基于熱釋電紅外線傳感器的自動(dòng)器課程設(shè)計(jì)485907

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 信號(hào)變換綜合設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)（論文）題目：基于熱釋電紅外線傳感器的自動(dòng)報(bào)警器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)基于熱釋電紅外線傳感器的自動(dòng)報(bào)警器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)：通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的光電防盜報(bào)警裝置優(yōu)缺點(diǎn)的研究，利用熱釋電紅外線傳感器和光敏傳感器設(shè)計(jì)制作一套防盜報(bào)警系統(tǒng)，使之適用于家庭、商場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)的夜晚自動(dòng)值守防盜保護(hù)。選取合適型號(hào)的傳感器，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路，確定器件參數(shù)，電路主要由熱釋電紅外傳感器探測(cè)電路、光控電路、報(bào)警驅(qū)動(dòng)電路所組成；進(jìn)行電路仿真，或進(jìn)行電路板焊接。技術(shù)要求:在環(huán)境溫度為-20+60°C之間，電壓為315V時(shí)，熱釋電傳感器能有效探測(cè)進(jìn)入探測(cè)區(qū)域的紅外發(fā)射體。報(bào)

2、警采用大功率報(bào)警設(shè)備（不能采用蜂鳴器）說(shuō)明書(shū)要求:1.格式規(guī)范，符合學(xué)校要求；2.說(shuō)明書(shū)中應(yīng)有方法比較與方案論證，原理（公式）及具體的實(shí)現(xiàn)方案、電路器件型號(hào)、參數(shù)，設(shè)計(jì)說(shuō)明等；3.硬件電路應(yīng)由protel繪制，并且焊接、調(diào)試；4. 不能采用單片機(jī)設(shè)計(jì)。 5.按規(guī)定格式，撰寫(xiě)、打印設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份，詳細(xì)闡述系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，字?jǐn)?shù)應(yīng)在4000字以上。1、布置任務(wù)，查閱資料，理解掌握系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。（2天）2、選擇相應(yīng)傳感器、設(shè)計(jì)硬件電路圖。（2天）3、計(jì)算器件參數(shù)、選擇元器件型號(hào)繪制硬件電路圖。（3天）4、仿真調(diào)試或硬件電路焊接、調(diào)試。（2天）5、撰寫(xiě)、打印設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、答辯。（1天）平時(shí)： 論文質(zhì)量：

3、 答辯： 指導(dǎo)教師簽字： 總成績(jī)： 年 月 日摘要隨著近幾年我國(guó)電子技術(shù)的不斷發(fā)展，許多原先的高端電子產(chǎn)品也逐漸步入人們的生活?，F(xiàn)在價(jià)格低廉的熱釋電紅外傳感器得到了很大的普及。原本用于控制感應(yīng)門(mén)的熱釋電紅外傳感器也進(jìn)入了人們的生活安全保障中,在保護(hù)各方面安全工作中起著至關(guān)重要的作用。本次設(shè)計(jì)的熱釋電傳感器報(bào)警器能夠應(yīng)用于家庭、商場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)的夜晚自動(dòng)值守防盜保護(hù)。光敏電阻感受到的光亮越少電阻越大，依據(jù)此特性用它來(lái)作為熱釋電紅外線傳感器的開(kāi)關(guān)電路。而熱釋電傳感器在無(wú)人或動(dòng)物進(jìn)入探測(cè)區(qū)域時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的紅外輻射穩(wěn)定不變，一旦有人體紅外線輻射進(jìn)來(lái)，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦就使熱釋電器件產(chǎn)生突變電信號(hào)，而發(fā)出控制信號(hào)，控

