毕业设计论文：红外线来客门铃电路的设计

1、XXXXXXXXXX 毕业设计论文2021届题 目 红外线来客门铃电路的设计系 别 XXXXXX 专 业 XXXXXXXXXXX班 级 XXXXXXXX 学 号 XXXXXXX 姓 名 XXXXX 指导教师 XXXXX2021年 5 月5 日目录概述 4第二章产品整体设计及原理5第三章硬件电路的实现 73.1红外对射简介3.2红外发射电路原理3.34集成与非门4011简述3.4RC电路充放电原理3.5驻极体话筒简述3.6三极管放大电路简介3.7照明电路简介3.8电源模块简介参考文献15致谢红外线来客门铃电路的设计【摘要】本设计采用纯硬件实现，使用红外对射管开关蜂鸣器，并用CD4011双4输入与

2、非门实现延时。纯硬件的设计保证了作品的本钱低廉，功能可靠。语音对话局部结构简单，且能完成语音放大功能，无需复杂芯片支持。该设计的制作可提升模拟器件的使用能力，熟悉硬件电路的组建及各局部的连接方式。RC电路充放电延时电路的设计可以代替单片机进行硬件延时，电路简单明了，易于分析，制作便捷。红外对射管的设计既方便又能解决无线传感的效果，功耗也不高。【关键词】 红外门铃硬件电路简单电路第一章 概述红外线报门铃工作原理：在家门前安装好传感器之后，如果有客人进入感应区域，对射信号就会被阻断，发出门铃信号，翻开对话功能。主人可使用控制面板上的对话孔与客人进行交流，判断是否应该开门。且拥有光站判断功能，光敏电

3、阻感应光照改变阻值和信号处理电路的共同作用来控制照明灯泡的开关。此设计简单有效。及时通告主人客人到来，且可提供简单的对话功能，方便实用。如果是光照较暗的晚上还能提供照明，方便晚归的主人开门或看清夜晚的来客。被动式红外探测器主要由光学系统、热传感器或称为红外传感器及报警控制器等局部组成。其核心是不见是红外探测器件，通过关学系统的配合作用可以探测到某个立体防范空间内的热辐射的变化。红外传感器的探测波长范围是814m，人体辐射的红外峰值波长约为10m，正好在范围以内。被动式报警探测器由于探测性能好、易于布防、价格廉价而被广泛应用。其缺点是相对于主动式探测误报率较高。主动红外探测器由红外发射机、红外接

4、收机和报警控制器组成。分别置于收、发端的光学系统一般采用的是光学透镜，起到将红外光束聚焦成较细的平行光束的作用，以使红外光的能量能够集中传送。红外光在人眼看不见的光谱范围，有人经过这条无形的封锁线，必然全部或局部遮挡红外光束。接收端输出的电信号的强度会因此产生变化，从而启动报警控制器发出报警信号。主动式红外探测器遇到小动物、树叶、沙尘、雨、雪、雾遮挡那么不应报警，人或相当体积的物品遮挡将发生报警。由于光束较窄，收发端安装要牢固可靠，不应受地面震动影响，而发生位移引起误报，光学系统要保持清洁，注意维护保养。因此主动式探测器所探测的是点到点，而不是一个面的范围。其特点是探测可靠性非常高。但假设对一

5、个空间进行布防，那么需有多个主动式探测器，价格昂贵。主动式探测器常用于博物馆中单体贵重文物展品的布防以及工厂仓库的门窗封锁、购物中心的通道封锁、停车场的出口封锁、家居的阳台封锁等等。这次设计制作的红外线自动报警器我使用了主动式，这样操作简单，容易打成效果。缺点是相对容易受到干扰。 产品整体设计及原理图2.1 系统结构原理图2.2电路工作原理电源模块：220V交流电压经过简单整流桥电路，取出直流电流经过C2滤波之后通过7805芯片进行稳压输出，所得到的电压作为后级电路的5V供电电压。红外对射模块：客人来到门前阻挡原有红外对射管的信号传递，产生客人到来的信号。使接收管输出低电平。原指示LED熄灭，

