模拟电子课程设计.docx
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模拟电子课程设计
模拟电子课程设计
实训指导书
闽南理工学院电子与电气工程系
2009年12月16日
理解红外线防盗系统的设计意义、设计思路、设计电路的原理框图以及系统的主要特点。
1.系统问题的提出以及系统设计的意义
根据中华人民共和国国家标准，传感器是指，能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
红外线信号由于其隐蔽性好，工作性能稳定等特点，使得他具有什么广泛的运用。
在工农业、消防、银行、酒店、商场、航天等部门，经常需要对环境进行监控和报警，以防止失窃的行为发生，而银行，酒店等，防盗报警更是至关重要的。
在以往的防盗系统中普遍采用热释电、微波等技术措施采集人体入侵信号，这些在室内应用时，有较好的效果，然而在许多场合如围墙及院子等地方，要进行布防，以上所提的措施在实际运用中误报率极高，更进一步讲，根本无法正常工作。
我们知道，在常规的环境参数中，人体入侵探测器非常容易受环境的影响而使得参数改变，随着红外线及激光技术的成熟，许多运用于室外场合的红外线防盗和激光防盗开始诞生，由于光线是直线传输，在发射端发射光束，中间如无遮挡，则接收端就能收到正常的光束；当有人经过布防区域时，光束被挡住，此时接收端便无法接收到光束，从而启动报警电路工作，达到报警的目的。
本设计利用多谐振荡电路作为红外线发射器的驱动电路，驱动红外发射管，向布防区内发射红外线，接收端利用专用的红外线接收器件对发射的红外线信号进行接收，经放大电路进行信号放大及整形后驱动数字门电路，输出报警信号，又经报警信号锁定电路，将报警信号进行锁定，即使现场的入侵人员走开，报警电路也将一直报警，直到人为解除后方能取消报警，这些设计与实际运用中的要求相符，是一款价格低而实用性强的产品。
2.设计思路与原理方框图
设计一款防盗报警器最主要的是如何有效地检测到人体信号，同时通过电路的处理，如何保证系统的稳定性和保证较低的误报率将是我们所要研究和解决的问题。
而整个系统的稳定性很大程度上取决于人体信号检测传感器的稳定性，至于后续的信号处理基本一致，根据实际使用中的一些具体情况，经精心的设计，列出如下方案供选择：
3.设计方案比较
设计方案基于红外线对射型传感器的有线防盗报警器
4.系统的硬件设计
为使红外防报警系统能够具有更好的实用性，并且具有更高的性能，我们对该系统的硬件进行精心的设计。
该系统的硬件设计采用了模块化的设计方法。
按实现的功能来分，可分为以下几个系统部分。
其中有红外发射管与红外接收管构成的红外发射接收系统,红外发射与接收处理系统,控制输出音频系统等。
主要的系统电路有：
电源电路,红外发射/接收电路，发射与接收控制电路，报警输出电路等。
语音片采用的是音乐片，用来触发报警系统中的声音。
附图1就是红外线对射报警器系统总电路图。
下面对各个模块的电路进行详细的设计和分析。
1）红外防盗报警系统的电源电路的设计与分析
在了解红外防盗报警器电源设计之前，我们先对整流，滤波与稳压电路的工作原理及其一些基本的参数进行分析，之后来分析电源电路的有关内容。
再根据其性质着重对其电源电路进行分析。
（1）整流电路的工作原理及其参数分析
整流是把交流电变换成直流电的过程，它的基本原理是利用了晶体二极管的单向
导电特性。
（2）滤波电路的工作原理及其参数分析
虽然整流电路的输出电压包含一定的直流成分，但脉动较大，须经过滤波才能得到较平滑的直流电压。
（3）．直流稳压电源的主要技术指标
稳压电源的输出电压UO（或电压可调范围UOmin~UOmax）和最大输出电流IOmax是它的特性指标，这两个指标决定了该电源的适用范围，同时也决定了稳压器的特性指标以及如何选择变压器、整流管和滤波电容。
