资源描述
资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。
目 录
1绪论…………………………………………………………………………….........................................1
1.1 前言………………………………………………………………………………………………………………………….1
1.2 整体电路的设计思路………………………………………………………………………………………………1
2设计内容及要求………………………………………………………………………………………………….1
2.1设计任务及要求………………………………………………………………………………………………………..1
2.2总体方案设计……………………………………………………………………………………………………………2
2.3主要器件介绍……………………………………………………………………………………………………….…..2
3单元电路设计及工作原理分析……………………………………………………………………………8
3.1红外线发射电路………………………………………………………………………………………………………..8
3.2 红外线接收电路………………………………………………………………………………………………………..8
3.3单稳态触发电路………………………………………………………………………………………………………..8
3.4多谐振荡电路………………………………………………………………………………………………………....10
3.5功率放大电路………………………………………………………………………………………………………....10
4软件的设计…………………………………………………………………………………………………….…12
5安装调试……………………………………………………………………………………………………………15
6系统功能指标参数…………………………………………………………………………………………...15
7设计总结…………………………………………………………………………………………………………..16
8参考文献…………………………………………………………………………………………………………..17
9.1总电路图………………………………………………………………………………………………………………..……17
9.2总电路图的仿真图………………………………………………………………………………………………………19
1 绪论
1.1 前言
随着中国社会和经济的发展, 百姓的收入水平不断提高, 私有财产的迅速积聚, 从而使得安全与健康成为富裕起来的人们最为关注的两大热点, 家庭安全保障首当其冲, 此为防盗产品风火而起的第一机会点; 各地政府对安全问题的高度重视, 以及为创立文明城市、 花园城市、 改进城市形象吸引投资等政府行为需要, 出台拆除金属防盗网的政策, 为此, 对保障安全的防盗产品有很好的发展前景。红外线报警器用途非常广泛, 不但能够用于私家的住宅、 车辆的安全防盗, 也能够用于企事业单位厂房、 贵重物品等防盗, 省去了过去的大量金属电网等等它的设计对于安全防盗是非常有必要的。
红外线防盗不但设计比较简单, 其适用范围还非常的广泛, 防盗效果比较好, 安全准确, 因此它
的设计显得比较重要。
1.2 整体电路的设计思路
红外线报警器研究的是防盗报警系统, 如何运用简单的电子元件实现报警功能。
整体电路设计思路:
红外线发射器由IC1( NE555组成的多谐振荡器) R1、 R2、 C3等元件组成振荡频率为38kHZ的
多谐振荡器, VL是红外线发射探头, 其38kHZ高频信号由它向外辐射。VDL是红外线接收探头, 它与IC2( NE555) 组成红外线接收、 整形和放大电路, 放大后的红外线信号变成电脉冲信号。IC3( NE555组成的单稳态触发器) 及周围元器件组成报警执行电路。当VDL接收VL辐射的红外光束, 红外线接收专用前置放大集成电路IC2的信号输出端7脚为低电平。VT为截止状态, IC3的2脚为高电平, 3脚为低电平输出, 因此后面的电路不会工作。当有人挡住红外光时, 在挡住的瞬间C×2060Ａ输出端７脚即转为高电平, 从而使T1导通单稳态电路开始工作, 使得扬声器发出声音报警, 大约36秒后,IC3置位使3脚又转为低电平, 报警声停。当红外线又被挡住时, 报警电路再次工作。
2 设计内容及要求
2.1 设计任务及要求
