抽屉防盗报警器系统设计.doc

. . 东北石油大学 课 程 设 计 2013 年 7 月 16 日 任务书 课 程 传感器课程设计 题 目 抽屉防盗报警器系统设计 院 系 电气信息工程学院 专业班级 测控技术与仪器-103 学生姓名 学生学号 指导教师 . . 课程 传感器课程设计 题目 抽屉防盗报警器系统设计 专业 测控技术与仪器 姓名 学号 主要内容：主要内容： 抽屉防盗报警器系统的基本功能是当有人打开抽屉时，将会使光敏传感元件导 通，这里的发光二极管和光敏二极管可以组成一个类似开关的系统，而打开抽屉时 的管则就是打开开关的激励。导通后会使下一个报警单元导通，蜂鸣器将会发出声 响。 基本要求：基本要求： 1、利用光电元件设计抽屉防盗报警器系统 2、通过设定，在别人打开抽屉时报警器便会报警 3、选择合适的光电元件并说明选用理由 主要参考资料：主要参考资料： 1 何道清.传感器与传感器技术m.北京:科学出版社,2006：241-245. 2 吴桂秀.传感器应用制作入门m.浙江:科学技术出版社,2004:71-75. 3 康华光.电子技术基础（模拟部分） m.北京:高等教育出版社,2000:71-75 4 谢嘉奎.电子线路（线性部分） m.第四版.北京:高等教育出版社,2006:47-48. 完成期限 2013.7.122013.7.16 指导教师 专业负责人 2013 年 7 月 12 日 . . 摘 要 报警器的应用非常广泛。随着社会科学技术的迅速发展，人们对报警器的性 能提出了越来越高的要求。传统的报警器通常采用触摸式、开关报警器等。这类 报警器具有性能稳定、实用性强等特点，但是也具有应用范围窄等缺点。而且安 全性能也不是很好。光电报警就很好的改善了这点。如今，光电报警器已经广泛 应用到工农业生产、自动化仪表、医疗电子设备等领域本实验的设计借助于模拟 电路和数字逻辑电路，采用模块化的设计思想，使设计变得简单、方便、灵活性 强。电路简单容易实现，工作稳定，因此得到了广泛的应用。本课程设计就是用 发光电器件发光二极管和光敏二极管组成防盗电路。发光二极管和光敏二极管组 成一类似开关作用，再通过一发光二极管和蜂鸣器发出警告。设计电路应包括两 部分：硬件电路和软件模拟。其中，硬件电路又包括调制电路，发光电路，接收 电路，放大电路和报警电路。 关键词：发光二极管；光敏二极管；蜂鸣器 . . 目 录 一 、设计要求.1 1 功能与用途1 2 课题意义及产品发展现状1 二二、设计方案及其特点 1 1 1 方案说明1 2 方案论证 .2 三、传感器工作原理.2 1 感器基本原理介绍 .2 2 光敏二极管原理介绍3 3 光电二极管的电特性曲线分析3 四、电路的工作原理.5 1 原理电路图 .5 2 基本电路原理5 五、单元电路设计、参数计算和器件选择.7 1 单元电路设计7 2 器件选择.10 六、总结.11 参考文献.12 . . 抽屉防盗报警器系统设计 一 、设计要求 1 功能与用途 根据光电式传感器的工作原理，设计一种防盗电路装置。利用光敏二极管代 替开关，衔接报警电路。要求正常情况下，三极管不导通；小偷侵入时，光敏二 极管接收不到光，不导通，三极管导通驱动报警电路，二极管发光，蜂鸣器鸣叫。 总电路应包括与传感器元件相接的调制电路、放大电路和报警电路。光电二极管 制作的抽屉防盗报警器具有简单、方便、灵活性强、电路容易实现等特点，一量 出现偷盗，通过扬声器发出警报，达到报警作用。报警器的应用非常广泛。报警 器可用于仓库、住宅等地方的防盗报警。在汽车、摩托车、仓库大门、以及家庭 保安系统中，几乎无一例外地都使用了报警器电路。在没有人在的情况下它可以 自动的完成报警任务，有效地防止盗窃的发生，使个人财产免受损失。 2 课题意义及产品发展现状 在汽车、摩托车报警器，仓库大门，以及家庭保安系统中，几乎无一例外地 使用了报警器电路。随着社会科学技术的迅速发展，人们对报警器的性能提出了 越来越高的要求。传统的报警器通常采用触摸式、开关报警器等。这类报警器具 有性能稳定、实用性强等特点，但是也具有应用范围窄等缺点。而且安全性能也 不是很好。光电报警就很好的改善了这点。如今，光电报警器已经广泛应用到工 农业生产、自动化仪表、医疗电子设备等领域本实验的设计借助于模拟电路和数 字逻辑电路，采用模块化的设计思想，使设计变得简单、方便、灵活性强。电路 简单容易实现，工作稳定，因此得到了广泛的应用。 