反射式红外报警电路设计报告

电子系统设计红外报警电路红外报警电路设计设计要求设计并制作反射式的红外报警电路，当有人靠近时能够发出声光报警，必须使用脉冲方式驱动红外发光二极管。（1）．反射式的有效探测距离>50cm。（2）．系统采用单5V供电。（3）．发出的声光报警必须是断续的方式，并且能够持续10-15S时间，然后自动解除报警（或者采用手动解除报警）。方案选择及电路的工作原理一.红外发射部分：方案一：用NE55定时器构成多谐振荡器的红外发射电路。不需要输入触发信号，接通电源后产生具有一定频率和一定脉宽的矩形脉冲。NE555内部结构图1：接通电源的瞬间，电容C1来不及充电，两端的电压Uc近似为0，小于(1/3)Vcc,为低电平，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出Uo为高电平，放电管VT截止。这时，电源经R1，R3对电容C1充电，使Uc按指数规律上升，这时电路进入暂稳态。随着电容C1的充电,当Uc上升到（2/3）Vcc/时，比较器A输出低电平，是与非门输出高电平，则电路输出Uo跃为低电平，同时放电管VT导通，C1经R3和VT放电，Uc随之下降，电路进入另一暂稳态，当Uc下降到（1/3）Vcc时，比较器A输出高电平，B输出低电平，使与非门输出低电平，则电路的输出Uo跳变为高电平，电路又一次自动翻转。这时VT截至，电源又通过R1,R3对电容C1进行充电。当Uc上升到（2/3）Vcc时，电路输出状态又发生变化。电容C1如此循环充电放电，使电路产生振荡，输出矩形脉冲如图。由图像可得：充电时间t1=（R1+R3）×C1×In{[Vcc-(1/3)Vcc]/[Vcc-(2/3)Vcc]}=0.7(R1+R3)C1放电时间t2=R3×C1×In｛[0-(1.3)Vcc]/[0-(2/3)Vcc]｝=0.7×R3×C1多谐振荡器振荡周期T=0.7（R1+2R3）C1振荡频率f=1/T输出脉冲的占空比q=t1/T=（R1+R3）/(R1+2R3)，可通过调节R1，R3，C1改变振荡频率和占空比。方案二：用滞回电压比较器构成的矩形波发生电路（方波信号发生器） 合闸通电时电容上电压为0，uO上升，则产生正反馈过程：uO↑→uN↑→uO↑↑，直至uO＝UZ，uP＝+UT，第一暂态。电容正向充电，t↑→uN↑，t→∞，uN→UZ；但当uN＝+UT时，再增大，uO从+UZ跃变为-UZ，uP＝－UT，电路进入第二暂态。电容反向充电，t↑→uN↓，t→∞，uN→-UZ；但当uN＝－UT时，再减小，uO从-UZ跃变为+UZ，uP＝+UT，电路返回第一暂态。输出波形：根据三要素：起始值，终了值和时间常数得到：可调占空比的发生电路：Rp用来调节占空比，D1，D2控制充放电回路的时间常数，当输出电压为+Uz时，D1导通，D2截至，输出信号通过Rp上半部，D1和R对C充电；当输出信号为-Uz时，D2导通，D1截至，电容C经R,D2和Rp下半部放电。二.发射管、接收管和报警工作电路：发射管电路中R起保护作用。产生的信号通过R1，在NPN基极产生电位，如果基级电位大于发射极0.7v,则三极管导通，电流放大，红外管工作。接收管电路中可以通过调节R，使Ui大小发生变化，R越大，Ui越大。滤波电路采用一阶高通滤波电路，用来去除噪音（可见光，日光灯等）。参数计算：R=1/CWC=10/fpluF（fpl为下限截至频率）放大和比较部分采用LM358放大电路（考虑到358芯片的增益带宽，所以发射部分的频率不应该太高）Au≈R13(左半部分)/R14（考虑过使用三极管放大，但因为三极管是电流控制元器件，所以放弃。）比较部分：因为延时系统采用了NE555的单稳态触发器，特点是低电平触发，而当接受管接受到红外信号时，是小信号变大信号，不能实现在大信号情况下触发NE555。通过电压比较器，反相端输入与同向端门限电压的比较，使小信号出高电平，大信号出低电平，这样就满足电路要求了。当反向端输入小于同相端时，输出为高电平；当反向端输入大于同向端时，输出为低电平。延时系统电路设计要求产生10-15s的延时。如果采用RC延时电路不易实现。方案一：TTL集成单稳态触发器，使用74LS121芯片；方案二：采用NE555构成的单稳态触发器延时电路。将555电路的6、7脚并接起来接在定时电容CT上，用2脚作输入就成为脉冲启动型单稳电路，如图所示，电路的2脚平时接高电平，当输入接低电平或输入负脉冲时才启动电路。工作原理：稳态：接上电源后，R=1，S=1，输出Vo=0，DIS端接地，CT上的电压为0即R=0，输出仍保持Vo=0，这是它的稳态。暂稳态：输入负脉冲后，输入S=0，输出立即翻转成Vo=1，DIS端开路，电源通过RT向CT充电，暂稳态开始。经过时间TD后，CT上电压上升到>2/3VDD时，输入又成为R=1，S=1，这时负脉冲已经消失，输出又翻转成Vo=0，暂稳态结束。这时内部放电开关接通，DIS端接地，CT上电荷很快放到零，为下一次定时控制作准备。电路的定时时间TD=1.1RTCT。断续部分采用NE555的振荡器电路实现断续功能。接通电源后，电源VDD通过R1和R2对电容C充电，当Uc<1/3VDD时，振荡器输出Vo=1，放电管截止。当Uc充电到≥2/3VDD后，振荡器输出Vo翻转成0，此时放电管导通，使放电端(DIS)接地，电容C通过R2对地放电，使Uc下降。当Uc下降到≤1/3VDD后，振荡器输出Vo又翻转成1，此时放电管又截止，使放电端(DIS)不接地，电源VDD通过R1和R2又对电容C充电，又使Uc从1/3VDD上升到2/3VDD,触发器又发生翻转，如此周而复始，从而在输出端Vo得到连续变化的振荡脉冲波形。脉冲宽度TL≈0.7R2C，由电容C放电时间决定；TH=0.7(R1+R2)C，由电容C充电时间决定，脉冲周期T≈TH+TL。三.单元电路设计计算与元器件的选择方案最终选择以及元器件选择详见附录的电路原理图。电路设计计算第二部分已经包含。四.设计的具体实现系统概述简单介绍系统设计思路与总体方案的可行性论证，各功能块的划分与组成，全面介绍总体工作过程或工作原理，应包含有整体框图。电源Vcc电源去耦电源Vcc电源去耦可通过调节变阻器调节工作距离可通过调节变阻器调节工作距离红外发射电路（NE555的方波信号产生生）（合适的频率，占空比）延时电路10S比较电路信号放大电路断续电路1s红外发射电路（NE555的方波信号产生生）（合适的频率，占空比）延时电路10S比较电路信号放大电路断续电路1s报警电路LED闪烁蜂鸣器鸣叫高通滤波红外接收电路设计思路周密，电路明了简单，各系统分工明确，可行性高。工作过程：某日，房间里没人。电路接入电源正常工作，红外发射电路产生持续稳定的红外光，由于红外对管平行放置，接收管不能接受到红外信号，接受电路有一个很小的信号，通过滤波放大后，信号依旧很小，小于比较器的门限电压，比较器输出高电平，不能使单稳态NE555触发器触发，比较器后面电路均不工作，无报警。当小偷出现是，通过红外对管的有效探测区域是，小偷将红外光反射到接收管，接受电路产生一个大信号，通过滤波放大后，电压大于比较器的门限，所以输出低电平，触发延时和断续电路，蜂鸣器断续鸣叫，LED灯闪烁，实现报警功能，10s后，如果小偷离开探测区域，则报警停止。如果小偷一直在探测区域内，则一直报警。2．