6、标明客人来到的信号进行处理。信号处理模块：红外对射被阻断，原红外输出管的输出信号被拉低。与非门A的输入端电平被拉高，使其输出低电平。由于与非门特性以低电平为判断首要标准，使与非门C的输出电压置高同A。RC延时电路模块：与非门A的输出电平被置高，使RC电路开始充电。充电时间由RC数值决定。本设计也以此作为定时机制。当电容充电完成之后如果客人走动，客人来到的信号消失，一样可以由电容充电的电量满足后期电路所需的根本电流。经过一段时间之后放电完成。门铃也停止鸣叫。电容放电的时候与非门B的输入电压为高，其输出低电平。再经过与非门C的电平翻转效果，使三极管导通，依旧可以给后面的门铃供电一段时间。电平翻转原

7、理同A于C。简单话音放大电路模块：在驻极体话筒的输出信号使用三极管放大信号之后，偏置接入负反应，放大倍数会减小，电源电压对偏置电流影响较小。此接法称谓电压负反应接法，适应电压范围更宽。此种放大类型属于甲类放大，效率最低，特点是简单。由此构成了第一级话音信号放大电路。以此推动信号的进一步放大。图2.2电路原理图总第三章 硬件电路实现局部3.1 红外对射简介红外对射全名叫“ HYPERLINK :/baike.baidu /view/2949868.htm t _blank 光束遮断式感应器(Photoelectric Beam Detector)。其侦测原理乃是利用红外线经LED红外光发射二极体

8、,再经光学镜面做聚焦处理使光线传至很远距离,由受光器接受。当光线被遮断时就会发出警报。红外线是一种不可见光，而且会扩散，投射出去会形成圆锥体光束。红外光不间歇一秒发1000光束，所以是脉动式红外光束。由此这些对射无法传输很远距离600米内。利用光束遮断方式的 HYPERLINK :/baike.baidu /view/323771.htm t _blank 探测器，当有人横跨过对射区域时，遮断不可见的红外线光束而引发接收管的电平变化。通过判断电平变化来区别对射通道内的人员位置变化。本设计的红外电路局部由一个红外发射头，一个红外接收头组成。红外发射头的电路压降为0.7V，通电之后连续发射红外信号

9、。接收头常规状态下输出电平为低，收到信号后红外三极管导通，发射极输出高电平。此时给予NPN三极管Q1的基极一个驱动电平，Q1导通集电极的电压为低。给与后面电路一个低电平。当有客人来到时，站在门前即挡住红外线传播途径，红外接收三极管基极信号被阻挡，发射极不再输出电流。此时Q1基极没有信号驱动，三极管不导通，其集电极也就没有信号输出，被输入5V电压拉高。给与后面电路一个高电平。客人有没有站在目标区域，由发光二极管D1来显示。D1发光的时候接收头导通，没有人站在目标区域；D1不发光的时候接收头截止，有人站在目标区域。图3.1 红外对射示意图3.34集成与非门4011简述CD4011是将4个2输入与非

10、门逻辑模块集成至一块芯片，拥有14个管脚，4路信号输出。其管脚分布如图3.2所示。 图3.2 CD4011管脚图3.4RC电路充放电原理RC充放电HYPERLINK :/ dzsc /product/searchfile/1053.html电路是HYPERLINK :/ dzsc /product/searchfile/294.html电阻器应用的根底电路，在HYPERLINK :/ dzsc 电子电路中会常常见到，因此了解RC充放电特性是非常有用的。RC充放电电路如图1所示。图申HYPERLINK :/ dzsc /product/file411.html开关S原来停留在B点位置，HYPER

11、LINK :/ dzsc /product/file308.html电容器C上没有电荷，它两端的电压等于零。当开关接到A点时，HYPERLINK :/ dzsc /product/searchfile/2937.html电源E通过R向电容器C充电。在电路接通的瞬间，电容器电压Vc=0，充电电流最大值等于E/R。随着电容器两极上电荷的积累，Vc逐渐增大，HYPERLINK :/ dzsc /product/searchfile/1066.html电阻器R上的电压VR=E-Vc，充电电流i=(E-Vc)/R且随着E的增大而越来越小，E的上升也越来越慢。当Vc=E时，i=O，充电过程结束。试验证明，