设计任务: 设计红外线报警器电路
设计要求:
（1） 设计一个较简易的红外线报警器, 本电路广泛适用于各种报警场合。
（2） 当有人遮挡住红外线时, 报警器发出响亮的报警声, 声音持续一分钟左右。如果红外线再次被遮挡, 再次报警。
（3） 设计红外线发射、 接收电路( 包括信号的整流和放大) 单稳态电路。
（4） 完成总的电路图和仿真图。
2.2 总体方案设计
红外线报警器的报警原理: 经过红外线被遮挡发出一定的报警声。红外线的发射的发射装置是一个由NE555组成的多谢振荡电路, 红外线的接收装置由一片专门用来接收红外线的集成芯片C×2060A构成并对信号进行整流和放大, 再经过一个三极管T决定信号是否输入后面的单稳态电路, 多谐振荡电路的输出信号驱动扬声器发声, 单稳态电路还控制报警声的长短。
图2.1系统结构
2.3主要器件介绍
设计当中运用到的元件以及其功能简介:
元件清单如表2-1
元件名称
数量
元件名称
数量
NE555芯片
3块
C×2060A
1块
电阻
12个
电容
11个
三极管
1个
蜂鸣器
1个
干电池
4节
导线
若干
开关
1个
运算放大器
1个
1、 555的内部结构:
图2.2 555的内部结构图
555为—8脚封装的器件, 其各引脚的名称和作用如下:
表2-2 555的引脚功能表
引脚序号
符号
功能
①
GND
接地端
②
TL
低电平触发端
③
Q
电路的输出端
④
/RD
复位端, 低电平有效
⑤
V_C
电压控制端
⑥
TH
高触发端
⑦
DIS
放电端
⑧
VCC
正电源端, 其电压范围为: 5~16V
表2-3 NE555功能表
输入
输入
输入
输出
输出
TH
TL
/RD
Q
放电管状态
×
×
0
0
导通
>2/3Vcc
>1/3Vcc
1
0
导通
<2/3Vcc
>1/3Vcc
1
保持不变
保持不变
>2/3Vcc
>1/3Vcc
1
0
导通
<2/3Vcc
<1/3Vcc
1
1
截止
555组件接上适当R、 C定时元件和连线, 可构成施密特触发器、 单稳态触发器和多谐振荡器等电路。在外加输入信号的作用下, NE555的功能如表2-2所示, 其中×表示任意状态。
NE555的功能有:
( 1) 只需简单的电阻器、 电容器, 即可完成特定的振荡延时作用。
( 2) 它的操作电源范围极大, 可与TTL, CMOS等逻辑闸配合。
( 3) 其输出端的供给电流大, 可直接推动多种自动控制的负载。
( 4) 它的计时精确度高、 温度稳定度佳, 且价格便宜。
参数功能特性: 供应电压4.5-18V: 供应电流3-6mA: 输出电流225mA( max) : 上升/下降时间100ms。2、 C×2060A芯片
这是一款红外线检波接收的专用芯片, 常见于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常见的载波频率38kHz 与测距超声波频率40kHz 较为接近, 能够利用它作为超声波检测电路。
实验证明, 其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当改变C1 的大小, 可改变接收电路的
灵敏度和抗干扰能力。R1和C1控制CX 6A内部的放大增益, R2 控制带通滤波器的中心频率。一般取R1=4.7 Ω, C1=1μF。其余元件按图4 取值。US_R1 为超声波接收头, 当收到超声波时产生一个下降沿, 接到单片机的外部中断INT0 上。当超声波接收头接收到40kHz 方波信号时, 将会将此信号经过CX 6A 驱动放大送入单片机的外部中断0 口。单片机在得到外部中断0 的中断请求后, 会转入外部中断0 的中断服务程序进行处理, 在移动机器人的避障工作中, 能够在中断服务程序设定需要单片机处理的最短距离, 比如0.5m。对于距离大于0.5 m 的障碍物, 能够不做处理直接跳出中断服务程序; 对于距离小于或等于0.5M。
( 1) 特性
C×2060A是日本索尼公司生产的彩电专用红外遥控接收器, 采用单列8脚直插式, 超小型封装, +5V供电。
( 2) 内部方框图
图2-3 C×2060A芯片
表2-4 引脚功能与维修数据
脚位序号
符 号
功 能
直流电压( V)
对地电阻( kΩ)
备注
开机
待机
红笔接地
黑笔接地
①
IN
红外信号输入端
1.5
1.25
13.2
4.2
②
C1
增益调节端
1.4
1.5
15.1
9.8
③
C2
检波端
2.2
1．25
13.2
10.1
④
GND
接地端
0
0
0
0
⑤
fo
带通滤波器调整端
