人体接近检测与报警电路

中北大学课程设计说明书学生姓名： 学 号： 学 院： 信息与通信工程学院 专 业： 题 目： 人体接近检测与报警电路 指导教师： 职称: 讲师 2013 年 1 月 18 日中北大学课程设计任务书 12/13 学年第 一 学期学 院： 信息与通信工程学院 专 业： 电子信息科学与技术 学 生 姓 名： 学 号： 题 目： 人体接近检测与报警电路 起 迄 日 期： 2013年1月7日2013年1月18日 课程设计地点： 指 导 教 师： 系 主 任： 下达任务书日期: 2013年1月7 日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：通过本课程设计, 主要训练和培养学生综合应用所学过的电路、低频、数字、高频等课程的相关知识，设计实用的电子电路方面的实际电路，包括：查阅资料、合理性的设计、分析和解决实际问题的能力，电路设计工具PROTEL的学习与应用，应用计算机的能力，用简洁的文字,清晰的图表来表达自己设计思想的能力。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：（1） 学习和练习电路设计PROTEL软件，（2） 电路可把距离/电容量转变为成比例的电压输出，利用这一思想设计电路时应包括双比较器，XOR门，LED发光管等，（3） 当电压超过2.5伏时可以设为报警电压，也可以自己调节。3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：（1）画出电路图，并进行原理图的详细叙述，（2）尽量给出元器件的型号和数值，（3）尽量画出PCB图，（4）写出符合格式要求的设计报告。课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：1 韩焱，张艳花，王康谊.数字电子技术基础.北京：电子工业出版社 20052王黎明，毕满清，高文华.模拟电子技术基础.北京：电子工业出版社20053赵辉 . Protel99电子线路CAD.北京：北京邮电大学出版社 20084黄继昌，张海贵，徐巧鱼.数字集成电路应用.北京：中国电力出版社 2008 5设计成果形式及要求：设计说明书及相关电路图6工作计划及进度：2013年 1月 7 日 1月9日 了解设计题目及熟悉资料； 1月10日 1月11日 确定各题目要求计算相关参数； 1月11日 1月12日 结合各题目确定具体设计方案； 1月12日 1月17日 结合要求具体设计并仿真、整理报告；1月18日 答辩。系主任审查意见： 签字： 年 月 日摘要在当今社会，安全越来越成为人们关心的问题，虽然人们的安全意识增强了，但是入室盗，仓库被盗等人们不经常活动但存放重要物品的场所被盗的问题却屡禁不止。针对这一问题我们可以设计一种人体接近自动报警系统，当有不速之客靠近其感应区时，它会自动报警提醒它的主人，从而达到人体接近报警的目的。本次课程设计需要设计的人体接近检测与报警电路是一种当人体接近检测电路时，该电路会产生相应的控制信号推动执行机构作出相应的动作(如信号指示灯发光、报警装置报警等)，该电路与电子狗等远距离接受人体发送的红外线产生报警的电路不同，属近距离感应，感应的范围小于1m甚至低得多(可调)，使用效果很好，由于采用了集成运放MAX407，灵敏度理想。现在有多种不同的接近检测方法，如电容感测、红外、超声波、光学等。对从5mm到300mm范围的接近检测，电容式感测技术相对其它技术而言有许多优势：出色的可靠性、简单的机械设计、低功耗和低成本。我们设计的人体接近与报警电路是通过把距离/电容量转变成比例电压输出，有四部分组成： 标准方波发生电路，比较运算电路，直流电压放大电路，滞回比较器。标准方波发生电路是由反相器、1MZ晶振及阻容元件组成的1MZ振荡电路，它为整个电路提供时钟脉冲；比较运算电路利用MAX407中的两个集成运放组成比较器，给其中一个运放输入标准方波信号作为比较对象，另一个运放的输入信号受人体接近程度的影响；直流电压放大电路是通过阻容元件的负反馈实现对信号的放大作用；滞回比较器由集成运放和晶体管构成，实现放大后的电压和门限电压的比较。最后通过LED指示灯的亮暗来指示报警，若把LED换成继电器，当人体接近时，继电器动作，可控制其他各种执行机构，以实现各种自动控制功能，例如：在继电器处加一蜂鸣器，即可实现蜂鸣报警，在本次设计中我们以LED灯来指示报警。