4、制大功率報(bào)警裝置發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。本次設(shè)計(jì)利用上述的傳感器，可以實(shí)現(xiàn)在夜晚自動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控報(bào)警，給夜班值守人員減輕了負(fù)擔(dān)，為社會(huì)節(jié)約了資源，創(chuàng)造了價(jià)值。經(jīng)過(guò)分析、仿真后，本次的電路設(shè)計(jì)具備了相應(yīng)的報(bào)警靈敏度與報(bào)警能力，總體水平基本達(dá)到了課程設(shè)計(jì)的要求。能夠運(yùn)用在家庭、商場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)等需要夜晚自動(dòng)值守防盜保護(hù)的場(chǎng)合，為人們的日常生活帶來(lái)了方便，更為私人財(cái)產(chǎn)和公共財(cái)產(chǎn)的保護(hù)起到了一定的作用。關(guān)鍵字：熱釋電紅外線傳感器；光敏電阻；報(bào)警器；555定時(shí)器目錄第1章 緒論1第2章 方案論證32.1 熱釋電傳感器報(bào)警器設(shè)計(jì)要求32.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇3方案一3方案二3第3章 電路設(shè)計(jì)63.1 傳感器電路設(shè)計(jì)63.

5、2 光敏電路設(shè)計(jì)83.3 555定時(shí)器電路設(shè)計(jì)93.4 報(bào)警電路設(shè)計(jì)93.5 電源電路設(shè)計(jì)10第4章 仿真與調(diào)試12第5章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)15參考文獻(xiàn)16附錄17附錄18第1章 緒論熱釋電紅外傳感器是一種非常有應(yīng)用潛力的傳感器。它能檢測(cè)人或某些動(dòng)物發(fā)射的紅外線并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。早在1938年，有人就提出利用熱釋電效應(yīng)探測(cè)紅外輻射，但并未受到重視。直到六十年代，隨著激光、紅外技術(shù)的迅速發(fā)展，才又推動(dòng)了對(duì)熱釋電效應(yīng)的研究和對(duì)熱釋電晶體的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。近年來(lái)，伴隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，以及對(duì)該傳感器的特性的深入研究，相關(guān)的專用集成電路處理技術(shù)也迅速增長(zhǎng)。目前國(guó)內(nèi)、外使用的各類防盜、安保報(bào)警器大多采用

6、的是以超聲波、主動(dòng)式紅外發(fā)射/接收以及微波等技術(shù)為基礎(chǔ)。它們均采用的是監(jiān)測(cè)接收到的經(jīng)反射回來(lái)的信號(hào)有無(wú)異常來(lái)判斷有無(wú)入侵者。識(shí)別效率低，容易誤報(bào)警，而熱釋電紅外傳感器(簡(jiǎn)稱PIR)是80年代發(fā)展起來(lái)的一種新型高靈敏度探測(cè)元件。它能以非接觸形式檢測(cè)出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。將這個(gè)電壓信號(hào)加以放大，便可驅(qū)動(dòng)各種控制電路，如作電源開(kāi)關(guān)控制、防盜防火報(bào)警、自動(dòng)覽測(cè)等。熱釋電紅外傳感器主要是由一種高熱電系數(shù)的材料，如鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等制成尺寸為2*1mm的探測(cè)元件。在每個(gè)探測(cè)器內(nèi)裝入一個(gè)或兩個(gè)探測(cè)元件，并將兩個(gè)探測(cè)元件以反極性串聯(lián)，以抑制由于自身溫度升高而

7、產(chǎn)生的干擾。由探測(cè)元件將探測(cè)并接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號(hào)，經(jīng)裝在探頭內(nèi)的場(chǎng)效應(yīng)管放大后向外輸出。為了提高探測(cè)器的探測(cè)靈敏度以增大探測(cè)距離，一般在探測(cè)器的前方裝設(shè)一個(gè)菲涅爾透鏡，該透鏡用透明塑料制成，將透鏡的上、下兩部分各分成若干等份，制成一種具有特殊光學(xué)系統(tǒng)的透鏡，它和放大電路相配合，可將信號(hào)放大70分貝以上，這樣就可以測(cè)出1020米范圍內(nèi)人的行動(dòng)。菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學(xué)原理，在探測(cè)器前方產(chǎn)生一個(gè)交替變化的“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，以提高它的探測(cè)接收靈敏度。當(dāng)有人從透鏡前走過(guò)時(shí)，人體發(fā)出的紅外線就不斷地交替從“盲區(qū)”進(jìn)入“高靈敏區(qū)”，這樣就使接收到的紅外信號(hào)以忽強(qiáng)忽弱的脈沖形式輸

