人體接近檢測(cè)與報(bào)警電路.

1、中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)：學(xué) 院: 信息與通信工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè)：題 目：人體接近檢測(cè)與報(bào)警電路扌旨導(dǎo)教師：職稱(chēng)： 講師2013 年 1 月 18 日中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)12/13 學(xué)年第一 學(xué)期學(xué)院：信息與通信工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：題目:人體接近檢測(cè)與報(bào)警電路起迄日期：2013年1月7日2013年1月18日課程設(shè)計(jì)地點(diǎn)：指導(dǎo)教師：系 主任：下達(dá)任務(wù)書(shū)日期：2013 年1月7日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)1. 設(shè)計(jì)目的：通過(guò)本課程設(shè)計(jì)，主要訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)過(guò)的電路、低頻、數(shù)字、高頻 等課程的相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)實(shí)用的電子電路方面的實(shí)際電路，包括：查閱資料、合理性的

2、設(shè)計(jì)、分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，電路設(shè)計(jì)工具 PROTEL的學(xué)習(xí)與應(yīng)用，應(yīng)用計(jì)算機(jī) 的能力，用簡(jiǎn)潔的文字，清晰的圖表來(lái)表達(dá)自己設(shè)計(jì)思想的能力。2. 設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求(包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計(jì)要求等)：(1) 學(xué)習(xí)和練習(xí)電路設(shè)計(jì)PROTEL軟件，(2) 電路可把距離/電容量轉(zhuǎn)變?yōu)槌杀壤碾妷狠敵?，利用這一思想設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)包括 雙比較器，XOR門(mén)，LED發(fā)光管等，(3) 當(dāng)電壓超過(guò)2.5伏時(shí)可以設(shè)為報(bào)警電壓，也可以自己調(diào)節(jié)。3. 設(shè)計(jì)工作任務(wù)及工作量的要求包括課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)(論文)、圖紙、實(shí)物樣品等：(1) 畫(huà)出電路圖，并進(jìn)行原理圖的詳細(xì)敘述，(2) 盡量給出元器件的型號(hào)和數(shù)值，(3)

3、 盡量畫(huà)出PCB圖，(4) 寫(xiě)出符合格式要求的設(shè)計(jì)報(bào)告。課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)4. 主要參考文獻(xiàn)：1韓焱，張艷花，王康誼數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)北京：電子工業(yè)出版社20052王黎明，畢滿清，高文華.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)北京：電子工業(yè)出版社20053趙輝.Protel99電子線路CAD北京：北京郵電大學(xué)出版社20084黃繼昌，張海貴，徐巧魚(yú).數(shù)字集成電路應(yīng)用北京：中國(guó)電力出版社20085. 設(shè)計(jì)成果形式及要求：設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)及相關(guān)電路圖6. 工作計(jì)劃及進(jìn)度:2013年1月7日 1月9日1月10日 1月11日1月11日 1月12日1月12日 1月17日1月18日答辯。了解設(shè)計(jì)題目及熟悉資料； 確定各題目要求計(jì)算相關(guān)參數(shù);

4、結(jié)合各題目確定具體設(shè)計(jì)方案；結(jié)合要求具體設(shè)計(jì)并仿真、整理報(bào)告;系主任審查意見(jiàn):簽字：摘要在當(dāng)今社會(huì)，安全越來(lái)越成為人們關(guān)心的問(wèn)題，雖然人們的安全意識(shí)增強(qiáng)了， 但是入室盜，倉(cāng)庫(kù)被盜等人們不經(jīng)?；顒?dòng)但存放重要物品的場(chǎng)所被盜的問(wèn)題卻屢 禁不止。針對(duì)這一問(wèn)題我們可以設(shè)計(jì)一種人體接近自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)有不速之客靠近其感應(yīng)區(qū)時(shí)，它會(huì)自動(dòng)報(bào)警提醒它的主人，從而達(dá)到人體接近報(bào)警的目的。本次課程設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)的人體接近檢測(cè)與報(bào)警電路是一種當(dāng)人體接近檢測(cè) 電路時(shí)，該電路會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作出相應(yīng)的動(dòng)作（如信號(hào)指示燈發(fā)光、報(bào)警裝置報(bào)警等），該電路與電子狗等遠(yuǎn)距離接受人體發(fā)送的紅外線 產(chǎn)生報(bào)警的電路不同，屬