而输出电阻、纹波电压、温度系数是稳压电源的质量指标，它们决定了稳压器的稳压系数、输出阻抗、温度系数和滤波电容的选择。
（4）直流稳压电源主要技术指标的测试方法
（1）输出电压可调范围的测量
按图2.5所示接线。
输入端接220V交流电压，输出端接万用表或数字万用表，调节电路中RW的大小，使其值为最大和最小，测出对应的输出电压UOmin和UOmax。
则该稳压电源输出电压的可调范围为UOmin~UOmax。
图2.5Uo可调范围的测量图
（2）最大输出电流的测量
按图2.5接线。
稳压电源的输入端接220V的交流电压，将稳压电源的输出电压调到10V,然后在稳压电源的输出端接滑线变阻器RWL，如图2.6所示。
RWL的值应调到1kΩ以上。
用万用表或数字万用表测出对应的UO。
然后逐渐减小RWL的值，直到UO的值下降5%，此时流经负载RWL的电流就是IOmax。
记下IOmax后应迅速增大RWL的值，以减小稳压电源的功耗。
图2.6最大输出电流的测量框图
（3）纹波因数的测量
用晶体管毫伏表测量电源输出端的交流电压分量的有效值，用万用表（或数字万用表）的直流档测量电源输出端的直流电压分量，按式（5）就可算出电源的纹波因数。
（4）输出电阻RO的测量
按图2.7接线。
在不接负载电阻RL时测得开路电压UO1，这时IO1＝0，接上负载电阻RL时，测得UO2和IO2，则
（11）
图2.7 输出电阻测量框图
（5）电压调整率
电源不接负载，输入交流电压220V，将电源的输出电压调至一定值UO1，然后再把输入的交流电压调为240V或180V时，测出电源的输出电压UO2，则
（12）
（6）稳压系数Ｓ
可由电压调整率计算而得。
（5）系统外围稳压电源电路的设计与分析
图2.8稳压电源原理图
因为系统是由集成块IC直接控制处理，其稳定的电压是十分重要的，所以我们专门精心设计了一个稳压电源,如图2.8所示，使步进电机能在各种特殊的环境都能正常工作。
为了改善波纹特性,在稳压电源的输入端加接电容C10;在其输出端加接电容C1,C2,目的是为了改善负载的瞬态响应、防止自激振荡和减少高频噪声.电路中加入一个发光二极管是为了对输出的电压进行稳压保护,用于电压小于额定电压或对地短路的时候的保护。
三脚稳压块选择：
该装置中的稳压块选用LM7805集成稳压块。
LM7805系列集成稳压块主要技术参数：
输入电压：
DC5V～35V
最大输出电流：
1.5A
LM7805系列稳压块封装如图2.9所示：
1脚为输入端
2脚为公共端
3脚为输出端
注意事项：
引脚不能接错，公共端不能悬空；
为防止过热应安装散热片；图2.9LM7805引脚功能
（在安装时,由于用力过猛,把引脚给压断过，因此在后面的安装过程中，我们特别小心）。
印制板上的滤波电容应直接与引脚相连。
这样设计出来的电源具有实用性强，性能稳定等特点。
2）红外线发射与接收电路的设计与分析
在电子防盗、人体探测器领域中，红外线的发射与接收的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。
（1）红外线发射电路的设计
图2.13红外发射电路
VT7、VT8、R13—R16、C8和C9组成多谐振荡器。
系统上电后，VT7或VT8两都必有一管进入导通状态，若VT7先进入导通状态，电流经R14、C8和VT7向C8充电，开始时，C8两端电压为0，因此VT8的基极电压也为0，VT8截止；当C8上的电量越充越多时，VT8的基极电压开始上升，其集电极电流不断增大，这个电流的增大，使VT8的集电极电压不断下降，同时通过C9将影响到VT7的基极电压，VT7基极电流的减小，又反过来使VT8的基极电流进一步增大，这个正反馈的过程非常快，马上VT8进入导通状态，由于VT8的导通，经C9耦合，使VT7迅速截止，接下来的过程同VT7导通时的过程一样，如此反复，多谐振荡器得以工作。