8、入，從而增強(qiáng)其能量幅度。人體輻射的紅外線中心波長(zhǎng)為910um，而探測(cè)元件的波長(zhǎng)靈敏度在0.220um范圍內(nèi)幾乎穩(wěn)定不變。在傳感器頂端開(kāi)設(shè)了一個(gè)裝有濾光鏡片的窗口，這個(gè)濾光片可通過(guò)光的波長(zhǎng)范圍為710um，正好適合于人體紅外輻射的探測(cè)，而對(duì)其它波長(zhǎng)的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專門(mén)用作探測(cè)人體輻射的紅外線傳感器。一旦人侵入探測(cè)區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過(guò)部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，經(jīng)信號(hào)處理而報(bào)警。菲泥爾濾光片根據(jù)性能要求不同，具有不同的焦距（感應(yīng)距離），從而產(chǎn)生不同的監(jiān)控視場(chǎng)，視場(chǎng)越多，控制越嚴(yán)密。被動(dòng)式熱釋電紅外探頭具有本

9、身不發(fā)任何類型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性好，價(jià)格低廉。防小動(dòng)物干擾：探測(cè)器安裝在推薦地使用高度，對(duì)探測(cè)范圍內(nèi)地面上地小動(dòng)物，一般不產(chǎn)生報(bào)警。抗電磁干擾：探測(cè)器的抗電磁波干擾性能符合GB10408中要求，一般手機(jī)電磁干擾不會(huì)引起誤報(bào)?？篃艄飧蓴_：探測(cè)器在正常靈敏度的范圍內(nèi)，受3米外H4鹵素?zé)敉高^(guò)玻璃照射，不產(chǎn)生報(bào)警。利用熱釋電傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境變化，進(jìn)行信息傳輸進(jìn)而完成報(bào)警功能的系統(tǒng)主要用于家居安全，探測(cè)夜間有無(wú)人員闖入，該系統(tǒng)方便、穩(wěn)定，十分適合家庭財(cái)產(chǎn)的保護(hù)。這里所設(shè)計(jì)的被動(dòng)式報(bào)警器采用的是熱釋電紅外線傳感器，是一種被動(dòng)式的紅外傳感器，它本身并不向環(huán)境中發(fā)射檢測(cè)用的紅外線，只是被動(dòng)的接受，因此

10、這種熱釋電傳感器能以非接觸形式檢測(cè)出人體輻射出的紅外線，并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。同時(shí)，它還能辨別出運(yùn)動(dòng)的生物與其他非生物，應(yīng)用范圍十分廣泛。熱釋電傳感器既可應(yīng)用于防盜報(bào)警裝置，也可以用于自動(dòng)控制、接近開(kāi)關(guān)及遙測(cè)等領(lǐng)域。 第2章 方案論證2.1 熱釋電傳感器報(bào)警器設(shè)計(jì)要求本設(shè)計(jì)要求利用熱釋電紅外線傳感器和光敏傳感器設(shè)計(jì)制作一套防盜報(bào)警系統(tǒng)，使之適用于家庭、商場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)的夜晚自動(dòng)值守防盜保護(hù)。經(jīng)過(guò)分析，有如下要求：（1）可實(shí)現(xiàn)非法入侵報(bào)警；（2）使用光敏電阻控制，白天不報(bào)警，晚上自動(dòng)開(kāi)始工作；（3）當(dāng)有人靠近時(shí)熱釋電傳感器報(bào)警，無(wú)人靠近時(shí)不報(bào)警。2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇2.2.1方案一目前最為流行的防