5、近距離感應(yīng)，感應(yīng)的范圍小于1m甚至低得多（可調(diào)），使用效果很好，由于采用了集成運(yùn)放 MAX407靈敏度理想?，F(xiàn)在有多種不同的 接近檢測(cè)方法，如電容感測(cè)、紅外、超聲波、光學(xué)等。對(duì)從 5mm到300mn范圍的 接近檢測(cè)，電容式感測(cè)技術(shù)相對(duì)其它技術(shù)而言有許多優(yōu)勢(shì)：出色的可靠性、簡(jiǎn)單 的機(jī)械設(shè)計(jì)、低功耗和低成本。我們?cè)O(shè)計(jì)的人體接近與報(bào)警電路是通過(guò)把距離/電容量轉(zhuǎn)變成比例電壓輸出，有四部分組成：標(biāo)準(zhǔn)方波發(fā)生電路，比較運(yùn)算電路，直流電壓放大電路，滯回比較器。標(biāo)準(zhǔn)方波發(fā)生電路是由反相器、1MZ晶振及阻容元件組成的1MZ振 蕩電路，它為整個(gè)電路提供時(shí)鐘脈沖；比較運(yùn)算電路利用MAX40沖的兩個(gè)集成運(yùn)放組成比較器

6、，給其中一個(gè)運(yùn)放輸入標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)作為比較對(duì)象，另一個(gè)運(yùn)放的輸入信號(hào)受人體接近程度的影響；直流電壓放大電路是通過(guò)阻容元件的負(fù)反饋 實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大作用；滯回比較器由集成運(yùn)放和晶體管構(gòu)成， 實(shí)現(xiàn)放大后的電 壓和門(mén)限電壓的比較。最后通過(guò)LED指示燈的亮暗來(lái)指示報(bào)警，若把LED換成繼 電器，當(dāng)人體接近時(shí)，繼電器動(dòng)作，可控制其他各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)各種自動(dòng) 控制功能，例如：在繼電器處加一蜂鳴器，即可實(shí)現(xiàn)蜂鳴報(bào)警，在本次設(shè)計(jì)中我 們以LED燈來(lái)指示報(bào)警。關(guān)鍵詞振蕩、比較、放大、滯回比較、報(bào)警目錄、概述1、設(shè)計(jì)目的2、設(shè)計(jì)意義二、設(shè)計(jì)內(nèi)容1、總體設(shè)計(jì)思想2、標(biāo)準(zhǔn)方波發(fā)生電路3、比較運(yùn)算電路4、直流電壓放大電

7、路 5、滯回比較電路三、結(jié)果分析1、總體電路圖2、PCB圖四、設(shè)計(jì)心得 五、參考文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)目的1 了解此自動(dòng)控制電路的構(gòu)造及原理。2熟悉此自動(dòng)控制電路所用的電子器件。3 運(yùn)用所學(xué)數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)動(dòng) 手又動(dòng)腦的能力。4掌握電子電路一般的設(shè)計(jì)方法，并學(xué)習(xí)使用 protel99、multisim 軟件進(jìn)行 電路原理圖的連接，PCB圖的繪制及相關(guān)的電路仿真應(yīng)用。5 培養(yǎng)獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力以及創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維，及將所學(xué) 知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際中去的綜合能力。設(shè)計(jì)意義通過(guò)這次人體接近與報(bào)警電路的課程設(shè)計(jì)，可以加深我們對(duì)電子電路基礎(chǔ) 知識(shí)的理解，并提高綜合利用課本所學(xué)知識(shí)

8、的能力，培養(yǎng)了我們查閱手冊(cè)、 文獻(xiàn)、圖表的自學(xué)能力，了解與本次課題有關(guān)的電子器件的工程技術(shù)規(guī)范， 能按設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求完成課程設(shè)計(jì)，繪制電路圖并修改其錯(cuò)誤。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容2.1整體設(shè)計(jì)思想圖中的集成運(yùn)放、門(mén)電路、阻容元件構(gòu)成人體接近探測(cè)器電路，其中反向器T1、1MHz晶振及阻容元件組成1MHz振蕩器，振蕩信號(hào)經(jīng)T2整形輸出方波信號(hào)。用 一塊25cm2的敷銅板構(gòu)成感應(yīng)器，當(dāng)人體靠近敷銅板時(shí)，人體相當(dāng)于另一極板， 會(huì)產(chǎn)生隨人體靠近而增大的電容， 容量為26pF。這一電容增量會(huì)使后面的IC3 輸出脈沖占空比與電容增量成比例的脈沖信號(hào)。T2輸出的方波一路經(jīng)R3輸入比較器IC1B，放大后加至異或門(mén)IC3的一

