光電報(bào)警器設(shè)計(jì)與制備

1、光電報(bào)警器設(shè)計(jì)與制備摘要：本設(shè)計(jì)主要由紅外線傳感器、NE555多諧振蕩器、紅外發(fā)射接收對(duì)管的組合電路、同相比例運(yùn)算信號(hào)放大電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路、光聲報(bào)警電路、延時(shí)電路和音響報(bào)警電路組成。該探測(cè)器的探測(cè)距離大約3米，報(bào)警聲音可持續(xù)時(shí)間可調(diào)，在開(kāi)機(jī)后能夠報(bào)警。用普通紅外發(fā)射與接收對(duì)管組成發(fā)射與接收系統(tǒng)，接收系統(tǒng)能夠接收發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出的紅外線。當(dāng)接收系統(tǒng)受阻即有物體介入擋住紅外光束時(shí)，接收系統(tǒng)會(huì)發(fā)出光與聲的報(bào)警信號(hào)，而且這些光聲報(bào)警信號(hào)在障礙物離開(kāi)以后，還能夠延續(xù)一段時(shí)間以引起人們的注意。關(guān)鍵詞：紅外線 NE555 LM386 報(bào)警1.引言：進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，國(guó)家科技技術(shù)越來(lái)

2、越發(fā)達(dá)，其中就包括電子技術(shù)領(lǐng)域的深入發(fā)展、飛速發(fā)展近。人民的生活水平也有了很大提高，各種高家電器和各種高檔裝飾品（金、鉆石等）等都已不是奢望，而是為很多家庭所擁有。但是這樣也引發(fā)了許多犯罪，一些不法分子正是看到許多家庭防盜意識(shí)的不強(qiáng)進(jìn)行偷盜然。所以，越來(lái)越多的居民家庭對(duì)財(cái)產(chǎn)安全問(wèn)題十分擔(dān)憂。而電子技術(shù)的發(fā)展也為大家這方面的擔(dān)憂提供了解決方法，那就是報(bào)警器。不過(guò)目前，市面上的報(bào)警器大都用于大公司和財(cái)政機(jī)構(gòu)，價(jià)格昂貴，大部分人都難以接受。假如設(shè)計(jì)和生產(chǎn)一種價(jià)格適中、性能良好的報(bào)警器，必將在家庭防盜方面發(fā)揮非常重要的作用。由于紅外線是不可見(jiàn)光，有很強(qiáng)的隱蔽性和保密性，因此在防盜、警戒等安保工作中得到

3、了廣泛的應(yīng)用，此外，在電子防盜、人體探測(cè)等領(lǐng)域中。紅外報(bào)警器其功能非常先進(jìn)，其中包括被動(dòng)式熱釋電型紅外報(bào)警器,，紅外監(jiān)控?zé)o線報(bào)警器,超聲波防盜報(bào)警器,紅外線防盜報(bào)警器,高靈敏紅外報(bào)警器,觸摸式延時(shí)防盜報(bào)警器, 觸摸式防盜報(bào)警器,紅外報(bào)警器, 紅外線聲光報(bào)警器。報(bào)警器是一種重要的安全監(jiān)視系統(tǒng)，有兩種形式即被動(dòng)式與主動(dòng)式。被動(dòng)式報(bào)警器系統(tǒng)保密性好，但設(shè)備復(fù)雜；而主動(dòng)式報(bào)警器系統(tǒng)可以利用特定的調(diào)制編碼規(guī)律，達(dá)到一定的保密效果，設(shè)備簡(jiǎn)單。因此本設(shè)計(jì)往著這一方向考慮，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易的具有特定編碼的主動(dòng)式紅外光電報(bào)警器。2.課程設(shè)計(jì)目的與內(nèi)容、要求：2.1目的：1 練習(xí)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的光電系統(tǒng)。2 對(duì)影響光電探測(cè)

4、性能的各種參數(shù)進(jìn)行探討，以求最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)的探測(cè)能力。3 熟練掌握和運(yùn)用多諧振蕩器、跟隨器、有源濾波及放大等電路。2.2 內(nèi)容及要求：用砷化鎵發(fā)光管組成發(fā)射系統(tǒng)，發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)之間有紅外光束警戒線，光警戒線被阻擋時(shí)，接受系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。要求系統(tǒng)在一定器件的條件下作用距離盡可能遠(yuǎn)。3.電路的主要性能及設(shè)計(jì)流程思路、參數(shù)計(jì)算：電路的主要性能：此設(shè)計(jì)的光電報(bào)警器，當(dāng)警戒線被阻擋時(shí)系統(tǒng)發(fā)出聲音和燈光報(bào)警，延續(xù)時(shí)間可調(diào)。作用距離3米左右。設(shè)計(jì)流程框圖如下圖1，可將其分為兩大塊：發(fā)射塊與接收塊。延時(shí)電路放大電路紅外接收管報(bào)警電路紅外發(fā)射管發(fā)射塊接收塊NE555多諧振蕩電源調(diào)制電路圖13.1 NE

