毕业设计红外报警器.doc

泸 州 职 业 技 术 学 院
毕业设计报告 

红外报警器设计

学生姓名
童亮
所 在 系
电子工程系
班 级
08级应用电子3班
专 业
应用电子技术
指导教师
吕宁

第 17 页
摘要
红外感应是一个技术已经相当成熟的领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至于思想认识上都取得了长足的进步。在当今的社会红外感应在诸多领域都得到了应用。如红外报警器、红外数据传输器、红外夜视仪等方面。所以设计一个简易红外报警器有利于我们对红外传输技术有所了解。
这次设计简易红外报警器的内容是：设计符合要求的电路原理图，对三极管构成无稳态振荡电路、红外收发电路自锁驱动与复位电路及三极管构成无稳态振荡声光电路的各个元件的参数静态工作点进行分析计算，用Altium Designer Summer 09软件制作出PCB板，在其过程中注意元件的布局和板面的设计，用multisim7进行仿真。根据元件参数采购元件，并进行安装和调试，若有故障，则利用已有的故障维修思路和方法进行检修。使其能正常工作，达到合格的标准。在设计中我受益匪浅，三极管构成自锁驱动与抚复位电路和三极管构成无稳态振荡电路结构原理等新的理论知识，复习巩固了以前所学的电路、模拟电子技术，现代电子电路与技术等知识。还更好的理论结合实际，把相关的新老知识应用到设计中，自己动手设计出成品。红外报警器的作用是把从发射端发送的信号经过空气有接收端接收，在这一过程中由于外部人体的作用阻碍了信号的传递而作为报警信号的触发条件。作为电子技术的毕业设计，本课题提出的红外对射报警器指标比较低，以及现实的干扰与实用性等原因采用直流供电红外发生发生电路。由于个人水平有限，本设计中的缺点、错误在所难免，恳请原谅！

目录

第一章 概论 1
1.1选题依据 1
1.2红外报警器简介 1
1.3选红外对射类依据 1
红外对射：将发射和接收的部件，分两边装，在接收部分负责信号的放大输出。当红外收发电路工作后，当发射和接收之间有物体阻挡了红外光，则会有信号跳变，有输出信号。在聚焦的前提下发射距离远取向性强抗干扰能力强。 1
第二章红外对射报警器具体设计 2
2．2红外对射报警器电路结构 2
2. 3电路各部分作用与计算 4
2.3.1 红外发生电路 4
2.3.2 红外接收电路 5
2.3.3 自锁驱动与复位电路 6
2.3.4 三五定时器构成无稳态振荡电路 8
2.3.5门铃按键与提示灯电路 13
2.3.6小结 14
第三章 安装与调试 15
3 .1根据印制板雕刻铜板 15
3. 2测试与安装元器件 16
3. 3进行调试与故障的检修 16
3. 4 最终数据表 17
第四章 总结 19
第五章 致 谢 20
参考文献 21

第一章 概论
1.1选题依据
20世纪末，人们生活水平不断的提高，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，但是拥挤繁杂的住宅环境以及人口暴增的生活压力，使得一些人踏过法律的底线不劳而获窃取他人劳动果实，对他人的生命财产安全造成了严重的影响。红外报警器作为报警系统中的重要一员不仅在财产安全方面有重要的作用，在工业生产和自动化监控也有着很大的开发和利用空间因此红外报警器的研究和开发，有着非常现实的意义。在当今的社会红外感应传输技术得到了广泛的应用。如光碟机、无线数据传输、军事与生产重地等。因此必须重视对红外报警器的设计，我做为一名应用电子专业的学生，学的正是这类的相关知识。并且我们三人组成一个团队，分工合作。相信我们一定能做出一个好的优质红外报警器。
1.2红外报警器简介
红外报警器由报警主机和红外探测器组成报警系统。探测一旦探测到入侵，红外报警器立即把报警入侵信号传输到报警主机，主机接收到报警信号后，会立即启动高分贝警笛现场报警器，红外报警器主机面板上的LED闪烁，同时报警主机还有感应距离调节和报警取消功能。
1.3选红外对射类依据
红外对射：将发射和接收的部件，分两边装，在接收部分负责信号的放大输出。当红外收发电路工作后，当发射和接收之间有物体阻挡了红外光，则会有信号跳变，有输出信号。在聚焦的前提下发射距离远取向性强抗干扰能力强。