9、個(gè)輸入端；另一路先經(jīng)R1、C1延時(shí)，再 由比較器IC1A放大后加至異或門(mén)IC3的另一輸入端，從而使異或門(mén)IC3輸出的 方波信號(hào)的占空比正比于輸入電路中 R1C1的延時(shí)，再經(jīng)R6 C4濾波后產(chǎn)生與人 體接近距離成比例的直流電壓。在實(shí)際使用中，IC1比較器自身傳輸延時(shí)的微小變化可能會(huì)掩蓋電容 C1的微 小變化，因此本電路采用具有相同特性參數(shù)的雙比較器電路， 它能分辨納秒以下 的時(shí)間差，還能將自身的傳輸延時(shí)及失調(diào)電壓、 溫度漂移等的影響抵消，從而使 TP點(diǎn)輸出信號(hào)電壓僅正比于 R1、C1的延時(shí)。圖中電容C1實(shí)際包括一個(gè)33pF固定電容、25cm2感應(yīng)板對(duì)地電容和同軸電纜輸入電容三部分，在無(wú)人接近探測(cè)

10、器時(shí)，上述三種電容并聯(lián)之和約為48pF,它將 產(chǎn)生0.69R1C1=16.5ns的固定延時(shí)；當(dāng)有人靠近感應(yīng)板時(shí)，電容增至 5054pF, 它將產(chǎn)生17.318.6ns的延時(shí)，兩路方波的時(shí)間差為0.82.1 ns，對(duì)能分辨納 秒以下時(shí)間差的雙比較器而言，是能夠保證所需的轉(zhuǎn)換靈敏度的。運(yùn)放IC2A的作用是對(duì)TP點(diǎn)的直流電壓提供偏置并放大，調(diào)整電位器R11可 以設(shè)定對(duì)應(yīng)于人體接近感應(yīng)板不同距離的門(mén)限值。運(yùn)放IC2B及功率放大管Q1構(gòu)成滯回比較器，將IC2A輸出電壓放大，通過(guò)R14的正反饋可保證Q迅速可靠導(dǎo) 通，點(diǎn)亮LED若把LED換成繼電器，當(dāng)人體接近時(shí)，繼電器動(dòng)作，可控制其他 各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)

11、各種自動(dòng)控制功能。12WAX9T2IC1BX1kRTOR11100R25kIC3 74HC6030KG5C20. 1 U FT 二 R1 500300k1MHrbL ICMN 12MAX912C40. IgF 、+5TP1 丁11 R13 IkC6H1(-40 1 P FR12EC2B75ktrRlfl1N4146 Ji10kRIB TOkR14Q1TP2+5TR173000 1 nF2.2標(biāo)準(zhǔn)方波發(fā)生電路電路組成及工作原理就是低電平,所以電壓比較器因?yàn)榫匦尾妷褐挥袃煞N狀態(tài)，不是高電平，是它的重要組成部分；因?yàn)楫a(chǎn)生振蕩，就是要求輸出的兩種狀態(tài)自動(dòng)地相互轉(zhuǎn)換， 所以電路中必須引入反饋；因?yàn)檩敵?/p>

12、狀態(tài)應(yīng)按一定的時(shí)間間隔交替變化， 即產(chǎn)生 周期性變化，所以電路中要有延遲環(huán)節(jié)來(lái)切丁每種狀態(tài)維持的時(shí)間。圖示為矩形 波發(fā)生電路，它由反相輸入的滯回比較器和 RC電路組成。RC回路既作為延遲環(huán) 節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過(guò) RC充放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。波形分析及主要參數(shù)由于圖中所示電路電筒正向充電和反向充電的時(shí)間常數(shù)均為 RC而且充電的 總幅值也相等，因而在一個(gè)周期內(nèi) Uo=+Uz的時(shí)間與Uo=-Uz的時(shí)間相等，Uo為 對(duì)稱(chēng)的方波，所以也稱(chēng)為該電路為方波發(fā)生電路。電容上電壓Uc （即集成運(yùn)放反相輸入端電位Un）和電路輸出電壓Uo波形如圖所示。矩形波的寬度 Tk與周 期T之比稱(chēng)為占空比，因此Uo是