二、设计方案及其特点 1 方案说明 方案一：用倍频振荡器，隔离振荡器，高频放大输出电路，报警音效电路和电源 电路组成无线防盗报警电路。用户可使用 fm 调频收音机在远处接收到报警信号。 . . 将 bc 产生的基准频率信号经倍频振荡器四倍频放大后，送入隔离放大器进一步 二倍频放大，产生八倍频超高频信号加至高频放大输出电路。报警音效电路通电 工作后，从 ic1 的 out 端输出报警音效电信号，该信号经 v4 放大后，用变化的 音频振荡信号对超高频振荡信号进行调制，调制后的频载波信号通过 w 发射出 去。用户在远处通过 fm 调频收音机即可接收到报警音响信号。 方案二：发光电路和接收电路都用同一个调制电路来启动。其中，硬件电路又包 括调制电路，发光电路，接收电路，放大电路和报警电路。用 ne555 组成的多谐 振荡器作为调制电源组成如下的调制电源电路，再接上发光二极管和限流电阻， 组成发射电路。利用 lm386 锁相集成电路对光敏管的信号进行放大。设计电路 应包括两部分：硬件电路和软件模拟。其中，硬件电路又包括调制电路，发光电 路，接收电路，放大电路和报警电路。 2 方案论证 方案一和方案二都能很好的完成实验功能，其中，方案一所用原理为振幅 调制，简单易懂，用报警音效电信号控制高频载波的振幅。但是方案一电路复 杂，所用器件繁多，结构不够稳定。方案二发光电路和接收电路都用同一个调 制电路来启动，可以通过延长导线来使延长发光二极管和光敏二极管的距离， 可以保证系统在一定器件的条件下作用距离较远。方案二结构简便，可以用于 远距离使用，所以选择方案二。其硬件框图组成如图 1 所示。 图 1 硬件框图组成 三、传感器工作原理 1 传感器基本原理介绍 传感器是指能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装 置。通常由敏感元件和转换元件组成。传感器的原理有各种各样，光电式传感器， 调 制 电 路 发 光 管 光 电 管 放 大 电 路 报 警 电 路 . . 是将光通量转化为电量的一种传感器，光电式传感器的基础是光电转换元件的光 电效应。由于光电测量方法灵活多样，可测参数多众多，一般情况下具有非接触、 高精度、高变率、高可靠性和反应快等特点，加之激光光源、光栅、光学码盘、 ccd 器件、光导纤维等的相继出现和成功应用。检测和控制领域中得到广泛的用。 2 光敏二极管原理介绍 光线射入 pn 接面，p 区电洞、n 区电子大量发生，产生电压（光电效应） 。 借由测量此电压或电流，可作为光感应器使用。有 pn、pin、萧特基、apd 等类 型。太阳电池也是利用此种效应。 光电二极管是将光信号变成电信号的半导体 器件。它的核心部分也是一个 pn 结，和普通二极管相比，在结构上不同的是， 为了便于接受入射光照，pn 结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且 pn 结的结深很浅，一般小于 1 微米。 3ig838 电子-技术资料-电子元件-电路图- 技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号。光电二极管（也 称光敏二极管）是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一 般小于 0.1 微安） ，称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入 pn 结后，把 能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对， 称为光生载流子。3ig838 电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知 识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号 它们在反向电压作用下参加漂移运动， 使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导” 。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路 上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。 3ig838 电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用- 参数-电子元器件符号。