这个振荡信号经R17，经VT6放大后，驱动红外发射管发射红外信号。
（2）红外线接收电路的设计与分析
由于该系统是利用红外发射管通过发射的接收来工作的.所以应该配较高的性能的红外线接收电路。
红外发射电路发送的红外线信号被D3接收后，送入VT2基极，进行入放大，经放大后的红外线信号，经C5耦合后，送入VT1进行再次放大，经两级放大后，接收到的红外线信号已足够强，经C4耦后送入由D1、D2组成的倍压整流电路进行整流，C7滤波后形成一个直流控制电压，这个直流控制电压信号足够强，大于CW1的稳压电压，因此CW1击穿，电流流经VT5的基极，VT5饱和导通，集电极输出低电平信号；当发射过来的红外线信号被人挡住时，D3将无法接收到红外线信号，倍压整流电路无信号输出，原充在C7两端的电荷经R12进行放电，此时CW1阻断，电流极小，VT5截止，其集电极输出高电平，这个高电平信号送入后续逻辑处理电路，就可以判断为有人进入，从而作出相应的操作。
3）红外防盗报警系统的控制电路的设计
系统的控制电路主要是通过4个与非门构成的CD4011以及NE555定时器共同完成的,把输出信号通过报警电路发出报警声音。
（1）集成电路4011的引脚及其功能特点
4011集成电路是由4个与非门所构成组合成的一个逻辑组合集成电路，它在电路的转换上有着重要的作用。
以下就是4011的引脚图及其内部功能图2.15
图2.154011的引脚与内部结构图
（2）红外报警系统的控制部分的总体设计
上电时，正电源经C3、R1向C3充电，由于C3两端刚上电时电压为0，因此电源电压全部加在R1上，CD4011的13脚获得一个高电平信号，而在红外线发射与接收器间没有人挡住时，CD4011的8、9脚为低电平信号输入，因此CD4011的12脚也为高电平，与非门的两个输入口全为高电平时，其11脚输出为低电平，经R6耦合，送入1、2脚，经反相后在3脚输出高电平信号，这个高电平信号一方面经R7，使报警电路不工作，另一方面经R8，使13脚保持高电平，系统处于稳定状态。
当红外线信号被挡住时，8、9脚输入一个高电平信号，反相后10脚变为低电平信号输出，由于12脚与10脚相连，因此11脚马上输出为高电平，送入1脚后，使3脚输出为低电平，这个低电平一路经R7，开启报警电路，另一方面经R8，使13脚为低电平，13为低电平后，报警信号就被锁定，这时即使接收电路又收到了红外线信号，12脚变为高电平，由于13脚已为低电平，所以也无法关断报警，直到人为按下复位键后，将13脚强拉为高电平，这样就可以关断报警，重新进入布防守候状态。
4）报警电路的设计
（1）音乐集成电路介绍
语音声集成电路是指能发出中文或外文语句的语音器件，这种器件内的“语言存贮器”容量一般不大，只能发出简单的语句，如“欢迎光临”，“恭喜发财”，“祝你生日快乐”，“早晨好，快起床”，“高压危险，请勿靠近”，“倒车请注意”，“抓贼呀”等等，而音乐集成电路内部存贮的是音乐信号，有各种中外歌曲，有模拟各种动物的叫声，有各种汽车的声音等等，虽然语句和音乐不复杂，但具有价格低廉、使用方便及电路简单的特点，所以被广泛地运用于各个领域。
该类集成电路大都采用黑胶加印制板的软封装结构形式，其接线方式大都可归纳如下：
（特殊除外）
正电源、触发端、信号端和地。
有的还需要接入振荡电阻，而这个电阻一般都直接焊在音乐集成电路的线路板上，对于该类电路的应用设计只需要为她提供电源（一般为3V左右），就可以在信号端输出所需要的音乐信号了。
最基本的应用电路为：
对于有触发端的电路设计一般有两种启动方式：
1、通过电子开关控制音乐集成电路的供电，从而控制音乐集成电路是否工作。
