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电子系统设计——红外报警电路设计

电子系统设计报告

——红外报警电路设计

班级：控制工程学院
学号：
姓名：古安
设计时间： 2013年4月26

目录

一、 设计任务及要求- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2

二、原理图分析及设计流程图- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -2

三、单元电路设计与参数- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -3

<1>. 红外发射接收电路设计- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3
<2>. 滤波电路的设计- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -3
<3>. 放大电路的设计- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -4
<4>. 比较电路的设计- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -4
<5>. 报警电路的设计- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -5

四、 电路调试即实验步骤- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -5

五、 效果分析- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - - - - - - 6

六、 总结- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -6

七、 电路整图与PCB图 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -见最后两页

四、 设计任务及要求
设计并制作反射式的红外报警电路，当有人靠近时能够发出声光报警，必须使用脉冲方式驱动红外发光二极管。

(1) 反射式的有效探测距离>50cm

(2) 系统采用单5V供电

(3)发出的声光报警必须是断续的方式，并且能够持续10-15S时间，然后自动解除报警（或者采用手动解除报警）。

二、原理图分析及设计流程图
由于红外线信号的发射与接收部分，常用的红外线发射器件和接收器件都具有频率选择性，因此要想得到较好的传输距离和稳定的性能，必须将驱动红外线发射管工作的振荡电路频率调整在红外发射器件的工作频率附近。查阅资料可知，现大部分产品的频率38KHz，所以在设计该电路时，选择用一个滑动变阻器Rw1来控制其频率，可适当让其555电路组成的振荡器工作在38KHz附近。至于接收电路，作为报警工作的话，没有像红外线通讯那样要精确地还原出发射端发射的每一个数据，因此相对来说，要求可以放宽一些，设计时可以通过高通滤波，加倍压整流等措施，将发射的红外线信号转变成用于控制的直流控制电压，可以理解为：在探测范围内，当有红外线信号收到时输出一个低电平信号，如果无人时，输出一个高电平信号，后续电路通过这个低电平信号启动报警。

设计流程图:

三、单元电路设计与参数
1. 红外发射接收电路:

由555定时器构成可调频的多谐振荡器，其中R2，R3，RW1，C1为外接定时元件，产生脉冲方式的方波来驱动D1。对于D1需要大约20mA 的电流，才能使其功率足够大，所以此里面的R1不能过大，需要调整，200欧左右的电阻合适。另外，振荡器的频率f = 1 / T， T = 0.7 * (R2+RW1+Rw1下端阻值+ 2 * R3) 。所以，改变RW1 ，即可改变f的值。在红外接收一端，其中R4必须取大电阻，避免灯坏。另外，在有效探测距离内，人经过时，接收端接收到反射的红外信号，再向后级输出信号。
2. 滤波电路的设计:

采用RC滤波电路，由于考虑到杂波信号的频率一般在50~100Hz左右，而接收到信号的频率相对较高，所以采用高通滤波。在此，选取了电容103，和10K的电阻，来滤掉低频部分。
3. 放大电路的设计：

采用LM324作为运算放大器，但是由于LM324的增益带宽积大约为1M左右，当要放大一个40kHz左右的信号时，大约每个放大器的闭环增益为Au=1M / 40K = 25倍，所以要得到一个较大的放大倍数，必须进行多级放大。这两级放大都采用的正相放大，在第一次放大中，放大倍数为50K / 3k ≈ 10倍左右，第二级放大中，由于采用了滑动变阻器，使得二级发大倍数最大可放大25倍，两级综合放大后，大约可以上百倍，这样实现了把小信号多倍放大。
4. 比较电路的设计:

当前端有信号到达输入端，与RW3门限电压进行电压比较。如果输入端大于门限电压，输出低电平；当输入端小于门限电压时，输出高电平。当然，接受到红外管反射的信号后，我们希望是输出高电平，于是我们可以调小门限，使此信号放大后的电压值大于门限，便可以输出低电平。
5. 报警电路的设计：