12、充电过程可用下面公式描述，即从公式中不难看出，充电过程中化和i是按指数规律变化的，而充电的快慢取决于电阻和电容的乘积，因此称RC为时间常数，即=RC。如果R和C的单位取欧姆和法拉，那么，的单位为秒。根据公式计算在不同时内的忱和;，其结果见表1。从表中可以看出，越大充电越慢。当t=3时，Vc=0.95E 当t=5时，Vc=0.993E 一般认为当t=(3-5)时，电容器上的电荷已被充满。图RC充电电压化和电流;与时间常数的关系当电路开关S在C充满电荷后由A端置于B端时，电容C上的电荷通过R放电，其放电也是按指数规律进行的。利用RC充放电特性可组成很多应用电路，如积分电路、微分电路、去耦电路以及定

13、时电路等。图3.3典型RC充放电电路RC电路在充放电过程中，电容上的电压随时间按指数规律变化，变化速度取决于时间常数，=RC，当电压电压固定时，电容C越大，充放电时间越长，如果电阻R越电，充放电电流越小，充放电时间也增加 图3.4 延时电路3.5驻极体话筒简述驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛应用于盒式录音盒、无线话筒及声控等电路中。由驻极体振动膜和一个场效应管来组成其中关键的电声转换盒阻抗变换功能器件。属于最常用的电容话筒。由于输入和输出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此驻极体电容式话筒在工作室需要直流工作电压。将驻极体话筒接入电

14、路前首先判断其正负极，可用万用表调至1K电阻档。黑表笔和红表笔各接一段，读取数据后互换位置测试。比对2次测量结果，阻值较小时，黑表笔接的是源极，红表笔接的是漏极。驻极体话筒由声电转换和阻抗变换两局部组成。 声电转换的关键HYPERLINK :/baike.baidu /view/1141392.htm元件是驻极体振动膜。它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜。然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。当驻 HYPERLINK :/baike.baid

15、u /image/79b1e93631213c220b55a953 驻极体话筒结构图极体膜片遇到声波振动时，引起HYPERLINK :/baike.baidu /view/3686.htm电容两端的HYPERLINK :/baike.baidu /view/63151.htm电场发生变化，从而产生了随声波变化而变化的交变HYPERLINK :/baike.baidu /view/10954.htm电压。驻极体膜片与金属极板之间的HYPERLINK :/baike.baidu /view/4910965.htm电容量比拟小，一般为几十pF。因而它的输出阻抗值很高(Xc12tfc)，约几十兆欧以上

16、。这样高的阻抗是不能直接与HYPERLINK :/baike.baidu /view/1323487.htm音频放大器相匹配的。所以在话筒内接入一只结型场效应HYPERLINK :/baike.baidu /view/522091.htm晶体三极管来进行阻抗变换。HYPERLINK :/baike.baidu /view/3964.htm场效应管的特点是输入HYPERLINK :/baike.baidu /view/16812.htm阻抗极高、HYPERLINK :/baike.baidu /view/77735.htm噪声系数低。普通HYPERLINK :/baike.baidu /view

17、/1289046.htm场效应管有源极(S)、栅极(G)和漏极(D)三个极。这里使用的是在内部源极和栅极间再复合一只二极管的专用场效应管。接二极管的目的是在场效应管受强信号冲击时起保护作用。场效应管的栅极接金属极板。这样，驻极体话筒的输出线便有三根。即源极S，一般用蓝色塑线，漏极D，一般用红色塑料线和连接金属外壳的编织屏蔽线。 3.6三极管放大电路简介共发射极放大电路共发射极放大电路简称共射电路，其原理电路如下图。输入端AA外接需要放大的信号源；输出端BB外接负载。发射极为输入信号ui和输出信号uo的公共端。公共端通常称为“地实际上并非真正接到大地，其电位为零，是电路中其他各点电位的参考点，用