这种方式的电路设计，必须把触发端直接和正电源端相接，这样只要一向音乐集成电路供电，其触发端便得到一个触发信号，启动电路工作，这种方式只要一直保证向音乐集成电路供电，她便会反复地演凑；
2、向触发端送入触发信号。
这种方式的电路设计要求让音乐集成电路始终接入电源，而通过外电路向其送入触发信号，从而启动电路工作。
这种方式每触发一次完成后便停止工作，当要求其连续工作时，必须在一个循环结束时，向其触发端送入触发信号才能进入下一个循环周期。
（2）报警电路的设计
我们在设计这部分电路时，将音乐集成电路设计成通过电子开关控制音乐集成电路的供电，从而控制音乐集成电路是否工作的这种方式。
当检测到有人进入布防区域后，逻辑控制单元输出低电平信号，经R7使VT3饱和导通，经R21、CW2提供一个3.6V的电压，作为语音电路的工作电源，语音电路工作后，从B脚输出音频信号，经R2送入VT4进行功率放大，放大后驱动喇叭发出110警车的报警声。
5）元件安装焊接及系统调试
（1）元件安装的基本要求与原则
制造电子产品，可靠性与安全是二个重要因素,而零件的安装对于保证产品的安全可靠是至关重要的。
任何疏忽都可能造成整机工作失常，甚至导致更为严重的后果。
元件安装时我们要保证导通与绝缘的电器性能、保证机械强度、抱着那个传热的要求和安装时接地与屏蔽要充分利用。
为达到产品的可靠与安全，安装时应遵循一些基本的要求与原则。
⑴元件安装的基本要求
①保证导通与绝缘的电气特性，电气连接的通与断是安装的核心这里所说的通与断，不仅是安装后简单的使用万用表测试的结果，而且要考虑在振动，长期工作，湿度等自然条件变化的环境中，都能保证通者恒通，断者恒断。
②保证机械强度，电子产品在使用过程中，不可避免的需要运输和搬动，会发生各种有意或无意达到振动，冲击，如果机械安装不够牢固，电气连接不够可靠，都有可能因为加速度的瞬间受力使装置受到损害。
③保证传热的要求，在安装中，必须考虑某些零部件在传热，电磁方面的要求。
④安装时接地与屏蔽要充分利用，接地与屏蔽一是消除外办对产品的电磁干扰，
二是消除产品对外办的电碰干扰，三是减少产品内部的相互电磁干扰。
⑵安装元件时应注意以下原则：
①为避免因元器件发热而减弱铜箔对基板的附着力，并防止元器件的裸露部分同印制导线短路，安装时元器件应离开面板约1～2mm。
②装配时，应该先安装那些需要机械固定元器件，在此装置中如稳压管、中心芯片插座。
③各种元器件的安装,应该使它们的标记（用色码或字符标注的数值,精度等）朝上面或易于是辨认的方向,并注意标记的读书方向一致（从左到右或从上到下）。
④在安装元件时应与焊接同步进行操作。
（2）焊接注意的基本事项
在电子制作过程中，焊接工作是必不可少的。
它不但要求将元件固定在电路板上，而且要求焊点必须牢固、圆滑，所以焊接技术的好坏直接影响到电子制作的成功与否，因此焊接技术是每一个电子制作爱好者必须掌握的基本功，焊接时的要点和注意事项有下面几点：
1．电烙铁的选择：
电烙铁的功率应由焊接点的大小决定，焊点的面积大，焊点的散热速度也快，所以选用的电烙铁功率也应该大些。
一般电烙铁的功率有20W、25W、30W、35W、50W等等。
在制作过程中选用30W左右的功率比较合适。
电烙铁经过长时间使用后，烙铁头部会生成一层氧化物，这时它就不容易吃锡，这时可以用锉刀锉掉氧化层，将烙铁通电后等烙铁头部微热时插入松香，涂上焊锡即可继续使用，新买来的电烙铁也必须先上锡然后才能使用。
2．焊锡和助焊剂：
选用低熔点的焊锡丝和没有腐蚀性的助焊剂，比如松香，不宜采用工业焊锡和有腐蚀性的酸性焊油，最好采用含有松香的焊锡丝，使用起来非常方便。
3．焊接方法：
元件必须清洁和镀锡，电子元件保存在空气中，由于氧化的作用，元件引脚上附有一层氧化膜，同时还有其它污垢，焊接前可用小刀刮掉氧化膜，并且立即涂上一层焊锡（俗称搪锡），然后再进行焊接。