1.1
1.2
15.1
10.2
⑥
C3
积分端
1.0
1.2
15.5
10.1
⑦
OUT
信号输出端
2.8
3.5
13.6
9.2
电压有波动
⑧
Vcc
电源端
5.0
5.0
4.0
3.8
1脚: 超声信号输入端, 该脚的输入阻抗约为40kΩ。
2脚: 该脚与地之间连接RC串联网络, 它们是负反馈串联网络的一个组成部分, 改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R1或减小C1,将使负反馈量增大, 放大倍数下降, 反之则放大倍数增大。但C1的改变会影响到频率特性, 一般在实际使用中不必改动, 推荐选用参数为R1=4.7Ω, C1=1μF。
3脚: 该脚与地之间连接检波电容, 电容量大为平均值检波, 瞬间相应灵敏度低; 若容量小, 则为峰值检波, 瞬间相应灵敏度高, 但检波输出的脉冲宽度变动大, 易造成误动作, 推荐参数为3.3μf。
4脚: 接地端。
5脚: 该脚与电源间接入一个电阻, 用以设置带通滤波器的中心频率f0, 阻值越大, 中心频率越低。例如, 取R=200kΩ时, f0≈42kHz, 若取R=220kΩ, 则中心频率f0≈38kHz。
6脚: 该脚与地之间接一个积分电容, 标准值为330pF, 如果该电容取得太大, 会使探测距离变短。
7脚: 遥控命令输出端, 它是集电极开路输出方式, 因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端, 推荐阻值为22kΩ, 没有接受信号是该端输出为高电平, 有信号时则产生下降。
8脚: 电源正极, 4.5～5V。
3、 LM386芯片
LM386是一种音频集成功放, 具有自身功耗低、 电压增益可调整、 电源电压范围大、 外接元件少和总谐波失真小等优点, 广泛应用于录音机和收音机之中。
LM386是1.5W的音频功率放大器, 最大能够到2W, 能够不接多少元件就能够工作, 比如直流下, 第2,4脚接地, 3脚输入信号, 第5脚接个隔直电容输出到喇叭, 第6脚接电源+就能够工作! 交流整流的供电时, 1,8脚间接个10uF的电容LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。
特性: 静态功耗低, 约为4mA, 可用电池供电, 工作电压范围宽, 4-12V或5-18V; 外围元减少; 电压增益可调, 20-200, 低失真度。
图2-4 LM386芯片
2脚为反向输入端
3脚为同向输入端
4脚为接地端
5脚为输出端
6脚为电源端
7脚为旁路端
3脚和8脚为电压增益设定端
3 单元电路设计及工作原理分析
3.1红外线发射电路
红外线发射器由IC1, R1, C3等元件组成振荡频率为40KHZ的多谐振荡器, VL是红外线的发射探头, 此装置辐射出40KHZ的高频信号。
3.2 红外线接收电路
VDL是红外线的接收探头, 它与IC2组成红外线接收、 整形和放大电路, 放大后的红光外线信号变成电脉冲信号。当VDL接收VL辐射的红外光束时, 红外线接收专用前置放大集成电路IC2 的信号输出端7脚为低电平。
CX 6A集成电路对接收探头受到的信号进行放大、 滤波。其总放大增益80db。这是一款红外线检波接收的专用芯片, 常见于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常见的载波频率38kHz 与测距超声波频率40kHz 较为接近, 能够利用它作为超声波检测电路。
实验证明, 其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当改变C1 的大小, 可改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。R1 和C1 控制CX 6A内部的放大增益, R2 控制带通滤波器的中心频率。一般取R1=4.7 Ω, C1=1μF。其余元件按图4 取值。US_R1 为超声波接收头, 当收到超声波时产生一个下降沿, 接到单片机的外部中断INT0 上。当超声波接收头接收到40kHz 方波信号时, 将会将此信号经过CX 6A 驱动放大送入单片机的外部中断0 口。单片机在得到外部中断0 的中断请求后, 会转入外部中断0 的中断服务程序进行处理, 在移动机器人的避障工作中, 能够在中断服务程序设定需要单片机处理的最短距离, 比如0.5m。对于距离大于0.5 m 的障碍物, 能够不做处理直接跳出中断服务程序; 对于距离小于或等于0.5M.