第二章红外对射报警器具体设计
2．1红外对射报警器电路的设计要求
（1）红外对射；

（2）报警距离：≥1M；

（3）信号自锁；

（4）带有门铃功能（自由发挥）；
三极管对管构成无稳态振荡电路和自锁开关组成声音与二分频声音振荡选择

2．2红外对射报警器电路结构
红外发射电路

NPN与PNP三极管构成自锁电路

中功率驱动

三极管构成无稳态振荡电路（闪光电路）
复位

红外接收电路

框图分析：从红外对射与控制电路的结构框图中我们可以看出，该电路主要由三大部分构成其中又有：

（1） 红外收发电路。
（2） NPN与PNP三极管构成自锁电路。
（3） 三极管构成无稳态振荡电路。

由框图绘制原理图（图2-1）

第二章
图(2-1）
图(2-1）所示为红外对射报警器的原理图，图中940nm红外信号从红外发射管D1射出经过空气（1m）经过空气传播由红外接收管Q1接收。由NPN与PNP三极管Q2、Q3、Q4构成的自锁驱动电路驱动三极管构成无稳态电路工作进而发出声音和闪光报警。
2. 3电路各部分作用与计算
2.3.1 红外发生电路

图（2-2-）

图（2-3）
作用：由红外发射电路（图2-2）产生足够强度的940nm红外光信号（图2-3），经由空气传播由接收电路接收。在工作过程中940nm红外信号必须稳定持久它是检验被检测空间中是否有障碍的重要介质。由于本报警器的设计思路是简易实用所以工作空间为门后时间为夜晚，所以考虑到电路的抗干扰能力取工作电流38mA，有公式计算得到R15取100Ω。(由于电池串联得到的6V VCC因为电池质量与使用损耗的原因经常达不到6V所以计算时间电源取5V)

2.3.2 红外接收电路

图（2-4）
作用：红外接收电路（2-4）接收940nm红外信号，红外对管接收头Q1等效于光敏三极管。当Q1接收到940nm红外光信号使Q1CE两级电压降低，当红外光信号被阻隔时使Q1CE增大。由于太阳是世界上最大的核反应堆它产生了几乎所有光谱上存在的光线所以虽然在室内但是也有940nm的红外信号所以在设计接收电路时要根据实际情况考虑。在这里由于红外报警器的工作空间为门背后时间为夜晚所以基本上可以不考虑。为了防止电流过大击穿Q1ce、为后级电路提供驱动电流以及降低功耗Q1ic取0.13mA左右。（由于电池串联得到的6V VCC因为电池质量与使用损耗的原因经常达不到6V所以计算时间电源取5V）
有公式可计算与实物样品制作过得出R12取33K 。
2.3.3 自锁驱动与复位电路

图（2-5A）

图（2-5B）

图（2-5C）

图(2-5D)

作用：自锁驱动与复位电路图（2-5）为自锁驱动电路，用multisim 7 仿真时将开关J1等效为理想工作状态下的Q1。在图（2-5）中电路工作的状态表 图（2-6）表达。
表 （2-1）
Q2b
Q2e Q4c Q3b
Q4b Q3c
状态
0
0
5
未触发与自锁
1.4
0.7
0
触发与自锁
0.7
0
5
触发与复位
由仿真原理图 图（2-5）和状态表可以看出来自锁驱动复位电路具有自锁功能和复位优先性，当红外对射电路中的红外信号遭到阻隔时Q1截止且复位开关J2打开Q2b为1.4V ，Q2饱和导通电流Q2ie驱动中功率三极管Q3使Q3饱和导通。当Q3饱和导通时Q3ce为0V，PNP三极管Q4eb为0.7 Q4饱和导通，Q4ic驱动Q3be形成自锁。复位开关J2接Q3be，开关闭合Q3截止实现复位。电路中R3为触发三极管Q2的集电极偏置电阻有分压限流的作用，它为Q3提供基极驱动电流其中 Q2ie为触发驱动电流，Q4ic为自锁触发驱动电流。Q3为中功率三极管C2060饱和导通驱动电流Q3ib取0.2~0.3mA，其最小击穿电流为10mA。所以根据上述公式和三极管参数要求取Q2集电极偏执电阻取R3为33KΩ，Q4发射级偏执电阻取 10KΩ。R5为Q3基极偏置电阻但是在这里起瞬间分流作用，由于三极管为非线性器件且Q4为PNP小功率三极管且BC级击穿电压为6V，在上电的瞬间Q3b级接近于VCC所以有可能瞬间击穿Q4bc一段时间使电路自锁，所以Q5取33KΩ能够起到分流的作用且不会干扰到电路的正常运作。