5、555多諧振蕩電源調(diào)制電路：NE555是屬于555系列的計(jì)時(shí)IC的其中的一種型號(hào)，555系列IC的接腳功能及運(yùn)用都是相容的，只是型號(hào)不同的因其價(jià)格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩頻率也不大相同；而555是一個(gè)用途很廣且相當(dāng)普遍的計(jì)時(shí)IC，只需少數(shù)的電阻和電容，便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率的脈波訊號(hào)。 a. NE555的特點(diǎn)有： 1.只需簡(jiǎn)單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時(shí)作用。其延時(shí)范圍極廣，可由幾微秒至幾小時(shí)之久。 2.它的操作電源范圍極大，可與TTL，CMOS等邏輯閘配合，也就是它的輸出準(zhǔn)位及輸入觸發(fā)準(zhǔn)位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。 3.其輸出端的供給電流大，可直接推

6、動(dòng)多種自動(dòng)控制的負(fù)載。 4.它的計(jì)時(shí)精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價(jià)格便宜。 b. NE555引腳位說(shuō)明下： NE555接腳圖 ：Pin 1 (接地) -地線(或共同接地) ，通常被連接到電路共同接地。 Pin 2 (觸發(fā)點(diǎn)) -這個(gè)腳位是觸發(fā)NE555使其啟動(dòng)它的時(shí)間周期。觸發(fā)信號(hào)上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。 Pin 3 (輸出) -當(dāng)時(shí)間周期開(kāi)始555的輸出輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時(shí)的最大輸出電流大約200 mA 。 Pin 4 (重置) -一個(gè)低邏輯電位送至這個(gè)腳位時(shí)會(huì)重置定時(shí)器和使輸出回到一個(gè)低電

7、位。它通常被接到正電源或忽略不用。 Pin 5 (控制) -這個(gè)接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當(dāng)計(jì)時(shí)器經(jīng)營(yíng)在穩(wěn)定或振蕩的運(yùn)作方式下,這輸入能用來(lái)改變或調(diào)整輸出頻率。 Pin 6 (重置鎖定) - Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個(gè)接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時(shí)啟動(dòng)這個(gè)動(dòng)作。 Pin 7 (放電) -這個(gè)接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當(dāng)輸出為ON時(shí)為L(zhǎng)OW，對(duì)地為低阻抗，當(dāng)輸出為OFF時(shí)為HIGH，對(duì)地為高阻抗。 Pin 8 (V +) -這是555個(gè)計(jì)時(shí)器IC的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。參數(shù)

8、功能特性： 供應(yīng)電壓4.5-18V 供應(yīng)電流3-6 mA 輸出電流225mA (max) 上升/下降時(shí)間100 nsNE555多諧振蕩電源調(diào)制電路原理圖，如下圖2：圖2將接地端、電源端接好，并接上定時(shí)電阻、電容、發(fā)射管及其限流電阻。其工作原理：當(dāng)管腳為高電平時(shí)，輸出電壓通過(guò)R1對(duì)C1充電，2端口電壓指數(shù)上升，時(shí)間常數(shù)為R1 C1。當(dāng)2端口電壓上升到上限閥值2Vcc/3時(shí)，輸出口3就輸出低電平。此時(shí)2端口電壓又隨C1放電而指數(shù)下降，當(dāng)下降到下限閥值Vcc/3時(shí)，輸出端口3又變成輸出高電平，如此反復(fù)，可得到方波，調(diào)節(jié)R2可得到嚴(yán)格的方波。由數(shù)字電路知識(shí)可知： C1放電時(shí)間：T1= R2C1ln2;

9、 C1:充電時(shí)間T2=（R1+R2）C1ln2；所以振蕩頻率為f=1/（T1+T2）=1/( R2C1ln2+（R1+R2）C1ln2)=1/(R1+2R2)ln2 C1；占空比q=T1f=(R1+R2)/(R1+2R2)；采用脈沖信號(hào)去驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管有利于提高發(fā)射機(jī)管的發(fā)射距離，因?yàn)槊}沖的峰值是比較大的，另外采用高頻方波將有利于提高發(fā)射管器的壽命。因此選取R1=R2=10K ,C1=39PF,輸出端3(OUT端)的輸出頻率f=1/（(R1+2R2)ln2 C1）1/（2.1R1C1）ln2）1.8×106Hz，其占空比約為0.6接近0.5。3.2發(fā)射管的限流電阻的計(jì)算和選用：用NE