3.3单稳态触发电路
电路的输出状态仅一种稳定的状态, 而另一个状态为暂态, 当外界触发使输出进入暂态后其经过一个短暂的时间后输出又回到了稳态。
没有触发信号时Vi处于高电平( Vi>Vcc/3) , 如果接通电源后Q=0, Vo=0,T导通, 电容经过放电三极管T放电, 使Vc=0,Vo保持低电平不变。如果接通电源后Q=1, 放电三极管T就会截止, 电源经过电阻R向电容C充电, 当Vc上升到2Vcc/3时, 由于R=0, S=1, 锁存器置0, Vo为低电平。此时放电三极管T导通, 电容C放电, Vo保持低电平不变。因此, 电容通电后在没有触发信号时, 电路只有一种稳定状态Vo=0。
若触发输入端施加触发信号( Vi<Vcc/3) , 电路的输出状态由低电平跳变为高电平, 电路进入暂稳态, 放电三极管T截止。此后电容C充电, 当C充电至Vc=2Vcc/3时, 电路的输出电压Vo有高电平翻转为低电平, 同时T导通, 于是电容C放电, 电路返回为稳定状态。
图3.1 单稳态触发电路
电路参数: R9=1MΩ C6=33µF C7=0.01µF Vcc=5~12V
电容C6的充电时间Tw=1.1R9C6 单稳态延时时间, 即为报警时间, 大约一分钟。
3.4多谐振荡电路
当接通电源Vcc时, 电容C被充电, 当Vc上升到2Vcc/3时, 使Vo为低电平, 同时放电三极管T导通, 此时电容C经过R11和T放电, Vc下降。当Vc下降到Vcc/3时, Vo翻转为高电平。电容C放电所需时间为Tpl=R11C㏑2≈0.7R11C
当放电结束时, T截止, Vcc将经过R10、 R11向电容C充电, Vc由Vcc/3上升到2Vccc/3所需时间为Tph=(R10+R11)C㏑2≈0.7(R10+R11)C 当Vc上升到2Vcc/3时, 电路又翻转为带电平。由于555定时器内部的比较器灵敏度较高, 而且采用差分电路形式, 用555定时器组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。
图3.2 NE555构成的多谐振荡电路
电路参数: R10=5.1KΩ R2=5.1KΩ C8=0.01uF C9=0.01uF
充电时间: T1=0.7( R10+R11) C
放电时间: T2=0.7R11C
3.5 功率放大电路
功率放大电路一般作为多级放大电路的输出级。要求放大电路有足够大的输出功率。这样的放大电路统称为功率放大电路。
功率放大电路的主要特点是:
( 1) 电路的输出功率大;
( 2) 希望电路损耗小, 因此要求电路的效率高;
( 3) 因为功率放大电路的工作信号都比较大, 很容易产生信号失真, 因此要求电路的非线性失真小;
功率放大电路的特殊问题:
放大电路的作用是将放大后的信号输出, 并驱动执行机构完成特定的工作, 执行机构一般称为电路的负载。不同的负载有不同的功率, 放大器要驱动负载必须输出相应的功率。能够向负载提供足够输出功率的电路称为功率放大器, 简称功放。
电压放大器的任务是放大输入电压, 而功率放大电路是放大输入功率。功放电路在工作过程中, 不但追求输出高电压, 而且要追求在电源电压确定的情况下, 输出尽可能大的功率。因此, 功率放大电路中包含一系列在电压放大电路中所没出现过的特殊问题, 这些问题是:
( 1) 尽量大的输出功率
为了实现尽量大的输出功率, 要求功放管的电压和电流都要有足够大的输出幅度, 因此极管往往工作在极限的状态下。
( 2) 允许适当的非线性失真
工作在大信号极限状态下的三极管, 不可避免的会产生非线性失真, 而且同一个三极管, 输出公
率愈大, 非线性失真愈严重, 功放管的非线性失真和输出功率是一对矛盾。在不同的应用场合处理这对矛盾的方法不同。
( 3) 功放管的散热
在功率放大器中, 因功放管的集电极电流较大, 因此, 因此功放管的集电极将消耗大量的功率,