2.3.4 三五定时器构成无稳态振荡电路
作用：无稳态多谐振荡器是一种简单的振荡电路。它不需要外加激励信号就便能连续地、周期性地自行产生矩形脉冲.该脉冲是由基波和多次谐波构成，因此称为多谐振荡器电路。多谐振荡器可以由三极管构成，也可以用555或者通用门电路等来构成。用两只三极管组成的多谐振荡器，通常叫做三极管无稳态多谐振荡器。
在本例中我们将用两只三极管制作一个多谐振荡器，并用它驱动两只不同颜色的发光二极管。在制作完成时，我们能看到两只发光二极管交替点亮，并且我们可以通过调整电路的参数来调整发光管点亮的时间。
三极管多谐振荡器的电路原理图 图（2-6）：

图（2-6A）
下面我们将简要分析该电路的工作原理：
上图所示为结型晶体管自激或称无稳态多谐振荡器电路。它基本上是由两级RC藕合放大器组成，其中每一级的输出藕合到另一级的输入。各级交替地导通和截止，每次只有一级是导通的。
从电路结构上看，自微多谐振荡器与两级Rc正弦振荡器是相似的，但实际上却不同。正弦振荡器不会进入截止状态．而多谐振荡器却会进入截止状态。这是借助于Rc耦合网络较长的时间常数来控制的。尽管在时间上是交替的，可是这两级产生的都是矩形波输出。所以多谐振荡器的输出可取自任何一级。
电路上电时，Vcc加到电路，由于两只三极管都是正向偏置的故他们处于导通状态，此外，还为藕合电容器Cl和C2充电到近于Vcc电压。充电的路径是由接地点经过晶体管基极，又通过电容器而至Vcc电源。还有些充电电流是经过R1和R2的，从而导致正电压加在基极上，使晶体管导电量更大，因而使两级的集电极电压下降。
两只晶体管不会是完全相同的，因此，即使两级用的是相同型号的晶体管和用相同的元件值，一个晶体管也会比另一个起始导电量稍微大些。
假定Ql的导电量稍大些，由于Ql的电流大，它的集电集电压下降就要比Q2的快些。结果，被通过电阻器R2放电的电容器C2藕台到Q2基极的电压就要比由C1和Rl藕合到Ql基极的电压负值更大些。这就使得Q2的导电量减少，而它的集电极电压则相应地增高了。

图（2-6B）
Q2集电极升高的电压，是作为正电压藕合回Ql基极的。这样，Q1导电更多，从而引起它的集电极电压进一步下降，由于C2还在放电。故驱使Q2的基极电压向负的增大。这个过程继续到最终Q2截止，而Ql在饱和状态下导通为止。此时，电容器C2仍然通过电阻器R对接地点放电。Q2级保持截止直至C2已充分放电使得Q2的基极电压超过截止值为止。然后Q2开始导通，这样就开始了多谐振荡器的第二个半周。
由于Q2开始导通，它的集电极电压就开始下降，导致电容器Cl通过电阻器Rl开始放电，这样，加到Q1基集的是负电压。Q1传导的电流因此而减小，并引起Ql集电极电压升高。这是作为正电压藕合到Q2基极的，于是Q2传导的电流就更大。就象前半周的工作一样，这是起着正反馈作用的，并持续到Ql截止，Q2在饱和状态下导通为止。Q2保留在截止状态，直至C1已充分放电，Ql开始脱离截止状态为止。此时，完整的周期再次开始。
好一级导通时间的长短，取决于另一级截止的时间。也就是取决于C1Rl和C2R2的时间常数RC。时间常数越小转换作用也就越快，因此多谐振荡器的输出频率就越高。就上述的电路来说，两个RC网络的时间常数相同，两个晶体管的导通和截止周期是相等的，故称之为对称的自微多谐振荡器。
当然我们也可以调整C1R1和C2R2不等，使得两只三极管的导通时间不同。
在明白了多谐振荡器的基本原理后，我们就可以利用这个电路控制两个发光二极管交替的闪烁了。
我们可以把Q5和Q6的集电极作为振荡器的输出驱动两个发光管。具体的电路如下 图（2-7）：

图（2-7A）
R3、R7分别为发光二极管D2和D3的限流电阻，这里为200欧姆，取值越小LED将越亮。R3和R6取值10K。
每个灯点亮的时间可以通过对R8*C1，R9*C2用公式T=0.693*R*C计算导通时间得到。T=0.693*10KΩ*10uF=0.0693s (单一点亮时间)
F=1/2T=7.2HZ （闪烁频率为两只三极管的单一点亮时间之和的倒数）