光电二极管、光电三极管是电子电路中广泛采用的光敏器 件。光电二极管和普通二极管一样具有一个 pn 结，不同之处是在光电二极管的 外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换，在电路图中文字符号 一般为 vd。光电三极管除具有光电转换的功能外，还具有放大功能，在电路图 中文字符号一般为 vt。光电三极管因输入信号为光信号，所以通常只有集电极 和发射极两个引脚线。同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明窗口， 以接收光线照 3 光电二极管的电特性曲线分析 . . 光敏二极管波长分布特性如图 2 所示 图 2 光敏二极管波长分布特性 光敏二极管的伏安特性如图 3 所示 图 3 光敏二极管伏安特性曲线 . . 四、电路的工作原理 1 原理电路图 本课程设计就是用发光电器件发光二极管和光敏二极管组成防盗电路。发光 二极管和光敏二极管组成一类似开关作用，再通过一发光二极管和蜂鸣器发出警 告。设计电路应包括两部分：硬件电路和软件模拟。其中，硬件电路又包括调制 电路，发光电路，接收电路，放大电路和报警电路。其电路图如图 4 所示。 图 . . 4 电路原理图 2 基本电路原理 根据光电式传感器的工作原理，设计一种防盗电路装置。利用光敏二极管代 替开关，衔接报警电路。要求正常情况下，三极管不导通；小偷侵入时，光敏二 极管接收不到光，不导通，三极管导通驱动报警电路，二极管发光，蜂鸣器鸣叫。 总电路应包括与传感器元件相接的调制电路、放大电路和报警电路。 晶体二极管广泛应用于各种电子设备中，它主要由 pn 结构成，具有单向导 电性。根据二极管的正向特性可将二极管用于开关电路。在开关电路中，利用二 极管的单向导电性以接通或断开电路。 在本设计中采用一个二极管，主要是利 用其单向导电性用于开关电路的特性控制报警系统的电压分配。在正常状态下， 晶体二极管阳极电压较小，二极管处于截止状态，报警系统不发生报警。当系统 发生断线报警时，晶体二极管的阳极电压升高，二极管导通，并改变三极管的工 作状态，进而控制报警系统的触发电压鉴别电路及自锁电路，使报警系统工作在 报警状态以达到报警目的。发光二极管是由电能转化为光能的半导体元器件，它 也是由 pn 结构成，其基本功能与普通二极管相似，不过正向导通压降大一些。 本设计采用绿色发光二极管进行光信号报警，并由晶体三极管作为驱动管带动发 光二极管发光。 晶体三极管是由两个靠的很近且背对背排列的 pn 结、三个导电区和三个电 极组合而成，根据 pn 结排列方式不同，晶体三极管分为 npn 和 pnp 两种类型， 晶体三极管是非线性的电阻器件，其主要特性与工作模式有关，晶体管工作在饱 和区与截止区时，晶体管将呈现低阻或高阻状态，其行为类似一个开关。根据上 述晶体三极管的主要特性，在本设计中采用一个 pnp 型的晶体三极管 vt1 和三 个 npn 型的晶体三极管 vt2、vt3 、vt4。一方面，pnp 型三极管 vt1 与一个 npn 型三极管 vt2 组成触发电压鉴别电路。当系统发生报警时，传感部分端电 压发生变化，通过触发电压鉴别电路的控制，系统另两个 npn 型晶体三极管 vt3 截止， vt4 导通并作为驱动管带动蜂鸣器及发光二极管工作发出声光报警， 从而实现对报警系统的控制。另一方面，两个 npn 型三极管 vt2、vt3 还与负 载电阻器组成自锁电路，一旦系统发生报警，由于负载电阻器的分压作用，组成 . . 自锁电路的晶体三极管 vt2、vt3 的工作状态将不会改变，报警系统将会一直工 作在报警状态，除非按下复位开关 s2 或切断电源，否则报警器将会一直工作在 报警状态。 本设计中采用蜂鸣器进行声音报警，蜂鸣器内部带有振荡器，只要接通电源 就会发出声音。 五、单元电路设计、参数计算和器件选择 1 单元电路设计 发射电路用 ne555 组成的多谐振荡器作为调制电源组成如下的调制 电源电路，再接上发光二极管和限流电阻，组成发射电路。其原理图如 图 5 所示： 图 5 ne5555 发射电路原理图 接收电路跟发射电路类似，用光敏二极管代替发光二极管并充当开 关的作用。正常情况下，发光二极管和光敏二极管对应，光敏二极管接 到光线导通，输出高电平。当有小偷经过时，光敏管接收不到光，不导 . . 