此电路中，第一个555用来延时。当人经过探测范围时，很短的一刻，但是会有信号往后端输出信号，如果没有延时电路，报警就只会响一下，也很短，很可能达不到报警的效果，所以此时需要将信号延时，让它能响更长的时间。电路中，延时的大约时间t = RC= 100k * 100u = 10 s，符合10 ~ 15 s的标准。为了实现断续报警，使人们更容易听到，所以，接下来的555用于定频率，使声音之间产生有间隔。其频率 f = 1 / T，T = 0.7 * C * (R1 + 2 * R2)，得f ≈ 1 s。用发光二极管来报警，并串接一个分压电阻，防止二极管因过大电压而烧坏；而蜂鸣器，恒压则可驱动。二者结合从而实现声光报警。

四、电路调试即实验步骤
1.分析实验要求并设计实验电路；
2.选择试验器材；
3.在基础电路板上按设计的电路图进行连接；
4.调试电路，寻找错误；
5.出现错误时，先检验连接电源线是否损坏，再检查电路是否连错，如果还不行，检查芯片等器件是否有问题，在检查过程中，注意要一步一步依次检查电路的各个组成部分，按照已设定的电路结果判断各级是否有错误；
6．改错完成后，出现实验现象，做好记录，并作分析；
7．编写实验报告。
五、效果分析
在整个试验设计以及连接电路过程中，常犯一些低级的错误。比如在红外发射端挨着的那个电阻阻值应该是200欧，却用了200K，使得通过手机镜头，看不到其发出的红外光，电流太小，灯无法正常工作。还有就是芯片容易在试验过程中烧坏，有时候必须试试换个芯片。在改动后，电路实现了设计时预定的效果，在人体靠近接近大约80cm范围内，发光二极管会点亮，蜂鸣器也会实现断续响声，从而实现声光报警功能。由于有时在100cm或者更远一点也会检测到信号，但并不是很理想，故认为80cm的范围属于较为理想的实验效果。
六、总结
此次设计历时四个星期左右，通过这四个星期的学习，发现自己还十分缺少知识。也看到了实践的重要性，理论必须要联系实际，才能得到好的效果。
设计的过程，是先慢慢学会如何把电路图画出来。虽然一开始，觉得到处都是问题，可是坚持坚持，发现做电路图可以从功能模块化这个角度去做，按照实现的功能，查阅相关资料，果然能够找到相关的东西。然后再将这些东西合理的拼凑在一块，巧妙地融合，加以自己的知识进行相关的修正或添加，电路图便出来了。在接下来画PCB的过程中，也是个十分艰苦的过程。因为，首先得学会用Protel99SE，在不会用AD的情况下。学东西时，发现网络真的是个好东西，能够找到很多自己需要的东西，学会自己不会的技巧。当然，前提是你得会搜索内容。在做板子时，也得小心翼翼，虽然很简单，但是也不可大意，尤其是在腐蚀铜板的过程中，不能让溶液腐蚀太久，而腐蚀了需要的线路。
这次的课程设计也让我看到了坚持的力量。刚开始的时候，觉得什么都不会做，感觉这课有点没意思，就想放弃。不过，坚持伴随着课程的渐渐地深入，发现还是有意思了，以至于后来在调试的过程中，无数次面临奔溃的边缘也能从容淡定，最终以自己不放弃的精神而调了出来。
通过这次课程设计，我想说：为完成这次课程设计我们确实很辛苦，多亏了赖百川有专业的设备，让我在寝室也能悍板子，和做小测试。不过，大多数时间被我给了实验室，但我认为是值得的！
一分耕耘，一分收获，一点都不差，别去想偷奸躲懒，也别去别的同学那里copy，自己动脑动手，才能得到知识。至少，一路我们坚持了下来，为此，我们很开心。
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