10、555來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)光管時(shí)，發(fā)光管上要串聯(lián)上限流電阻，使輸出電流小于或等于發(fā)光管的最大正向電流IF，若振蕩器的輸出電壓為U0，則限流電阻為R大于或等于（U0-UF）/IF。因此:采用估算法了計(jì)算限流電阻的大小：發(fā)射管處的限流電阻R7（5-2）V/20MA150 ，但考慮到實(shí)際情況，這里我選用200 。3.3運(yùn)算放大電路:要求有高的輸入阻抗，以減少對(duì)信號(hào)源電流的索取，而低的輸出阻抗特性，可以驅(qū)動(dòng)下級(jí)電路。電壓放大電路的任務(wù)就是把輸入信號(hào)的電壓提高，提高到足以驅(qū)動(dòng)功下級(jí)電路的程度。選用由集成運(yùn)放組成的同向比例運(yùn)算電路。集成運(yùn)放可以看成是一個(gè)雙端輸入，單端輸出，具有高差模放大系數(shù)，高輸入電阻，低輸出電阻。

11、集成運(yùn)放的理想化參數(shù)是：1開(kāi)環(huán)差模增益（放大倍數(shù)）Aod=；2差模輸入電阻Rid=；3輸出電阻Ro=0；4共模抑制比Kcmr=；5上線截至頻率fH=。因此選用同向比例運(yùn)算電路，電路圖如下圖3：圖3以運(yùn)算放大器LM386為核心構(gòu)成的同相運(yùn)算放大器如上圖2所示，工作電壓范圍寬，4-12V 或5-18V。它的放大倍數(shù)Au=（1+R4/R5）=(1+200/10)=21,其主要作用是放大輸入端的電壓值。通過(guò)放大電路，就可以利用放大電路去驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路及延時(shí)電路。接收與發(fā)射之間有物體擋住時(shí)，輸入端的電壓為0，通過(guò)放大電路后就驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路延時(shí)電路。當(dāng)接收與發(fā)射之間無(wú)物體擋住時(shí)，輸入端的電壓，通過(guò)放

12、大電路后就大于驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路和延時(shí)電路NE555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)的上限閥值不驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路和延時(shí)電路。接收管的限流電阻采用500K的變阻器，通過(guò)它可以調(diào)節(jié)接收管的靈敏度。C2為慮雜信號(hào)電容。3.4 NE555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)延時(shí)電路：利用接收信號(hào)經(jīng)放大器后的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)NE555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，當(dāng)NE555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路輸入端的電壓為高電平是NE555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路的輸出3端為低電平，則報(bào)警電路和延時(shí)不工作；當(dāng)NE555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路得輸入端為低電平時(shí)期輸出端3為高電平，則驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路和延時(shí)。NE555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路圖如下圖4： 圖4選取延時(shí)電阻為500K滑動(dòng)變阻器、電容為100uF，由數(shù)字電路知識(shí)可知：延

13、時(shí)時(shí)間為：Tw=1.1R12C4。在本次課程設(shè)計(jì)中，將滑動(dòng)變阻器調(diào)為100K，所以延時(shí)時(shí)間約為：Tw1.1R12C4=1.1 ×100×103×100×10-611S。如要改變延時(shí)時(shí)間，可以調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的阻值。3.5 報(bào)警電路：這部分電路很簡(jiǎn)單，主要靠三極管的放大作用和信號(hào)控制端來(lái)實(shí)現(xiàn)光聲報(bào)警。報(bào)警電路原理圖如下圖5：圖5 在此電路中，若在單穩(wěn)態(tài)電路中U2的3腳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，由于高電平驅(qū)動(dòng)三極管9014，在9014的發(fā)射極輸出高電平，則蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲，同時(shí)報(bào)警燈亮。如圖5，。由于本電路采用的蜂鳴器阻值較大，故其限流電阻R6取20 ，其中其額定電壓為5

14、v。3.6 紅外光電報(bào)警電路：總原理圖如下圖6：圖6紅外線報(bào)警器電路由多諧振蕩電路、紅外線傳感器、信號(hào)放大電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、延時(shí)電路和音響報(bào)警電路等組成。S1閉合后，工作指示燈DS4亮，表示電路開(kāi)始工作，NE555構(gòu)成的多謝振蕩器不斷向發(fā)射管輸送頻率約為1.8×106 Hz的方波脈沖信號(hào)讓發(fā)射管DS2高速間斷地發(fā)射紅外線；當(dāng)有物體介入擋住了紅外線時(shí)，接收管DS3電阻變得很大，接收管相當(dāng)于斷開(kāi)，故R3左端的電壓為0，放大后還是0，故此時(shí)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)端2為低電平，則輸出端3為高電平，三極管9014導(dǎo)通，報(bào)警電路工作，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音，DS1亮，而且時(shí)間約為11S。當(dāng)沒(méi)有物體介