图（2-7B）
同上声音振荡电路还可以通过双刀双掷开关S3来增减RC充放电路中的R以得到频率的变化，这里R11 R13 R14 R12都取的10K根据电阻并联公式可以的到电阻R在并联是减小二分之一频率f增大一倍。
R15为蜂鸣器LS1的限流电阻，这里为200欧姆，取值越小蜂鸣器将越响亮。电路振荡的周期的时间可以通过对R8*C1+R9*C2用公式T=0.693*R*C计算导通时间得到。
T=0.693*10KΩ*0.1uF=0.000693s (半个周期时间)
F=1/2T=720HZ （振荡频率为两只三极管的导通周期之和的倒数）
当自锁开关未按下时1 、2导通电阻R减小一倍，周期T减小一倍，频率F增大一倍为1440HZ。
2.3.5门铃按键与提示灯电路

图（2-8）
作用：如图 图（2-8）中所示当模式开关S3按下时S3 5、6脚导通VCC通过5、6脚对门铃提示灯电路供电，当按下门铃开关S2时门铃提示灯D4持续发光且三极管声音振荡电路通过S2接地发出声音。在这里R取100Ω，R的取值越大D4发出的光越弱。（D4工作电流决定了发光强度可以更据所选的发光器件设定R的值）
2.3.6小结
将各个模块组合我们就得到了一个带有门铃功能的简易红外报警器。我们可以通过双刀双掷自锁开关S3选择让电路是工作在门铃模式还是红外报警模式。
红外报警模式：
开关S3未按下，S3 1、2脚导通4、5脚导通。三极管声音振荡电路输出1440HZ声音，S3 1脚对红外发射电路、红外接收电路、自锁驱动电路、与三极管灯光闪烁电路供电，使其正常工作实现红外报警功能而S3 3、6与电源S3 2脚断开门铃提示灯电路无供电，门铃S2开关按下时输出红外报警器模式声光报警。
门铃模式：
当模式开关S3按下时S3 5、6脚导通VCC通过5、6脚对门铃提示灯电路供电，S3 1、2脚与S3 4、5脚断开电源不能在对红外发射电路、红外接收电路、自锁驱动电路、与三极管灯光闪烁电路供电。

第三章 安装与调试
3 .1根据印制板雕刻铜板
（用电子CAD技术制作的功放印制板图）
（用电子CAD技术制作的功放印制板图）

（用电子CAD技术制作的功放印制板图）

根据红外报警器图雕刻印制电路板，通过仔细的雕刻与腐蚀，然后检查线路有无断路的情况，如果电路板无误，就进行打孔。打孔时必须确保准确无误，为了元器件的安装。孔的大小需与所安装的元器件大小一致，并保证焊盘足够大。按元器件时才不会短路或断路。
3. 2测试与安装元器件
首先用万用表测量所有需要安装的元器件是否正常，若所有元器件均是良好的。就对照印制板安装元器件,功放部分的元器件均装于功放图印板上。要注意功放图表示的是正面元件安装面，因选用元件大小未必一致，所以我们在制作印板时把实物在图上试排了一下，并对布线间隔做了适当的调整。以求元器件间布置均匀美观。电源部分的安装与布局也是如此。
3. 3进行调试与故障的检修
在进行调试与检修之前，检查元件有无装错或接反的现象，并检查线路有无短路或断路现象，还要仔细观察有无虚焊。检查一切无误后，方可通电调试。
红外收发故障:
实例一：R1 R2 R3等均无电压模式开关S3以切换，测模式开关S3 1 、2、3、4、5、6脚电压。测试得到2、4脚为VCC3、6、1无电压4为VCC，关电测引脚之间电阻均不为零。取下S3测试引脚间电阻无穷大，S3开关损坏。
实例二：红外发射电路输出正常接收端Q1c级电压为1.4，将红外对管矫正对射角度恢复正常。
自锁故障：
实例一：电路不能自锁只有在红外信号被阻隔时报警，当障碍物拿开报警停止。测试自锁PNP三极管Q4eb为零Q4ec接近于VCC，关电1Ω档测得Q4eb为0，Q4ec接近于无穷，将Q4取下用1KΩ档测得Q4eb短Q4ec断。
三极管无稳态振荡故障：
检修流程：供电——供电电阻是否短断——三极管是否短断——电容是否损坏
3. 4 最终数据表
三极管型号和参数
表（3-1）
元件编号
型号
极性
耐压
电流
功率
Q2
S9014
NPN
50V
0.1A
0.4W
Q3
C2060
NPN
32V
2A
0.75W
Q4
A1015
PNP
50V
0.15A
0.4W
Q5
S9014
NPN
0.1A
0.1A
0.4W
Q6
S9014
NPN
50V
0.1A
0.4W
Q7
S9014
NPN
50V
0.1A
0.4W
Q8
S9014
NPN
50V
0.1A
0.4W
2、红外对管与二极管
表（3-2）
元件编号
型号
反相耐压
电流
功率
D1
IR33-A
5V
30~60
0.69w
Q1
BPV10NF
50v
0.2A
0.8w
D2
GL3HS44
5V
10mA
0.15w
D3
GL3HS44
5V
10mA
0.15w
D4
5TWCCAS
5V
20mA
0.3w
3、各电阻参数
表（3-3）
电阻编号
阻值
功率
电阻编号
阻值
功率
R1
100
1/4W
R9
10K
1/8W
R2
33K
1/8W
R10
10K
1/8W
R3
33K
1/8W
R11
10K
1/8W
R4
10K
1/8W
R12
10K
1/8W
R5
10K
1/8W
R13
10K
1/8W
R6
200
1/8W
R14
10K
1/8W
R7
200
1/8W
R15
200
1/8W
R8
10K
1/8W
R
100
1/4W
机械开关
表（3-4）
型号
耐压
耐流
TS66HM
12v
50mA
KFTM7.0M
250v
1.5A
根据调试的结果可以看出原件的参数对电路的影响巨大，在购买元件时一定要选择合适的耐压与耐流否则容易引起电路故障。