11、盜報(bào)警裝置大多采用的是主動(dòng)式探測(cè)儀，例如超聲波探測(cè)儀、對(duì)射式紅外線傳感器和微波等技術(shù)。因此，方案一采用對(duì)射式紅外線傳感器，經(jīng)過(guò)具備檢波、放大、濾波和后期處理的信號(hào)處理電路后，輸入到報(bào)警裝置，報(bào)警裝置的工作與否由另外的定時(shí)開(kāi)關(guān)控制。可基本實(shí)現(xiàn)報(bào)警器設(shè)計(jì)要求。2.2.2方案二 光敏電阻屬半導(dǎo)體光敏器件，除具靈敏度高，反應(yīng)速度快，光譜特性及r值一致性好等特點(diǎn)外，在高溫，多濕的惡劣環(huán)境下，還能保持高度的穩(wěn)定性和可靠性，可廣泛應(yīng)用于照相機(jī)，太陽(yáng)能庭院燈，草坪燈，驗(yàn)鈔機(jī)，石英鐘，音樂(lè)杯，禮品盒，迷你小夜燈，光聲控開(kāi)關(guān)，路燈自動(dòng)開(kāi)關(guān)以及各種光控玩具，光控?zé)麸?，燈具等光自?dòng)開(kāi)關(guān)控制領(lǐng)域。光敏電阻的工作原理是基

12、于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體。通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)的方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮影響其靈敏度。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)將復(fù)合，光敏電阻的阻值也就恢復(fù)原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過(guò)，受到一定波長(zhǎng)的光線照射時(shí)，電流就會(huì)隨光強(qiáng)的增大而變大，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。當(dāng)白天的時(shí)候光敏電阻近似導(dǎo)通，此時(shí)的電阻被稱之為亮電阻，阻值約為幾千

13、歐，流過(guò)的電流叫亮電流；夜晚無(wú)光照的時(shí)候，光敏電阻內(nèi)無(wú)電流流過(guò)，暗電阻的電阻值約為兆歐級(jí)，近似斷路。一般來(lái)說(shuō)，暗電阻與亮電阻阻值之比約為 之間。光敏電阻沒(méi)有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也加交流電壓。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。凡是溫度超過(guò)絕對(duì)0°C（-273°C）的物體都能產(chǎn)生熱輻射（紅外光譜），而溫度低于1725°C的物體產(chǎn)生的熱輻射光譜集中在紅外光區(qū)域，因此自然界的所有物體都能向外輻射紅外熱，不同溫度的物體，其釋放的紅外能量的波長(zhǎng)是不一樣的，因此紅外波長(zhǎng)與溫度的高低是相關(guān)的。而任何物體由于本身的物理和化學(xué)性質(zhì)的不同、

14、本身溫度不同所產(chǎn)生的紅外輻射的波長(zhǎng)和距離也不盡相同，通常分為三個(gè)波段。近紅外：波長(zhǎng)范圍0.753m；中紅外：波長(zhǎng)范圍325m；遠(yuǎn)紅外：波長(zhǎng)范圍251000m；人體輻射的紅外光波長(zhǎng)350m，其中814m占46%，峰值波長(zhǎng)在9.5m。在被動(dòng)紅外探測(cè)器中有兩個(gè)關(guān)鍵性的元件，一個(gè)是熱釋電紅外傳感器(PIR)，它能將波長(zhǎng)為8-12um之間的紅外信號(hào)變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并能對(duì)自然界中的白光信號(hào)具有抑制作用，因此在被動(dòng)紅外探測(cè)器的警戒區(qū)內(nèi)，當(dāng)無(wú)人體移動(dòng)時(shí)，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的只是背景溫度，當(dāng)人體進(jìn)人警戒區(qū)，通過(guò)菲涅爾透鏡，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的是人體溫度與背景溫度的差異信號(hào)，因此，紅外探測(cè)器的紅外探測(cè)的