关键词振荡、比较、放大、滞回比较、报警目录一、概述1、设计目的2、设计意义二、设计内容1、总体设计思想2、标准方波发生电路3、比较运算电路4、直流电压放大电路5、滞回比较电路三、结果分析1、 总体电路图2、 PCB图四、设计心得五、参考文献一、设计目的 1了解此自动控制电路的构造及原理。 2熟悉此自动控制电路所用的电子器件。 3运用所学数字电子技术、模拟电子技术知识解决实际问题，培养动手又动脑的能力。 4掌握电子电路一般的设计方法，并学习使用protel99、multisim软件进行电路原理图的连接，PCB图的绘制及相关的电路仿真应用。 5培养独立分析问题和解决问题的能力以及创新能力和创新思维，及将所学知识应用到实际中去的综合能力。设计意义通过这次人体接近与报警电路的课程设计，可以加深我们对电子电路基础知识的理解，并提高综合利用课本所学知识的能力，培养了我们查阅手册、文献、图表的自学能力，了解与本次课题有关的电子器件的工程技术规范，能按设计任务书要求完成课程设计，绘制电路图并修改其错误。二、设计内容2.1整体设计思想图中的集成运放、门电路、阻容元件构成人体接近探测器电路，其中反向器T1、1MHz晶振及阻容元件组成1MHz振荡器，振荡信号经T2整形输出方波信号。用一块25cm2的敷铜板构成感应器，当人体靠近敷铜板时，人体相当于另一极板，会产生随人体靠近而增大的电容，容量为26pF。这一电容增量会使后面的IC3输出脉冲占空比与电容增量成比例的脉冲信号。T2输出的方波一路经R3输入比较器IC1B，放大后加至异或门IC3的一个输入端;另一路先经R1、C1延时，再由比较器IC1A放大后加至异或门IC3的另一输入端，从而使异或门IC3输出的方波信号的占空比正比于输入电路中R1C1的延时，再经R6、C4滤波后产生与人体接近距离成比例的直流电压。在实际使用中，IC1比较器自身传输延时的微小变化可能会掩盖电容C1的微小变化，因此本电路采用具有相同特性参数的双比较器电路，它能分辨纳秒以下的时间差，还能将自身的传输延时及失调电压、温度漂移等的影响抵消，从而使TP点输出信号电压仅正比于R1、C1的延时。图中电容C1实际包括一个33pF固定电容、25cm2感应板对地电容和同轴电缆输入电容三部分，在无人接近探测器时，上述三种电容并联之和约为48pF，它将产生0.69R1C1=16.5ns的固定延时;当有人靠近感应板时，电容增至5054pF，它将产生17.318.6ns的延时，两路方波的时间差为0.82.1ns，对能分辨纳秒以下时间差的双比较器而言，是能够保证所需的转换灵敏度的。运放IC2A的作用是对TP点的直流电压提供偏置并放大，调整电位器R11可以设定对应于人体接近感应板不同距离的门限值。运放IC2B及功率放大管Q1构成滞回比较器，将IC2A输出电压放大，通过R14的正反馈可保证Q1迅速可靠导通，点亮LED。若把LED换成继电器，当人体接近时，继电器动作，可控制其他各种执行机构，以实现各种自动控制功能。2.2标准方波发生电路电路组成及工作原理因为矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就是要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来切丁每种状态维持的时间。图示为矩形波发生电路，它由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充放电实现输出状态的自动转换。波形分析及主要参数由于图中所示电路电筒正向充电和反向充电的时间常数均为RC，而且充电的总幅值也相等，因而在一个周期内Uo=+Uz的时间与Uo=-Uz的时间相等，Uo为对称的方波，所以也称为该电路为方波发生电路。电容上电压Uc（即集成运放反相输入端电位Un）和电路输出电压Uo波形如图所示。矩形波的宽度Tk与周期T之比称为占空比，因此Uo是占空比为1/2 的矩形波。根据电容上电压波形可知，在1/2周期内，电容充电的起始值俄日-Ut，终了值为+Ut，时间常数为R3C；时间t趋于无穷时，Uc趋于+Uz，利用一阶RC电路的三要素法可列出方程将（1）式代入上式，即可求出振荡周期T= 2Cln振荡频率f=1/T。通过以上分析可知，调整电压比较器的电路参数R1和R2可以改变Uc的幅值，调整电阻R1、R2、R3和电容C的数值可以改变电路的振荡频率。而要调整输出电压Uo的振幅，则要换稳压管以改变Uz，此时Uc的幅值也将随之变化。占空比可调电路通过对方波发生电路的分析，可以想象，欲改变输出电压的占空比，就必须使电容正向和反向充电的时间常数不同，即两个充电回路的参数不同。