13、占空比為1/2的矩形波。根據(jù)電容上電壓波形可知，在 1/2周期內(nèi)，電容充電的起始值俄日-Ut，終 了值為+Ut，時(shí)間常數(shù)為R3C時(shí)間t趨于無(wú)窮時(shí)，Uc趨于+Uz,利用一階RC電路的三要素法可列出萬(wàn)程iI、Ut = Uz Ut 1 -e3C(_Ut)I )將( 1)式代入上式，即可求出振蕩周期T= 2 R3Qn1空R2振蕩頻率f=1/T。通過(guò)以上分析可知，調(diào)整電壓比較 器的電路參數(shù)R1和R2可以改變Uc的幅 值，調(diào)整電阻R1、R2 R3和電容C的數(shù) 值可以改變電路的振蕩頻率。而要調(diào)整 輸出電壓Uo的振幅，則要換穩(wěn)壓管以改 變Uz,此時(shí)Uc的幅值也將隨之變化。占空比可調(diào)電路通過(guò)對(duì)方波發(fā)生電路的分析

14、，可以 想象，欲改變輸出電壓的占空比，就必 須使電容正向和反向充電的時(shí)間常數(shù)不 同，即兩個(gè)充電回路的參數(shù)不同。禾I用 二極管的單向?qū)щ娦钥梢砸龑?dǎo)電流流經(jīng) 不同的通路，占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生 形如圖所示。電容上電壓和輸出電壓波當(dāng)Uo=+UZ時(shí)，Uo通過(guò)Rw1 D1和R3對(duì)電容C正向充電，若忽略二極管導(dǎo)通 時(shí)的等效電阻，則時(shí)間常數(shù)1Rw1 R3 C當(dāng)Uo=-Uz時(shí)，Uo通過(guò)Rw2 D2和R3對(duì)電容C反向充電，若忽略二極管導(dǎo)通 時(shí)的等效電阻，則時(shí)間常數(shù)2 ： Rw2 R3 C利用一階RC電路的三要素法可以解出T i 11n2R1T=T1 +T2 (Rw+2R3)Cn 1 + i、R2 丿上式表明改變

15、電位器的滑動(dòng)端可以改變占空比，但周期不變。占空比為T(mén) i Rwi R3 q =T Rw + 2R3電路仿真效果圖如下所示ri,i b12J 1- vC0X2:K0 Iii,4TCLKAA =4.1.h 1 11郭 L64NA -INB TN負(fù)t 10迅CPiiIVME473QU NC12IMsNJL4X12CFE：1IT5K3比較運(yùn)算電路比較運(yùn)算電路：比較運(yùn)算電路由IC1A、IC1B、IC2及相應(yīng)的外圍元件共同構(gòu)成。 IC4B輸出的信號(hào)一路經(jīng) R5 C5積分延時(shí)后送入IC1B正端，與負(fù)端2. 5V電壓 比較后，輸出幅值為2. 5V的方波信號(hào)u3; u1另一路經(jīng)R3及由C3同軸電纜 對(duì)地電容、2

16、5cm2感應(yīng)板對(duì)地電容共同構(gòu)成的電路（在無(wú)人體接近探測(cè)儀時(shí)，上 述三電容的和約為48pF）積分延時(shí)后，送IC1A的正端，同樣與其負(fù)端所接2. 5V 恒定電壓比較后輸出方波信號(hào) u2。為了保證上述方波信號(hào)在無(wú)人接近時(shí)的波形 完全一致，筆者設(shè)計(jì)電路時(shí)選擇 C5的值也為48pF。下面我們對(duì)無(wú)人靠近探測(cè)儀和有人靠近的兩種情況分別進(jìn)行電路分析。無(wú)人靠近時(shí)，因電路的對(duì)稱(chēng)性，u2與u3的輸出波形完全相同，這兩信號(hào)送給異 或門(mén)IC2的兩輸入端，經(jīng)運(yùn)算后輸出uO=O,則后續(xù)電路不動(dòng)作。當(dāng)有人靠近時(shí)， 由C3同軸電纜對(duì)地電容、25cm2感應(yīng)板對(duì)地電容共同構(gòu)成的電路電容總值將增 加，經(jīng)運(yùn)算可知，積分電路將會(huì)使得輸出