15、基本概念就是感應(yīng)移動(dòng)物體與背景物體的溫度的差異。另外一個(gè)器件就是菲涅爾透鏡，菲涅爾透鏡有兩種形式，即折射式和反射式。菲涅爾透鏡作用有兩個(gè):一是聚焦作用，即將熱釋的紅外信號(hào)折射（反射）在PIR上，第二個(gè)作用是將警戒區(qū)內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入警戒區(qū)的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)，這樣PIR就能產(chǎn)生變化的電信號(hào)。本次選用D205B型大窗口熱釋電紅外線傳感器，它接受的紅外線波長(zhǎng)為415m，透過(guò)率大于75%，輸出的信號(hào)為5V，噪聲小于70mV，故后續(xù)處理電路僅需要低通的阻容濾波電路即可。555定時(shí)器成本低，性能可靠，只需要外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)

16、觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時(shí)器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測(cè)量及自動(dòng)控制等方面。本次設(shè)計(jì)中因?yàn)橐糜跓o(wú)人的夜間自動(dòng)值守場(chǎng)合，報(bào)警電路觸發(fā)后必然要給安保人員一定的反應(yīng)時(shí)間，因此需要給報(bào)警電路一個(gè)報(bào)警時(shí)延，故需要用555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。報(bào)警電路主要由繼電器及相關(guān)電路和220V聲光報(bào)警器組成。繼電器作為開(kāi)關(guān)控制部分，通過(guò)接收來(lái)自555定時(shí)器的信號(hào)，通過(guò)繼電器銜鐵吸合與釋放來(lái)控制220V交流電路的閉合與斷開(kāi)，從而控制聲光報(bào)警器的工作與否。考慮到實(shí)際應(yīng)用，還需要加一個(gè)手動(dòng)報(bào)警開(kāi)關(guān)以防止突發(fā)的意外情況。三極管開(kāi)關(guān)電路光控電路NE555集成電路傳感器電

17、路報(bào)警電路圖2.1 整體方框圖根據(jù)前面所述的各模塊結(jié)構(gòu)，這里需要將市電轉(zhuǎn)換成適合各模塊使用的相應(yīng)的直流電源，電源模塊勢(shì)必要作為直流穩(wěn)壓電源為各單元提供能量。這里應(yīng)用與MC78系列類似的LM109H芯片即可實(shí)現(xiàn)所要求的功能，為系統(tǒng)提供+5V的電源。方案二是方案一的改進(jìn)版。本電路分為光敏電路、熱釋電紅外線傳感器電路、555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路和報(bào)警電路。使用熱釋電紅外線傳感器代替主動(dòng)式紅外線傳感器，將誤操作率降到最低，既能有效防盜，又能降低工作人員的負(fù)擔(dān)。本次設(shè)計(jì)的報(bào)警器還加入了光敏電阻控制電路，較之定時(shí)開(kāi)關(guān)更加方便、穩(wěn)定，使用壽命也更加長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)夜晚自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)，無(wú)需人工操作，更加自動(dòng)化。加入5

18、55定時(shí)器能將報(bào)警信號(hào)延時(shí)，給值守的工作人員一定的反應(yīng)時(shí)間。由于傳感器輸出信號(hào)足夠大故不需要放大，僅需要濾除工頻干擾和低頻信號(hào)，且易于調(diào)控，實(shí)用度高于方案一，故選擇此方案。第3章 電路設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)中包含傳感器電路、光敏控制電路、555定時(shí)器電路和報(bào)警電路。傳感器電路中包含信號(hào)采集部分和信號(hào)變換處理部分。它們負(fù)責(zé)將侵入的人體輻射出的紅外線收集起來(lái)，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，濾除工頻干擾和噪聲信號(hào)后，輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)光敏控制電路和555定時(shí)器電路傳到報(bào)警電路，進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警。3.1 傳感器電路設(shè)計(jì)傳感器選用D205B型大窗口熱釋電紅外線傳感器，參數(shù)如下表所示。紅外接收頭D205B是利用材料自發(fā)極化隨溫度變化的

