。
LM741的管脚图：
图5LM741的管脚图
LM741的内部结构图：
图5LM741的内部结构图
LM339
LM339是四电压比较器集成电路。
该电路的特点如下：
工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：
2～36V，双电源：
±1～±18V；
消耗电流小，Icc=1.3mA；
输入失调电压小，VIO=±2mV；
共模输入电压范围宽，Vic=0～Vcc-1.5V；
输出与TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容；
输出可以用开路集电极连接“或”门；
采用双列直插14脚塑料封装（DIP14）和微形的双列14脚塑料封装（SOP14）。
LM339的管脚图
图5LM741的管脚图
LM339的内部结构图
图6LM741的内部结构图
LM339是高增益,宽频带器件,象大多数比较器一样,如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合,则很容易产生振荡.这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时,输出电压过渡的间隙.电源加旁路滤波并不能解决这个问题,标准PC板的设计对减小输入—输出寄生电容耦合是有助的.减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号,而且增加甚至很小的正反馈量（滞回1.0~10mV）能导致快速转换,使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡.除非利用滞后,否则直接插入IC并在引脚上加上电阻将引起输入—输出在很短的转换周期内振荡,如果输入信号是脉冲波形,并且上升和下降时间相当快,则滞回将不需要.比较器的所有没有用的引脚必须接地.
LM339偏置网络确立了其静态电流与电源电压范围2.0~30V无关.通常电源不需要加旁路电容。
差分输入电压可以大于Vcc并不损坏器件.保护部分必须能阻止输入电压向负端超过-0.3V.
LM339的输出部分是集电极开路,发射极接地的NPN输出晶体管,可以用多集电极输出提供或功能.输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上,不受Vcc端电压值的限制.此输出能作为一个简单的对地SPS开路（当不用负载电阻没被运用）,输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的β值所限制.当达到极限电流（16mA）时,输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升.输出饱和电压被输出晶体管大约60ohm的γSAT限制。
当负载电流很小时,输出晶体管的低失调电压（约1.0mV）允许输出箝位在零电平。
HD74LS00P与非门芯片
我们用74LS00与非门芯片，来做非门用。
74LS00管脚图
图774LS00管脚图
六、电路接线图
七、调试过程：
1、RE200B热释电红外传感器，一开始检测出其输出电压为负值，当人体靠近是其电压增大但仍为负值。
于是采用反向比例运算仿真成功后接电路，却发现气输出电压为正，人触摸时电压减小，经多次测量确认后重新设计为同相比例电路。
2、HD74LS00P与门芯片接入时产生的问题。
一开始仿真时也是不能实现实现非门的功能，经反复检查后发现是芯片坏了，于是重新换了一个芯片。
3、一开始用的红外二极管模仿人体散发的红外线，但是由于其发射出的光线，肉眼看不出来无法判别，以至于烧坏也不知道，后来请教老师，最后检测电流来解决了问题。
4、红外接收器也遇到了同红外二极管相似的问题。
5、没有“热释电人体红外传感器”怎么办？
“热释电人体红外传感器”是一种新产品，电子仿真软件MultiSIM的元件库中没有。
我们知道“热释电人体红外传感器”是一种能接收人体发出的微弱红外线，然后将它转换成微弱电信号的一种器件。
在我们知道了它的工作机理的基础上，很简单，我们可以用一个开关来代替它。
将开关和电源连在一起，开关打开时表示电路没有接收到信号；开关闭合一下随即打开，表示电路已接收到人体走动的红外线信号，并已转换成电信号被接收，电路会动作，或控制的节能灯亮了，或控制的继电器闭合了等。
开关J1闭合一下随即打开，看红色指示灯是否会亮一段时间，然后自动熄灭。
八、结果（数据、图表等）
无人靠近时的电路及其RE200B热释电红外传感器输出的电压：
无人靠近时的电路经运算放大器LM7421运算之后的输出的电压：
有人靠近时的电路
有人靠近时的电路的RE200B热释电红外传感器输出的电压：
（0.031--0.112）V
有人靠近时的电路经运算放大器LM7421运算之后的输出的电压：
（0.372--1.67）V
二．光照度测量
一、课设背景
在现代农业和工业领域，一些环境因素会影响我们的设备和系统的正常运行，而光照度作为一个重要的的参数起着举足轻重的作用，随着时代的变化，对光照度的准确监测要求也越来越高。
光照度作为一个重要的环境参数，因此对环境中的光照度进行实时的数据收集、无线传输与显示就显得格外的有意义和市场开发价值。