17、信號(hào) u2產(chǎn)生一個(gè)向后的延時(shí)，而u3 的波形仍然不變，故u2、u3送IC2運(yùn)算后，其輸出uOM 0,人靠得越近，則uO 輸出脈沖越寬。IC2輸出信號(hào)u0經(jīng)R9 C7濾波后，產(chǎn)生與人體接近距離成比例的直流電壓，運(yùn) 放IC3A對(duì)該電壓進(jìn)行放大，凋整電位器RP可以設(shè)定對(duì)應(yīng)于人體接近感應(yīng)板不同 距離的門(mén)限值；運(yùn)放IC3B及功率放大管VT1構(gòu)成滯回比較器，將IC3A輸出電壓 放大，通過(guò)R17的正反饋可保證VT1迅速可靠導(dǎo)通，點(diǎn)亮發(fā)光管 VD2整機(jī)電路 如附圖所示。附圖所示電路是對(duì)信號(hào)指示燈 VD2的通斷進(jìn)行控制，若將VD2換成 繼電器，用繼電器去控制其他各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，就可以實(shí)現(xiàn)各種自動(dòng)控制功能。4直流電

18、壓放大電路運(yùn)放IC2A對(duì)TP1點(diǎn)直流電壓提供偏置并放大，該電壓對(duì)應(yīng)于手和感應(yīng)板之間的 距離，手移向感應(yīng)板時(shí)會(huì)引起 TP1點(diǎn)和TP2點(diǎn)電壓的增高。采用負(fù)反饋電路，改 變共模抑制比，從而對(duì)電路進(jìn)行放大，運(yùn)放是一個(gè)開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)極大的放大器， 兩個(gè)輸入端“ + ”、“-”之間只要有微小的電壓差異，就會(huì)使輸出端截止或者飽 和。而輸入端的輸入電阻非常大，可以認(rèn)為不需要輸出電流。如果將運(yùn)放接成閉 環(huán)電路，則運(yùn)放的放大倍數(shù)等于(Rf+R2)/R2.因?yàn)榭梢岳斫膺\(yùn)放的“一”端的電 壓永遠(yuǎn)等于“ + ”端的，而“ + ”端的電壓等于 Vi (R1上無(wú)電流，也就無(wú)壓降)， 而“一”端的電壓又等于Vo在Rf和只2的分

19、壓，所以有：Vi= VOX R2/(Rf+R2)， 即：Vo= Vi X (Rf+R2)/R2滯回比較器又稱(chēng)施密特觸發(fā)器，遲滯比較器。這種比較器的特點(diǎn)是當(dāng)輸入信號(hào) u i逐漸增大或逐漸減小時(shí)，它有兩個(gè)閾值，且不相等，其傳輸特性具有“滯回” 曲線的形狀。滯回比較器也有反相輸入和同相輸入兩種方式。UR是某一固定電壓，改變UR值能改變閾值及回差大小。1,正向過(guò)程正向過(guò)程的閾值為形成電壓傳輸特性的abed段2,負(fù)向過(guò)程負(fù)向過(guò)程的閾值為T(mén)t _禺4 + R尹耳_ RJ幾1rfirj 屯+禺R十血形成電壓傳輸特性上defa段。由于它與磁滯回線形狀相似，故稱(chēng)之為滯回電壓 比較器。利用求閾值的臨界條件和疊加原

20、理方法，不難計(jì)算出圖4（b）所示的同相滯回比較器的兩個(gè)閾值如=（1 +子）4-子4 Q十子）5 -總匕甘代3rtj兩個(gè)閾值的差值 UTH=UTFHUTH2稱(chēng)為回差。由上分析可知，改變R2值可改變回差大小，調(diào)整 UR可改變UTH1和UTH2但不 影響回差大小。即滯回比較器的傳輸特性將平行右移或左移，滯回曲線寬度不 變。三、結(jié)果分析1、總體電路仿真圖如下: 0 O G 12：iIKS33P?nTSSF10CLKA CLKB -INA KB HNA IN3LX912C?；16)na16 匸 E IF5J412rp? J40.17xfI6 0U7AMAX40710OCTA VXC INA- 0UI3

21、INA- M-V3S Nb25Ae5A5Y4A4YIN 143vocR25IK2、PCB圖如下：Tools Auto Route Reports Window HelpBNADeskto ppcbyua n litu (l).Ddbitntnli 因 PCB1.PC8K Kn 10匚器Ln匚 lvf36匚C2貼2匚NAX9L2CPE(L(5)RIO lOK 匚ZlC0N2 POUERU271HC86JLLJJRL8500 R2l 5K C4a, 1UF 匚2Q2 NPNl35KR22 C 33PFR20 330K U9 22M RIG C01069n n u u C8 5pfC7 1HH2 Yl2.5KR3OQ23RES2CAP 匚口C9匚H匚ZlR29LOGU4MAX07匚Zl21N4L48 R31R12L0KR2? 75K匚Zl匚HEJ300nL