19、特征來(lái)探測(cè)紅外線的輻射的一種新型高靈敏度探測(cè)元件。它能以非接觸形式檢測(cè)出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。它采用四靈敏元設(shè)計(jì)，抑制環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的干擾，提高了信號(hào)輸出強(qiáng)度，增加了多方向靈敏度，兼有單元和雙元熱釋電紅外傳感器的優(yōu)點(diǎn)，傳感器的工作更加穩(wěn)定。此型號(hào)應(yīng)用廣泛，例如自動(dòng)燈開(kāi)關(guān)，保險(xiǎn)裝置，防盜報(bào)警器，感應(yīng)門(mén)，智能玩具等，特別適用于本次設(shè)計(jì)所需的吸頂式應(yīng)用場(chǎng)合。表3.1 D205B參數(shù)型號(hào)D205B封裝TO-5紅外接收電極0.7×2.4mm, 4 個(gè)靈敏元窗口尺寸4.9mm×4.9mm接受波長(zhǎng)514m透過(guò)率75%輸出信號(hào)峰峰值5000mV靈敏度430

20、0V/W噪聲峰值70mV探測(cè)率 (D*)1.6 ×108cmHz1/2/W輸出平衡度10%電源電壓3-15V工作溫度范圍-30°C -70°C由壓控電壓源型低通濾波器的傳函式（3-1）知其固有頻率和增益分別為式（3-2）和式（3-3）。 （3-1） （3-2） （3-3）由于本次設(shè)計(jì)中，傳感器輸出信號(hào)無(wú)需放大，僅需濾除信號(hào)中所帶的工頻干擾和相應(yīng)的低頻信號(hào)，參數(shù)選擇圖3.1中各元件標(biāo)注。經(jīng)計(jì)算， 傳遞函數(shù)為 （3-4） 固有角頻率為 （3-5） 截止頻率為 (3-6) 增益 (3-7)故選用的R2，R3阻值為100，功率為0.25W的電阻。C1，C2為47F的電解電

21、容。此時(shí)的固有角頻率由式（3-5）即可求出，截止頻率根據(jù)式（3-6）即能得到。R4，R5構(gòu)成低通濾波器的增益部分，由于傳感器輸出的電壓幅值已經(jīng)足夠大了，故設(shè)置增益為1，選用的R4為100K，R5為10，由式（3-7）知，增益近似為1。圖3.1 傳感器測(cè)量與濾波電路3.2 光敏電路設(shè)計(jì) 經(jīng)方案設(shè)計(jì)，光敏電阻選用GM5516可得出如下的電路圖。圖3.2中，電源VCC接電源電路，經(jīng)光敏電阻和分壓電阻到GND。因?yàn)楣饷綦娮鐶M5516在接受光照時(shí)近似導(dǎo)通，電阻阻值為五千歐姆到十千歐姆。這時(shí)如果Q1不工作，它的基極電壓要小于0.3V，即光敏電阻分得的電壓要小于0.3V；在無(wú)光照時(shí)，即夜晚值守時(shí)GM551