经过上述处理后元件容易焊牢，不容易出现虚焊现象。
焊接时应掌握焊接的温度和焊接的时间，使电烙铁的温度高于焊锡的温度，但也不能太高，以烙铁头接触松香刚刚冒烟为好。
焊接时间太短，焊点的温度过低，焊点融化不充分，焊点粗糙容易造成虚焊，反之焊接时间过长，焊锡容易流淌，并且容易使元件过热损坏元件。
同样地，要掌握焊接点的上锡数量，焊接点上的焊锡数量不能太少，太少了焊接不牢，机械强度也太差。
而太多容易造成外观一大堆而内部未接通。
焊锡应该刚好将焊接点上的元件引脚全部浸没，轮廓隐约可见为好。
最后，要注意烙铁和焊接点的位置，有些人在焊接时，一般将电烙铁在焊接处来回移动或者用力挤压，这种方法是错误的。
正确的方法是用电烙铁的搪锡面去接触焊接点，这样传热面积大，焊接速度快。
4．焊接后的检查：
焊接结束后必须检查有无漏焊、虚焊以及由于焊锡流淌造成的元件短路。
虚焊较难发现，可用镊子夹住元件引脚轻轻拉动，如发现摇动应立即补焊。
对于不同的器件，焊接时的具体操作一般不同。
焊接一般元件时，将插好元件的印制板焊接面朝上，左手拿焊锡丝，右手持电烙铁，把烙铁头贴着元件的引线加热，使焊锡丝在高温下熔化，沿着引线下流动，直至充满焊孔并覆盖引线周围的金属部分。
然后撤去焊锡丝，并沿着引线向上提拉烙铁头，形成像水滴一样光亮的焊点。
焊接速度要快，一般不超过3s，以免损坏元件；焊接晶体管等器件时，可用镊子或尖嘴钳夹住管脚进行焊接，因镊子和钳子具有散热作用，可以保护器件；焊接集成电路时。
双列直插式集成电路块的管脚之间距离只有25mil，焊点过大，会造成相邻管脚短路。
应采用尖头电烙铁，快速焊接。
电烙铁温度不能太高，焊接时间不能太长，否则，会烧坏集成块并使印制板上的导电铜箔脱离，所以焊接时一定要特别细心。
（3）系统调试与分析
在对该部分电路进行实行调试时，VCC应输出5V直流稳定的电压，接通电源后电源指示灯亮，正常发光，在开始时系统自动通过复位电容实现开机瞬时自动复位，不需要人进行干扰。
更能体现系统的自动性。
1）首先对电源部分进行调试。
先将整流、滤波部分元件焊上，然后接上电源变压器，用交流档测变压器输出电压为12.7V，再用直流档测整流滤波后的电压为直流12V左右，正常，接上三端稳压后再测其输出电压，为稳定的5.04V，这些数据说明电源部全全部工作正常；
2）发射部分的调试。
接通发射部分的电源，用万用表测量VT7脚的基极电压，为-0.4V，这说明电路已起振，工作正常。
3）红外接收部分的调试。
将红外发射部分与接收部分对齐，测量CD4011的8脚电压，为0.4V，然后用手挡住红外线，这时电压变为4.8V，这说明红外部分电路工作正常。
4）报警电路的调试。
用一导线将VT3的发射极与集电极短接，这时听到了响亮的110警车报警声。
5）组装与报警输出使用。
附录1系统整体元件安装图
附录2元件清单
序号
元件名称
型号与规格
单位
数量
1
电阻
100/1W
只
1
560
只
2
1K
只
2
2．2K
只
1
3．9K
只
1
10K
只
4
100K
只
6
200K
只
1
1M
只
1
1．2M
只
3
2M
只
1
2
三极管
9012
只
2
9013
只
6
3
二极管
1N4004
只
5
1N4148
只
3
发光二极管LEDФ5
只
1
稳压二极管
3．6V
只
1
4
红外对管
普通
对
1
5
变压器
8V/3W
只
1
6
电容
100uf
只
1
10uf
只
2
220uf
只
2
103
只
4
104
只
2
7
按钮开关
普通
只
1
8
芯片
CD4011
个
1
7805
个
1
9
音乐片
9561
片
1
10
扬声器
8欧姆/0.5W
只
1
升级会员 