15、入擋住紅外發(fā)射接收對(duì)管之間的紅外線傳遞時(shí)，R2左端的電壓大概為1.6V,這個(gè)電壓經(jīng)過(guò)同相比例運(yùn)算放大電路放大后約變?yōu)?.27（高電平），故此時(shí)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)端為高電平，則輸出端位低電平，報(bào)警電路不工作。當(dāng)電路工作在有太陽(yáng)光的環(huán)境時(shí)，接收管應(yīng)該加上保護(hù)套以隔絕太陽(yáng)光里面跟發(fā)射管所發(fā)出的紅外線有相同頻率的紅外光。4. 調(diào)試:本次設(shè)計(jì)中，調(diào)試是十分重要的過(guò)程，調(diào)試的好壞就直接關(guān)系了作品的成功與否。本次設(shè)計(jì)中用到得工具很簡(jiǎn)單主要應(yīng)用了數(shù)字萬(wàn)用表，數(shù)字萬(wàn)用表工具作為調(diào)試工具。在設(shè)計(jì)整個(gè)報(bào)警系統(tǒng)的過(guò)程中，我們不斷的調(diào)試，不斷的改進(jìn)，從一個(gè)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題到解決問(wèn)題的過(guò)程。從調(diào)試來(lái)看，要做到分模塊調(diào)試，最后整機(jī)

16、調(diào)試。把各個(gè)電路連接在一起接上電源，觀測(cè)電源的穩(wěn)定性，在次重復(fù)上述調(diào)過(guò)程。若沒(méi)問(wèn)題就可以測(cè)試了。將整個(gè)系統(tǒng)通電觀察指示燈，當(dāng)系統(tǒng)剛開(kāi)運(yùn)行時(shí)只有紅色指示燈亮，此時(shí)在發(fā)射管與接收管沒(méi)放障礙物，這時(shí)系統(tǒng)是不會(huì)報(bào)警的、紅色報(bào)警燈也不亮起；再在發(fā)射管與接收管放個(gè)障礙物，系統(tǒng)發(fā)出響亮的報(bào)警聲，紅色報(bào)警燈也亮起，這時(shí)拿走障礙物可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)還在報(bào)警，報(bào)警聲大約持續(xù)了11S左右，這樣這個(gè)測(cè)試就完成了。調(diào)試的過(guò)程要慢慢的、一步一步的進(jìn)行。調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)光電報(bào)警器工作不正常，無(wú)論如何、無(wú)論接收管與發(fā)射管的距離多近，報(bào)警器都不會(huì)響應(yīng)。為了找出問(wèn)題點(diǎn)，我使用手機(jī)的紅外設(shè)備檢查反射管，看看是不是反射管沒(méi)有發(fā)射。但我卻發(fā)

17、現(xiàn)，發(fā)射管正常工作。那么這樣，就不是發(fā)射管出現(xiàn)問(wèn)題。問(wèn)題就出現(xiàn)在接收模塊了！然后我就再次重新對(duì)照自己設(shè)計(jì)的原理圖，仔仔細(xì)細(xì)地檢查一遍電路圖看看實(shí)物圖有沒(méi)有焊接錯(cuò)誤。在經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)物圖的多次檢查后，我發(fā)現(xiàn) 實(shí)物圖焊接確實(shí)沒(méi)有錯(cuò)誤。然后，我就懷疑紅外就收管正負(fù)連接錯(cuò)誤，于是我就將紅外接收管的管腳調(diào)轉(zhuǎn)焊接，接著再次測(cè)試，發(fā)現(xiàn)還是不行。經(jīng)過(guò)幾次后的驗(yàn)證后，報(bào)警系統(tǒng)還是不正常工作后，我就在重新在網(wǎng)上查找了有關(guān)紅外報(bào)警器的工作原理。在查資料的過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)紅外報(bào)警器不正常工作，有可能因?yàn)楦邮展芙釉谝黄鸬碾娮枳柚挡粔虼笥嘘P(guān)（因?yàn)檫@與報(bào)警器的靈敏度有關(guān)），還有可能與放大電路的放大倍數(shù)不夠有關(guān)（因?yàn)槿绻糯蟊稊?shù)不夠，那么放大電路的輸出電壓達(dá)不到當(dāng)穩(wěn)態(tài)觸發(fā)的閥值就不能使報(bào)警系統(tǒng)正常工作）。于是，我就用數(shù)字電壓表測(cè)量接收管與發(fā)射管之間有障礙物、無(wú)障礙物兩種情況下：放大電路的輸入、輸出電壓的值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)有障礙物時(shí)輸入電壓接近0，輸出電壓也接近0；無(wú)障礙物時(shí)，輸入電壓不為0，而輸出電壓為3.76V。但由于電源使用6V，穩(wěn)