第四章 总结
通过这一两个月的毕业设计，我从中学到了很多以前我没学好的知识。从最初的茫然，到后来的得心应手其中有太多的过程值得回味。
始进入设计电路阶段，我开始到网上资料，可方向不明确的我，不知道选择什么样的电路，才能把做出红外报警。问题出来了，我该怎么办呢？我要怎样设计我的电路呢？就在我不知道怎么办时，这时我想到了找老师。对以思维混乱的我，老师的话给了我非常大的启发“现在你需要实现的红外报警器的功能是什么，根据你的需要设计每一部分电路”。老师的话提醒了我做事不能好高骛远，在接下来的一段时间我先是上网查看别人的红外报警器的设计思路。在观看他人设计的时候我发现虽然红外报警器有着很大的前景但是大多素的普通人对红外报警器的了解并不够，所以他们往往不会选择购买红外报警器就更别提区分其中的好坏了。最终我将我的红外报警器定位在一个适用于普遍大众的基础上，并且功能简单实用价格便宜不易损坏。
最终我将简单的红外报警功能与门铃功能集合到我的红外报警器中。在电路的设计中我采用了模块化设计的思路针对具体的功能，设计电路模块在整合修改，经过最简答功能的实现到多步骤功能的统一最终完善整体电路的设计方案。在方案确定以后我网购了所需的元件，安装并调试电路。在调试电路的过程中我遇到课很多的问题，如接线错误红外发射管件装反等。其中有一个问题靠自己的能力始终没有解决，在老师的帮助下终于解决了上电瞬间电路自锁的问题。原来是PNP三极管BC级反向击穿的问题，三极管作为一种非线性元器件它和其它的一些非线性元器件的使用和调试需要我们更加丰富的基础知识和灵活的思路。在这次毕业设计的过程中它检验了我两年的来的学习，是对我所学知识的一次整合更开阔了我的眼界。

第五章 致 谢
首先我要感谢吕宁老师在这次毕业设计中对我的悉心指导，他给了我一个前进的方向是我能够在毕业设计最初的时候有了一个好的开始。在接下来的设计过程中我还要感谢吴侃老师对我的指导，他在百忙之中抽空帮我解决了设计过程中一个重要的缺陷。其次还要感谢同学们再设计过程中对我的无私帮助。
在三年的大学生活中我收到了太多的帮助来自于老师与同学，还有那些不认识的陌生人。但是我最需要感谢的是我的父母他们辛苦的养育是我长大成人，他们的辛苦工作才换来了读书的机会。然后我应该感谢的是我们伟大的祖国是它庇佑着我们让我们能够在这片土地上幸福的生活与学习。最后我要感谢我的老师他们不光教会了生存在这个世界上的知识更教会了我做人的道理，是他们的无私奉献让我们的社会进步使我们的文化得到传承。在这里再次感谢我的父母！我的祖国！以及我们可爱的老师！

参考文献
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