使功放管的集电极温度升高。为了保护功放管不会因温度太高而损坏, 必须采取适当的措施对功放管进行散热。
图3.3 音频功率放大电路
参数如下: C10=0.05uF C11=250uF R12=10KΩ Rl=8Ω P=0.125W
LM386芯片 Vcc=2.4V 输入波形的幅值是4.024
计算公式: Pom=Vcc ²/32 ½Rl ∵Pom=0.125W Rl=8Ω ∴Vcc=2.4V
Vim=Vcc/8 ½Av ∵Vcc=2.4V ∴Vim=4.024
振荡电路产生的微弱信号经LM386芯片构成的集成功率放大电路放大20倍驱动P=0.125W、 Rl=8Ω的扬声器发出报警声, 经过RW调节扬声器的音量。
4 软件的设计
本次调试主要使用protues仿真。
Protues软件介绍
Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作
系统上, 能够仿真、 分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路。该软件的特点是:
1.实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、 数字电路仿真、 单片机及其外围电路组成的系统的仿真、 RS232动态仿真、 I2C调试器、 SPI调试器、 键盘和LCD系统仿真的功能; 有各种虚拟仪器, 如示波器、 逻辑分析仪、 信号发生器等
2.支持主流单片机系统的仿真。当前支持的单片机类型有: 68000系列、 8051系列、 AVR系列、 PIC12系列、 PIC16系列、 PIC18系列、 Z80系列、 HC11系列、 ARM7系列以及各种外围芯片。
3.提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、 单步、 设置断点等调试功能, 同时能够观察各个变量、 寄存器等的当前状态, 因此在该软件仿真系统中, 也必须具有这些功能; 同时支持第三方的软件编译和调试环境, 如Keil C51。
4.具有强大的原理图绘制功能。
5.PCB设计以及自动布线。
革命性的特点
1.互动的电路仿真
用户甚至能够实时采用诸如RAM, ROM, 键盘, 马达, LED, LCD, AD/DA, 部分SPI器件, 部分IIC器件。
2.仿真处理器及其外围电路
能够仿真51系列、 AVR、 PIC、 ARM、 等常见主流单片机。还能够直接在基于原理图的虚拟原型 上编程, 再配合显示及输出, 能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、 示波器等, Proteus建立了完备的电子设计开发环境。
Protus仿真
1、 打开Proteus的集成环境, 点击文件, 新建设计, 根据元件明细表中的元件, 点击P, 进入工作界面。
2、 在keywords中输入所找的元件名单, 然后点击右下角的OK, 元件被添加了。
3、 依次放好元件, 使元件摆放美观。
4、 连接电路, 在需要连接的元件接线处, 点击左键, 移动鼠标, 可看到导线的出现,
再在导线的另一端在另一个元件的端点处点击, 从而连接了电路。
protues仿真图见附9.2
实验调节:
在Proteus环境版面中点击左下角, 如图所示 点击, 系统开始运行, 如有出错, 则系统将报错, 点击报错处, 查找出错原因, 予以改正, 当蜂鸣器响时, 此调试已经成功。
1. 单稳态电路仿真
点击后, 再点击电路中左下角开关( 输入低电平) , 单稳态触发器仿真测试图如下图:
图5.1 单稳态触发器仿真测试图
可见示波器黄色波形为输入的低电平, 绿色波形为u1的输出。
2. 多谐振荡器仿真
经过仿真可知u2输出为方波, 如图5.2:
图5.2多谐振荡器仿真测试图
5 安装调试
