仓库用报警器报告.doc

传感器与检测技术课程设计

仓库用红外二极管感应报警
电路分析与制作

姓 名: 陈雨晴
班 级: 14电二
学 号: 14020407
同组成员:高越、朱佳丽、仲宇星
指导老师: 张刚兵
考核成绩:

2017年6月

第1章 前言....................................................1
第2章仓库用报警电路的设计.....................2
2.1 设计的基本原理..........................................2
2.2 报警电路的工作原理......................................2
2.3硬件电路设计.............................................3
2.3.1 电源电路的设计......................................3
2.3.2 主机电路的设计..............................3
2.3.3红外感应电路的设计...................................4
2.3.4 声音输出、显示电路的设计.............................5
2.4系统硬件电路的选择.......................................6
第3章 实物图介绍..............................................7
3.1实物的整体介绍...........................................7
3.2实物报警器的调试与操作...................................8
3.3实物正反焊接图...........................................9
第4章 结论...................................................10
第5章 心得体会...............................................10
参考文献......................................................12
附录1 电路PCB图..............................................13
附录2 元器件清单...................................14

第1章 前言
仓库是企业成品的放置区，要注意好防盗，避免造成损失。经济的快速发展同时也导致了贫富差距的扩大，流动人口也越来越多，盗窃、抢劫的案件有所增加。就此，人们就需要一种自动控制，自动报警的装备，对家庭进行安全保护。红外线是一种不可见光，具有很强的隐蔽性，因此在安全警报等安全设备上得到广泛使用。大多数红外报警系统采用国外先进的技术，功能全面，包括被动式热释电红外报警，也是本文研究的产品。
人们为了得到更安全的生活环境，越来越多的家庭开始安装使用智能防盗产品。报警器在现实生活中应用非常的广泛，家庭防火，汽车安全防火，企业内部安全保障，特别是金融行业等。
红外线报警器是紧跟着光敏传感器和物体的红外效应而出现的。美国军方是最早使用红外探测技术的国家，上世纪美国军方研制出以主动红外方式导引的精确制导炸弹，这可能是红外探测物体最早应用的实例。我国发展红外报警系统的时间起步比较晚，直到上世纪末才出现对红外报警系统的研究。但是这并没有阻碍我国红外技术的进步，从2000年开始，全国各地出现了大小不等的红外传感器研发销售公司，这为红外传感器的迅速发展起着关键性作用。现在我国红外传感器广发应用在银行，重要工厂，甚至走进了普通的家庭，但是研究更加简易，低价格，高性能的被动式红外传感器仍然需要科技的进步。
在本文中，设计的仓库用报警器的功能要求如下：
（1）探测距离：大于150mm；
（2）探测波长：近红外波长；
（3）探测温度：超过40℃火焰传感器报警；
（4）操作功能：可以实现当红外发光体移动到红外发射管VD1和红外接收管VD2的上面时，蜂鸣器发声，发光二极管点亮。当红外发光体离开红外发射管VD1和红外接收管VD2的上面时，蜂鸣器停止发声，发光二极管熄灭，产生了感应手的效果。
仓库用火警报警器的产品设计要求：
（1）报警器能够稳定可靠的运行，减少误报或不报警情况发生。
（2）拥有简单、小巧的外观，要节约空间。
（3）拥有智能化的设计，方便使用者的撤退。
第2章 仓库用防盗报警器的设计
2.1 设计的基本思路
先将探测器安装在用户需要防范的地方，如门窗、天窗旁边，其次将系统处于通电，当外来人入侵时，经过探测器的红外传感器的监视范围时，与之相应的报警探测器会发出报警信号，启动件现场声(蜂鸣器)报警，发光二极管发出红光。