通，输出低电平 放大电路利用 lm386 锁相集成电路对光敏管的信号进行放大。3 接 信号输入，5 是信号输出后接报警电路。 lm386 是美国国家半导体公司 生产的音频功率放大 器,主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件 最少,电压增益内置为 20。但在 1 脚和 8 脚之间增加一只外接电阻和电 容,便可将电压增益调为任意值,直至 200。输入端以地位参考,同时输 出端被自动偏置到电源电压的一半,在 6v 电源电压下,它的静态功耗仅 为 24mw,使得 lm386 特别适用于电池供电的场合。 lm386 的封装形式 有塑封 8 引线双列直插式和贴片式。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。与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路管； t5和 t6组成镜像电流源作为 t1和 t2的有源负载；t3和 t4信号从管的 基极输入，从 t2管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。使用 镜像电流源作为差分放大电路有源负载，可使单端输出电路的增益近似 等于双端输出电容的增益。第二级为共射放大电路，t7为放大管，恒流 源作有源负载，以增大放大倍数。第三级中的 t8和 t9管复合成 pnp 型 管，与 npn 型管 t10构成准互补输出级。二极管 d1和 d2为输出级提供 合适的偏置电压，可以消除交越失真。引脚 2 为反相输入端，引脚 3 为 同相输入端。电路由单电源供电，故为 otl 电路。输出端（引脚 5）应 外接输出电容后再接负载。电阻 r7从输出端连接到 t2的发射极，形成 反馈通路，并与 r5和 r6构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反 馈，使整个电路具有稳定的电压增益。其电路如图 6 所示： . . 图 6 放大电路原理图 报警电路用一个三极管来导通。正常情况下，三极管不导通，报警电路不同。当 接到检测低电平信号，即有外人打开时，三极管导通驱动报警电路，二极管发光， 蜂鸣器鸣叫。压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣 箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶 体管或集成电路构成。当接通电源后（1.515v 直流工作电压）,多谐振荡器起振,输 出 1.52.5khz 的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。其电路如图 7 所 示： 图 7 报警电路原理图 5.2 器件选择 . . 系统需要的元器件清单 表 1 元器件清单 序号元器件类型元器件规格数量 1 音频集成功放 lm386 lm386n-31 2定时器 ne555p1 3电阻 r0/r7 2002 4电阻 r1/r3 1k2 5电阻 r2 201 6电阻 r4 10k1 7电阻 r5 500k1 8电阻 r6 2001 9电容 c1 100nf1 10 电容 c2 0.01f1 11耦合电容 c3 100f1 12发光二极管 ds1 1 13光敏二极管 ds2 2 14发光二极管 ds3 1 15三极管 90141 16蜂鸣器 ls1 buzzer1 六、总结 本设计基本完成了自动报警的要求，以光电传感器为基础实现系统功能。当有 人开启抽屉式光电器件导通，引起报警，蜂鸣器发出响声。该设计结构简单，反 应灵敏，能够实现远程检测，所用器件简单，但是有可能发生误报。通过这周的 课程设计，使我更进一步的了解了传感器原理的相关知识，加深了对各芯片的了 解，初步达到了设计目的和要求。提升了自己的实际实践能力。明白了设计一个 关于传感器测距方面的课题应从哪几方面入手。例如程序实现，芯片的选择和连 接，芯片在电路中起到什么作用，以及如何起到这样的作用。此外也加强了我搜 集资料和整理资料的能力，提高了自己动手分析问题、解决问题的能力。这些都 对我以后的工作进行了即时的训练。并且在设计中遇到了许多问题，在对这些问 . . 题的解决上，也是对我个人能力的煅炼。而且这些问题的出现很有价值，是值得 重视的,需要在我以后的学习中不断的加以完善和提高。但