22、6暗電阻阻值約為500K。要使三極管Q1工作，基極電壓至少為0.3V，即光敏電阻兩端的電位差至少也要大于0.3V，因此得出分壓電阻R1應(yīng)選用阻值為100K，功率為0.25W的色環(huán)電阻即可。圖3.2 光敏電路3.3 555定時(shí)器電路設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)方案，采用NE555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，給報(bào)警電路一個(gè)控制信號(hào)，使報(bào)警電路觸發(fā)，考慮到實(shí)際應(yīng)用中，報(bào)警電路從開(kāi)始工作到提示值班人員到現(xiàn)場(chǎng)將需要一段時(shí)間，因此，555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器需要使輸出的高電平持續(xù)一段時(shí)間，報(bào)警電路一旦開(kāi)始工作將會(huì)持續(xù)一段時(shí)間才會(huì)恢復(fù)正常。有單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特性可知，輸出脈沖的寬度等于暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間，而暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間取決

23、于外接電阻R7和電容C4的大小，等于電容電壓在充電過(guò)程中從0上升到光控電路輸出值U的2/3倍所需要的時(shí)間。 （3-8） 所以，本次設(shè)計(jì)的延時(shí)時(shí)延為11s，故R7為10K，功率1/4W的電阻，C4為1000微法的電解電容。圖3.3 555定時(shí)器電路3.4 報(bào)警電路設(shè)計(jì)經(jīng)方案設(shè)計(jì)，報(bào)警電路將由555定時(shí)器輸出控制信號(hào)控制三極管Q2的導(dǎo)通與否，來(lái)決定繼電器K的動(dòng)作。當(dāng)555定時(shí)器輸出高點(diǎn)平時(shí)，Q2導(dǎo)通，繼電器線圈通電，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，電鈴和紅色LED報(bào)警燈構(gòu)成的報(bào)警單元接通交流220V電源，報(bào)警單元開(kāi)始工作，且由于555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有時(shí)延功能，經(jīng)3.3節(jié)計(jì)算可知，報(bào)警電路一旦工作，將經(jīng)過(guò)

24、110s的時(shí)間后才停止。當(dāng)555定時(shí)器輸出低電平時(shí)，Q2截止，線圈斷電，觸點(diǎn)斷開(kāi)，報(bào)警電路停止工作?？紤]到白天值守時(shí)可能遇到突發(fā)的特殊情況，本次設(shè)計(jì)還加入了手動(dòng)報(bào)警功能，在電路正常工作時(shí)，即使傳感器電路和光控電路不工作，值班人員也可以進(jìn)行手動(dòng)報(bào)警，只需按下開(kāi)關(guān)S1，Q2即被短路，繼電器K的線圈得電，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，接通大功率報(bào)警裝置的電源，報(bào)警單元開(kāi)始工作，且報(bào)警狀態(tài)將一直持續(xù)下去。當(dāng)需要解除報(bào)警時(shí)，需要手動(dòng)斷開(kāi)S1，使繼電器線圈失電，報(bào)警單元停止工作。安裝裝置時(shí)由于涉及到220V的交流電，故在報(bào)警電路的供電電路前加一個(gè)空氣開(kāi)關(guān)，便于施工人員的安裝。又因?yàn)榘l(fā)光二極管的耐壓值太小，直接跨接在市電上

25、肯定會(huì)將二極管燒毀，因此需要串聯(lián)一個(gè)分壓電阻，由于本次二極管用作指示燈，功率無(wú)需太大，串接100K的1/4W電阻即可實(shí)現(xiàn)。圖3.4 報(bào)警電路3.5 電源電路設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)分析各模塊的所需電壓，電源電路可設(shè)計(jì)為如圖3.5所示的模樣，它可以直接將220V交流電經(jīng)電橋整流，濾波電路的濾波和LM109H的變換形成+5V的直流穩(wěn)壓電源供給各個(gè)模塊，以提供各模塊工作所需能量。 經(jīng)查閱相關(guān)資料，C6-C9起作濾波作用，參數(shù)如圖中所示，由于C6和C7電容值過(guò)大，使用的是電解電容?？紤]到電源穩(wěn)壓電路的安全，在接入市電之前，加入空氣開(kāi)關(guān)，便于節(jié)省能源和保護(hù)電路及人身安全。圖3.5 電源電路第4章 仿真與調(diào)試 本次設(shè)計(jì)電