利用二极管的单向导电性可以引导电流流经不同的通路，占空比可调的矩形波发生电路如图所示，电容上电压和输出电压波形如图所示。当Uo=+Uz时，Uo通过Rw1、D1和R3对电容C正向充电，若忽略二极管导通时的等效电阻，则时间常数当Uo=-Uz时，Uo通过Rw2、D2和R3对电容C反向充电，若忽略二极管导通时的等效电阻，则时间常数利用一阶RC电路的三要素法可以解出T=+(+2)Cln上式表明改变电位器的滑动端可以改变占空比，但周期不变。占空比为电路仿真效果图如下所示3比较运算电路比较运算电路：比较运算电路由IC1A、IC1B、IC2及相应的外围元件共同构成。IC4B输出的信号一路经R5、C5积分延时后送入IC1B正端，与负端25V电压比较后，输出幅值为25V的方波信号u3；u1另一路经R3及由C3、同轴电缆对地电容、25cm2感应板对地电容共同构成的电路(在无人体接近探测仪时，上述三电容的和约为48pF)积分延时后，送IC1A的正端，同样与其负端所接25V恒定电压比较后输出方波信号u2。为了保证上述方波信号在无人接近时的波形完全一致，笔者设计电路时选择C5的值也为48pF。下面我们对无人靠近探测仪和有人靠近的两种情况分别进行电路分析。无人靠近时，因电路的对称性，u2与u3的输出波形完全相同，这两信号送给异或门IC2的两输入端，经运算后输出u0=0，则后续电路不动作。当有人靠近时，由C3、同轴电缆对地电容、25cm2感应板对地电容共同构成的电路电容总值将增加，经运算可知，积分电路将会使得输出信号u2产生一个向后的延时，而u3的波形仍然不变，故u2、u3送IC2运算后，其输出u00，人靠得越近，则u0输出脉冲越宽。IC2输出信号u0经R9、C7滤波后，产生与人体接近距离成比例的直流电压，运放IC3A对该电压进行放大，凋整电位器RP可以设定对应于人体接近感应板不同距离的门限值；运放IC3B及功率放大管VT1构成滞回比较器，将IC3A输出电压放大，通过R17的正反馈可保证VT1迅速可靠导通，点亮发光管VD2。整机电路如附图所示。附图所示电路是对信号指示灯VD2的通断进行控制，若将VD2换成继电器，用继电器去控制其他各种执行机构，就可以实现各种自动控制功能。4直流电压放大电路运放IC2A对TP1点直流电压提供偏置并放大，该电压对应于手和感应板之间的距离，手移向感应板时会引起TP1点和TP2点电压的增高。采用负反馈电路，改变共模抑制比，从而对电路进行放大，运放是一个开环放大倍数极大的放大器，两个输入端“”、“”之间只要有微小的电压差异，就会使输出端截止或者饱和。而输入端的输入电阻非常大，可以认为不需要输出电流。如果将运放接成闭环电路，则运放的放大倍数等于（Rf+R2)/R2.因为可以理解运放的“”端的电压永远等于“”端的，而“”端的电压等于Vi（R1上无电流，也就无压降），而“”端的电压又等于Vo在Rf和R2上的分压，所以有：ViV0R2/(Rf+R2)，即：VoVi(Rf+R2)/R25滞回比较电路 滞回比较器又称施密特触发器,迟滞比较器。这种比较器的特点是当输入信号ui逐渐增大或逐渐减小时，它有两个阈值，且不相等，其传输特性具有“滞回”曲线的形状。滞回比较器也有反相输入和同相输入两种方式。UR是某一固定电压，改变UR值能改变阈值及回差大小。1，正向过程正向过程的阈值为形成电压传输特性的abcd段2，负向过程负向过程的阈值为形成电压传输特性上defa段。由于它与磁滞回线形状相似，故称之为滞回电压比较器。利用求阈值的临界条件和叠加原理方法，不难计算出图4(b)所示的同相滞回比较器的两个阈值两个阈值的差值UTH=UTH1UTH2称为回差。由上分析可知，改变R2值可改变回差大小，调整UR可改变UTH1和UTH2，但不影响回差大小。即滞回比较器的传输特性将平行右移或左移，滞回曲线宽度不变。在本次设计中的滞回比较电路部分如下图所示：3、 结果分析1、总体电路仿真图如下：2、 PCB图如下： Topoverlay四、设计心得通过查找资料，结合书本中所学的知识，完成了课程设计的内容。把书中所学的理论知识和具体的实践相结合，有利于我们对课本中所学知识的理解，并加强了我们的动手能力。在课程设计之前，我们通过各个渠道查找资料后分析验证，经过多次的修改和整理，作了如上的设计思路。虽然这次设计一开始是按照设计要求去完成的，但由于在实际操作中，出现了比较大的问题，导致以上的准备资料，在实际操作中都未能派上用场。在这次的课程设计过程中，我懂得了很多，课程设计不光是让我们去“设计”，更重要的是培养我们的能力！通过本次课程设计使我对通信电子线路又有了进一步的了解，增加了对所学知识的应用。在设计时我们根据课题要