图2.1 系统组成框图
2. 2 报警电路的工作原理
具体电路图见下文，报警电路的工作原理：通上5V电源，红外发射管D1导通，发出红外光（眼睛是看不见的），如果此时没有用手挡住光，则红外接收管D2没有接受到红外光，红外接收管D2仍然处于反向截止状态。红外接收管D2负极的电压仍然为高电平，并送到LM358的3脚。LM358的2脚的电压取决于可调电阻R3，只要调节可调电阻R3到合适的时候（用万用表测量LM358的2脚的电压大概为2.5V左右），就能保证LM358的3脚的电压大于LM358的2脚的电压,根据比较器的工作原理,当V+ > V-的时候, LM358的1脚就会输出高电平，并通过限流电阻R4送到PNP型三极管V1、V2的基极，致使三极管V1、V2截止，蜂鸣器Y1不发声，发光二极管D3熄灭。当用手靠近红外发射管D1时，将红外光档住并反射到红外接收管D2上，红外接收管D2接受到红外光，立刻导通，使得红外接收管D2负极的电压急速下降，该电压送到LM358的3脚上。LM358的3脚电压下降到低于2脚的电压，根据比较器的工作原理,V+ < V-的时候, LM358的1脚就会输出低电平，并通过限流电阻R4送到PNP型三极管V1、V2的基极，致使三极管V1、V2导通蜂鸣器Y1发声，发光二极管D3点亮。通过以上调试，就可以实现当手移动到红外发射管D1和红外接收管D2的上面时，蜂鸣器发声，发光二极管点亮。当手离开红外发射管D1和红外接收管D2的上面时，蜂鸣器停止发声，发光二极管熄灭，产生了感应手的效果
特别说明：因为太阳光含有大量的红外光，因此如果红外接收二极管对到太阳光，也会误认为接收到了红外线。因此在阴暗处或者晚上调试效果最明显。
2.3硬件电路设计
硬件设计主要包括仓库用红外二极管感应电路、电源电路、信号处理电路、人工控制电路、显示电路等部分组成。
2.3.1 电源电路的设计
电源设计基本分为两种，一种是电源通过USB接口，将220V的交流电经过整流滤波，得到5V和9V的直流电；另一种就是直接外接5V的直流电，如蓄电池。本系统的电源就是直接外接蓄电池，得到需要的直流电压。
2.3.2 主机电路的设计
报警器的主机是采用LM358来实现的。LM358是双运算放大器。内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

图2.1 LM358引脚示意图

图2.2主机部分原理图
主机部分的原理电路图如图所示，由可调电阻R3和通用运算放大器LM358为核心。
2.3.3 红外感应电路的设计

图2.3红外感应电路电路
红外感应电路如图所示，红外感应电路以红外发射管D1、红外接收管D2为核心。
红外发射管也称红外线发射二极管，属于发光二极管。它是可以将电能直接转换成近红外光（不可见光）并能辐射出去的发光器件，主要应用于各种光电开关及遥控发射电路中。红外线发射管的结构、原理与普通发光二极管相近，只是使用的半导体材料不同。红外发光二极管通常使用砷化镓（GaAs）、砷铝化镓（GaAlAs）等材料，采用全透明或浅蓝色、黑色的树脂封装。
红外线发射管也称红外线发射二极管，由红外发光二级管组成发光体。红外发射二级管由红外辐射效率高的材料（常用砷化镓（GaAs）、砷铝化镓（GaAlAs）等材料）制成PN结，外加正向偏压向PN结注入电流激发红外光。光谱功率分布为中心波长830～950nm，半峰带宽约40nm左右，它是窄带分布，为普通CCD黑白摄像机可感受的范围。其最大的优点是可以完全无红暴，（采用940～950nm波长红外管）或仅有微弱红暴（红暴为有可见红光）和寿命长。
红外发光二极管的发射功率用辐照度μW/cm2或者mW/m2表示。一般来说，其红外辐射功率与正向工作电流成正比，但在接近正向电流的最大额定值时，器件的温度因电流的热耗而上升，使光发射功率下降。红外二极管电流过小，将影响其辐射功率的发挥，但工作电流过大将影响其寿命，甚至使红外二极管烧毁。
当电压越过正向阈值电压（约1.0V左右）电流开始流动，而且是一很陡直的曲线，表明其工作电流对工作电压十分敏感。因此要求工作电压准确、稳定，否则影响辐射功率的发挥及其可靠性。辐射功率随环境温度的升高 ( 包括其本身的发热所产生的环境温度升高 ) 会使其辐射功率下降。红外灯特别是远距离红外灯，热耗是设计和选择时应注意的问题。
红外线接收管是将红外线光信号变成电信号的半导体器件，它的核心部件是一个特殊材料的PN结，和普通二极管相比，在结构上采取了大的改变，红外线接收管为了更多更大面积的接收入，电流则随之增大，红外接收管分两种，一种是二极管，一种是三极管。本设计使用二极管，它的特点是：快速响应时间、灵敏度比较高、小结电容、环保。
2.3.4 声音输出、显示电路的设计