26、路圖運(yùn)用目前比較流行的Protel 99 SE，因此仿真也使用該軟件，其具備仿真功能。運(yùn)用其參數(shù)掃描分析功能可以方便的實(shí)現(xiàn)檢測(cè)到光敏電阻的變化造成電路的變化。 仿真電路圖如圖4.1所示，由于仿真時(shí)不能采用真的熱釋電紅外傳感器和光敏電阻來(lái)進(jìn)行，故用交變電源代替?zhèn)鞲衅鬟M(jìn)行輸出電信號(hào)，用普通電阻經(jīng)過(guò)調(diào)參數(shù)來(lái)進(jìn)行光敏電阻阻值變化模擬。報(bào)警電路的輸入信號(hào)是圖4.1中的U5，由于繼電器不能觀看其動(dòng)作狀態(tài)，故報(bào)警電路未連接，由圖中U5的波形即可推測(cè)出報(bào)警電路動(dòng)作。圖4.1 仿真電路圖圖4.2 光敏電阻導(dǎo)通圖4.3 光敏電阻截止 最終的仿真結(jié)果如圖4.2和圖4.3所示，其中U0代表熱釋電紅外線傳感器輸出的信號(hào)

27、，這個(gè)信號(hào)是一個(gè)波動(dòng)的，在無(wú)人靠近時(shí)，它不輸出信號(hào)，當(dāng)有人靠近時(shí)，傳感器感受到人體輻射的紅外線，產(chǎn)生信號(hào)突變，進(jìn)行了信號(hào)變換，將非電量轉(zhuǎn)換為電量進(jìn)行輸出。經(jīng)過(guò)低通濾波器后，濾除工頻干擾和高頻噪聲，將低頻噪聲進(jìn)行衰減。得到如圖中U1所示的信號(hào)，由圖中可以發(fā)現(xiàn)U1的相位較U0有了滯后，說(shuō)明濾波有了效果。圖中的U2是光敏電阻的輸出信號(hào)，由光敏電阻的特性可知，光敏電阻的阻值隨光照強(qiáng)度的增加而降低。經(jīng)過(guò)參數(shù)掃描分析，通過(guò)設(shè)定光敏電阻的初值為5K，終值為500K，步長(zhǎng)為5K，使其通過(guò)分壓來(lái)控制光控電路的導(dǎo)通與否。圖4.2是光敏電阻為5K時(shí)的各部分信號(hào)波形，圖中U4是傳感器經(jīng)低通濾波后通過(guò)光敏電阻控制電路后

28、的波形，U5是555定時(shí)器輸出的電平，此時(shí)為低電平。圖4.3是光敏電阻為500K時(shí)的波形，由圖中U5的波形可知，555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具備了延時(shí)的功能，有參數(shù)算得時(shí)延為11s，本次仿真圖中由于測(cè)量時(shí)間的關(guān)系，并未顯示出整個(gè)11s范圍內(nèi)的變化，見(jiàn)微知著，可以根據(jù)電路圖中參數(shù)算得。第5章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)信號(hào)變化綜合課程設(shè)計(jì)是這學(xué)期的第二個(gè)課程設(shè)計(jì)，通過(guò)這個(gè)課程設(shè)計(jì)，讓我了解到對(duì)于自己學(xué)過(guò)的知識(shí)需要學(xué)以致用，不能只是背書(shū)本上的知識(shí)，在實(shí)踐的時(shí)候要能真正的用在需要的地方。同時(shí)我也發(fā)現(xiàn)只是這樣的學(xué)習(xí)如果不去加以利用是不能熟練掌握精髓的，對(duì)于自己不知道的，要用合理的方式去學(xué)習(xí)到自己的腦袋里面，把它真正的變成自己的東西，這樣才是學(xué)習(xí)的根本所在。信號(hào)變化