在日常生活中，液晶显示屏、荧光灯、闪光灯、射灯、投影仪等光源中都含有蓝光，尽管这些光没有雪地反射光、日食、电焊弧光等光照强烈，但如果光的强度、频率达到极限，且照射时间较长，超出人眼视网膜的承受范围，也会对视力造成损害。
“如果儿童长时间地注视电脑等物体，容易引起视觉疲劳，而且正常眨眼频度会明显下降，这就使得眼睛表面得不到泪水的正常滋润。
因此当我们看到题目时，就决定了做一些跟我们生活密切相关的，于是我们选择了室内光照度的测量这个题目。
二、系统设计方案
发光报警
比较电路
0-2V电压输出
数字表头显示
1、结构框图I/V转换放大输出
光电转换
Led发光二极管
2、系统的功能
Led发光二极管发出的光被光敏三极管接收转换成电信号，经运算放大器LM742反向运算放大和I/V转换放大，输出0-2V电压信号。
经数字表头显示当前的室内光照度示数。
经过比较器LM339与已设定的报警上限对应的电压值比较，若大于该值则进行发光报警。
3、系统原理与原理图
三、单元电路设计
1.Led发光和光电转换电路
2.I/V转换放大输出电路以及数字表头显示电路
3.比较电路及其发光报警电路
四、电路接线图
五、调试过程：
1、首先调制发光二极管使得光敏三极管的E级输出电压为几时毫伏至300mV，对应标准照度计，调节滑动变阻器，改变二极管的发光强度，记录下2次的光敏三极管E级输出和2次照度计的光照度值。
2、调节第一级运算放大器的Rf，使得输出值在0—2V范围内（尽量在发光二极管的光照度最大时对应运算放大器的输出为2V），用标准照度计记录此时的光照度X1，同时记录运算放大器的输出值U1（调整为2V）。
3、调节发光二极管旁边的滑动变阻器，减少光照度到某一数值，用标准照度计记录此时的光照度X2，记录此时运算放大器的输出值U2.
4、设光照度为x轴，电压为y轴，将U1，U2，X1，X2对应算出直线方程y=kx+b，算出斜率K和截距B。
5、第一级运算放大器做反向比例运算，第二级运算放大器做反向比例和减法运算。
调节R1的值，调节放大倍数以此来调节斜率K，减法运算来调节截距B，使得光照度-电压特性直线过零点。
第二级运算放大器的输出接数字电压表显示输出。
6、第二级运算放大器的输出接比较器，之后接一个发光二极管作为警报指示灯，第二级运算放大器的输出电压达到某参考电压后指示灯发光，表示光强过大。
六、结果（数据、图表等）
电路连接图其正常工作状态
数字表头显示及其报警状态
七、总结
测控电路作为我们的主要专业课之一，在这次课程设计中我发现自己在一点一滴的努力中对电路设计的兴趣也在逐渐增加。
这次测控电路课程设计我们历时三个星期,对我来说学到的不仅是那些知识，更多的是团队和合作。
现在想来，也许学校安排的课程设计有着它更深层的意义吧，它不仅仅让我们综合那些理论知识来运用到设计和创新，还让我们知道了一个团队凝聚在一起时所能发挥出的巨大潜能!
作为一名测控技术与仪器专业的大三学生，我觉得做测控电路课程设计是十分有意义的，而且是十分必要的。
在已度过的大学时间里，我们大多数接触的是专业课。
我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识，如何去锻炼我们的实践能力？
如何把我们所学的专业基础课理论知识运用到实践中去呢？
我想做类似的课程设计就为我们提供了良好的实践平台。
在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计数据了。
为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的设计数据是十分必要的，同时也是必不可少的。
其次，在这次课程设计中，我们运用到了以前所学的专业课知识，如：
multisim仿真软件。
虽然过去从未独立应用过它们，但在学习的过程中带着问题去学我发现效率很高，这是我做这次课程设计的又一收获。
我觉得课程设计反映的是一个从理论到实际应用的过程，但是更远一点可以联系到以后毕业之后从学校转到踏上社会的一个过程。
小组人员的配合﹑相处，以及自身的动脑和努力，都是以后工作中需要的。
三周的课程设计很快的就过去了，虽然当初拿到课程设计题目的时候有些无从下手。
但是在我门不断地去翻看数电书，去图书馆、互联网查找相关资料，不仅是查找资料，也是讲自己忘记的，没有掌握的重新学习一遍，努力地想把课程设计做好，其中遇到了很多难题，比如电路的连接，以及选择怎样的器件才能将电压显示出来，最难的难题还是在参数的选择计算。
在连接电路图的时候用了multisim软件进行绘图，但有些器件还是无法找到，幸亏之前学了一些相关的知识，不管有什么困难尽量克服。
三周的时间很快就过去了，在这期间发现了自己对分体分析不够严谨，以及以前的学习部够认真，对知识模棱两可，这次课程设计培养了我的耐心，以及学习的热情，改掉了很多不好的毛病，其中就包括拖延症，总是把事情拖到最后，让我们重新认识自己，发现自己的不足，以后会更加努力学习自己的专业知识。
感谢刘国忠，吴思进老师老师给我们的帮助，让我们能顺利地完成课设。
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