原理了解后, 进行安装之前, 首先要运用所学知识用万用表对发下来的元器件进行校对检验, 确保电路的元器件都是好的, 再对焊接板进行元器件整体布局, 以达到线路整洁, 布局美观。接下来就要进行焊接, 整个焊接的过程是需要耐心的, 特别是在高温下使用电烙铁需格外小心, 避免烫伤灼伤。尽量减少两条线路的共同焊接处, 防止焊接不当造成不必要的短路与断路, 最后将接地与接输入正极的电线引出, 便于后期的调试与检查。
第一次调试时, 接入电源, 蜂鸣器作响, 检查电路后发现自己不经意间将第二个555的4脚与电源正极相接; 还有第一个555的2脚与6, 7脚相接了, 致使电路出现故障。
重新焊接后再次对电路进行检查, 有无虚焊漏焊的地方, 用万用表检查了各器件的好坏, 而且讲各器件的引脚剪掉, 避免较长相互接触, 造成不必要的短接。
最后电路接通后, 用手挡住红外线时, 蜂鸣器作响时间大约为36秒, 36秒后蜂鸣器不响, 再次挡住红外线时, 蜂鸣器再次发出响声, 电路调试成功。
6 系统功能指标参数
系统的功能: 运用红外线的发射电路、 接收电路、 单稳态电路、 多谐振荡电路、 音频功率放大电路组成一个具有报警功能的红外线报警电路。其用途非常广泛, 它可直接安装在房门、 保险柜和防盗物上进行探盗报警, 也可安装在楼道等小偷必经之路进行探盗报警。安装时注意位置( 高度、 隐蔽性等) 选择, 而且红外线收、 发头应正对探测区域来人或来物最灵敏, 最可靠部位。该报警器有效探测距离可达到2．5m。
参数指标: 本电路用到12个电阻, 11个电容, 3个NE555, C×2060A芯片1片、 LM386芯片1片、 蜂鸣器1个。
其参数大小见表6-1
表6-1电路中的元器件参数表
元器件名称
取值或型号
电阻
电容
三极管
运算放大器
蜂鸣器
序号
①
20KΩ
560pF
为9013型
为LM386型
R1=8Ω
P=0.125W
②
20KΩ
1µF
③
100Ω
3.3µF
④
4.7Ω
300µF
⑤
200KΩ
1µF
⑥
10KΩ
33µF
⑦
5.7KΩ
0.01µF
⑧
10KΩ
0.01µF
⑨
1MΩ
0.01µF
⑩
5.1KΩ
0.05µF
⑪
5.1KΩ
150µF
⑫
10KΩ
7 设计总结
这次的数字电子课程设计, 是安排在临近期末复习阶段, 虽说时间安排有点紧, 但这短短的十天左右的时间里, 我学会了很多, 收获颇多。这次得课程设计正好给了我一次温习书本的机会, 对加深理解书本上的理论知识有了很大的帮助。这是我第一次做课程设计, 第一次做课程设计, 很多的知识虽然学过, 可是要系统的应用到一起还真是遇到了不少的困难, 电路的设计、 内容的编写、 软件的应用(word、 protel、 isis)、 系统的调试, 这些东西都需要自己去想办法去解决, 无论是查资料还是问同学再或者是请教老师, 整个课程设计需要我们独立自主设计电路, 找出问题, 解决问题, 让我们在实践中合理运用理论知识, 用理论联系实际的思路思考问题, 提高了独立的思考问题和解决问题的能力。而且掌握与巩固了一些电工最基本的技能要求, 还了解元器件的工作原理与工作坏境, 熟悉她们的内部结构, 对以后更好地掌握电子知识打下良好的基础。这对以后的课程设计再或者是毕业设计作下了一个铺垫, 有了这次的经历, 以后的课程设计会显得轻车熟路吧! 至少知道应该怎样来完成一次设计, 简单合理的电路图, 精细的仿真, 细心的写报告, 这是一次难能可贵的经历。这次的课程设计还培养了我团队协作精神, 大家在一起有什么问题一起讨论, 一起解决, 比一个人单干好多了, 让我以后有足够的勇气去迎接更大的困难与挑战, 是一次非常难得的学习经历。
8 参考文献
[1] 康光华.电子技术基础( 模拟部分) [M].北京: 高等教育出版社, .1
[2] 康光华.电子技术基础( 数字部分) [M].北京: 高等教育出版社, .1
9 附
9.1 总电路图
9.2总图的仿真图
展开阅读全文
浙ICP备2021020529号-1 | 浙B2-20240490 