18、“表示。图3.6驻极体话筒结构图1电路的组成及各元件的作用1三极管VNPN管，具有放大功能，是放大电路的核心。2直流电源VCC使三极管工作在放大状态，VCC一般为几伏到几十伏。3基极偏置电阻Rb它使发射结正向偏置，并向基极提供适宜的基极电流。Rb一般为几十千欧至几百千欧。4集电极负载电阻Rc它将集电极电流的变化转换成集-射极之间电压的变化，以实现电压放大。Rc的值一般为几千欧至几十千欧。5耦合电容C1、C2又称隔直电容，起通交流隔直流的作用。C1、C2一般为几微法至几十微法的电解电容器，在联结电路时，应注意电容器的极性，不能接错。2放大电路的静态分析静态是指放大电路没有交流输入信号ui=0时的

19、直流工作状态。静态时，电路中只有直流电源VCC作用，三极管各极电流和极间电压都是直流值，电容C1、C2相当于开路，该电路称为直流通路。对放大电路进行静态分析的目的是为了合理设置电路的静态工作点用Q表示，即静态时电路中的基极电流IBQ、集电极电流ICQ和集-射间电压UCEQ的值，防止放大电路在放大交流输入信号时产生的非线性失真。三极管的静态值IBQ为 3-1三极管工作于放大状态时，发射结正偏，这时UBEQ根本不变，对于硅管约为0.7V，锗管约为0.3 V。由于UBEQ一般比VCC小得多 (3-2)由此可见，共射放大电路的静态工作点是由基极偏置电阻Rb决定的。因此，通过调节基极偏置电阻Rb可以使放

20、大电路获得一个适宜的静态工作点。3放大电路的动态分析放大电路在有输入信号时ui0的工作状态称为动态。动态时，在直流电压VCC和输入交流电压信号ui的共同作用下，电路中的电流和电压是由直流分量和交流分量的叠加而成脉动直流信号。说明：由于放大电路是交、直流共存的电路，因而名称、符号较多。为了便于分析，将放大电路中规定的电流和电压符号列于表3-3。表3-3 放大电路中电流和电压的符号动态时，为了分析交流信号的传输情况，通常需要先画出交流电流所流经的路径，即交流通路，如下图。此时，耦合电容C1、C2对交流的容抗很小，因而可视为短路；直流电源的内阻很小，交流通过时的电压降可忽略，因此直流电源也可视为短路

21、。图3.7静态放大电路4放大电路的性能指标分析电压放大倍数、输入电阻和输出电阻是放大电路的三个主要性能指标，分析这三个指标最常用的方法是微变等效电路法，这是一种在小信号放大条件下，将非线性的三极管放大电路等效为线性电路进行分析的方法。5互补对称功率放大电路图3.8互补对称功率放大电路1双电源互补对称功率放大电路双电源互补对称功率放大电路简称OCL电路，图6-30b所示是它的根本电路组成。图中，正、负电源的绝对值相同。V1管和V2管为参数特性对称一致的NPN和PNP管，它们的基极连在一起作为输入端，发射极连在一起直接接负载RL。显然，V1管和V2管均为射极输出器接法。2工作原理1静态工作分析由于

22、V1管和V2管的基极都未加偏置电压，因此静态时，两管都不导通，静态电流为零，管子工作在截止区，电源不供应功率。由于电路对称，因此发射极电位为零，负载上无电流。2动态工作分析设输入信号为正弦电压ui。在正半周时，V1管发射结正偏导通，V2管发射结反偏截止，由+VCC提供的电流ic1经V1管流向负载，在负载RL上获得正半周输出电压uo。同理，在负半周时，V1管发射结反偏截止，V2管发射结正偏导通，由-VCC提供的电流ic2从-VCC端经负载流向V2管，在RL上获得负半周输出电压uo。可见，在ui的整个周期内，V1管和V2管轮流导通，相互补充，从而在RL上得到完整的输出电压uo，故称为补对称功率放大电路。由于V1管和V2管均为射极输出器接法，因此uoui。根据功率的定义，输出功率为 3-4式中，Uom为输出电压uo的峰值。理想条件不计三极管饱和压降和穿透电流下，负载获得最大输出电压时，其峰值接近电源电压+VCC，故负载获得的最大输出功率Pom为 3-5此时，功率放大电路的效率到达最大，约为78.5%。可以证明，功率三极管的最大管耗与最大输出功率Po