图2.4声音输出、显示电路
声音输出、显示电路如图所示，以蜂鸣器和发光二极管为核心。蜂鸣器按其驱动方式的原理分，可分为：有源蜂鸣器（内含驱动线路，也叫自激式蜂鸣器）和无源蜂鸣器（外部驱动，也叫他激式蜂鸣器），本设计中使用的是有源蜂鸣器。
发光二极管是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。发光二极管的反向击穿电压大于5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流。限流电阻R可用下式计算：R=（E－UF）/IF，式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的正常工作电流。
发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。
2.4.系统硬件电路的选择
系统硬件电路的设计从上述的分析设计中可知在本设计中选用了如下器件：LM358运算放大器、红外传感器、发光二极管、蜂鸣器等需要的外围应用设备。
总原理图如图2.4.1所示

图2.5红外防盗报警电路总原理图
第3章 实物图介绍
3.1实物的整体介绍
实物图如图3.1.1所示：
图3.1.1 家庭防盗报警器实物图
（1）红外传感器：当传感器检测到有人体发出的特定频率的红外波且发生位置变化时即有人入侵是，就会触发报警。需要注意的是，红外传感器只能检测到发生位置变化的人体红外线即处于运动状态的人体，不能检测处于静止的人体。
（2）蜂鸣器：当系统检测到有红外线时，蜂鸣器会发出响声；当红外线消失时，蜂鸣器停止。
（3）发光二极管：当系统检测到有红外线时，发光二极管发出红光。当红外线消失时，二极管红光消失。
3.2实物报警器的调试与操作
（1）把手放到红外线接收管的上方，蜂鸣器发出响声，发光二极管发出红光。如图3.2.1所示。
（2）把手从红外线接收管的上方移开时，蜂鸣器响声停止，二极管不发出红光。如图3.2.2所示。

图3.2.1 图3.2.2

3. 3实物正反焊接图

第4章 结论
本系统采用了红外传感器，它的制作简单，成本低，安装方便，防盗性能比较稳定，抗干扰能力比较强，灵敏度高，安全可靠。这种装置安装隐蔽，不易被入侵者发现，同时它的信号经过LM358运算放大器系统的处理方便和计算机通讯，便于多用户统一管理。
第5章 心得体会
通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关传感器方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。
过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导和同学的讨论下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可!
课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。
我认为，在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。
回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决
实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。
此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。

参考文献
[1] 钱显毅，传感器原理与应用[J]，水利水电出版社，2013，2 58-136
[2] 钱显毅，传感器原理与检测技术[J],机械工业出版社,2013.2 150-235.
[3] 叶景，基于单片机的温度控制系统的设计 经验与交流，2008 23-100.
[4] 钟晓伟，宋哲存，基于单片机的实验是温湿度控制系统设计[A] 林业机械与木工设备.
[5] 童名文，一种新型报警器的研制[M]，武汉理工大学，2003，101-132.
[6] 余家春，Protel 99SE电路设计实用教程[M]，中国铁道出版社，2003，15-98.
[7] 王宁，智能监控防盗报警系统[D]，同济大学硕士学位论文，2007
[8]谭秋林，红外光学气体传感器及检测系统，机械工业出版社，2013,99-166

附录1 电路PCB图

附录2 元器件清单
1.万用板*1
2.运算放大器*1
3.插件电阻*4
4.红外发射管*1
5.红外接收管*1
6.LED*1
7.可调电位器*1
8.三极管*2
9.瓷片电容*2
10.接线端子*1
11.蜂鸣器*1
12.电池盒*1

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