单元电路设计、仿真与分析

详细介绍各单元电路的选择、设计及工作原理分析、仿真，并介绍有关参数的计算及元器件参数的选择等。其中仿真应有相应仿真结果的截图。发射电路最先使用的是方案二，即方波信号发生器，但调试电路是，没有成功，最终选择NE555的振荡电路。滤波电路，放大比较电路原理简单，选择性不高，采用比较大众的思路。延时和断续系统，选择多，但考虑到，对元器件的了解和运用程度，以及实现的难以程度，参数计算等方面，均采用NE555芯片。我们组在第三周用电路调试板调试出电路，各种功能均能实现，电路正常工作，所以确定电路的正确性和可执行性，所以没有使用仿真软件仿真。3．电路的安装与调试

介绍电路安装调试过程中所遇到的主要技术问题，给出现象记录、原因分析、解决措施及效果，详细介绍电路的性能指标或功能的测试方法、步骤、仪器设备、记录的图表和数据。我们组在第五周左右做出了PCB板。变阻器的封装搞错了，所以焊上去很难看。还有蜂鸣器的位置有点太靠近芯片了。第一次接通电源，没有一个部分工作，因为是第一次画PCB，做板子，焊板子，所以用万用表检查后，发现了很多断点，在焊好电路板后，接通电源后，虽然一直都在报警，但是测得LM358芯片各管脚电压的大小合适，在用手挡和不挡的情况下，电压变化明显，所以只调节比较器处的变阻器就实现了功能。多次实验，电路工作正常，电路调试成功。在调试红外对管的接收距离时，通过调节门限和放大倍数。因为没有使用比较精密的变阻器，所以很不好调，很容易就跨过界限，很多时候本来已经调到将近一米了，可是关掉电源再开后，报警就不会停止了。所以最终有效距离也只是半米多。尝试换过发射电路NE555芯片6、7脚间的电阻，改变频率和占空比，可是效果不明显，我认为自己原始的波形很合适。红外对管只要碰得稍用力，距离就会改变，重新焊接过，但还是这样。另外报警电路中，LED和蜂鸣器电路的三极管的基极直接并联在一起后接电阻，老师说这样会造成两个三极管电流分配不均，应该两基极都接一电阻后再并联，因为不影响效果，所以电路板并未做修改。调试具体步骤：先用示波器检测发射管和接受管的波形。看是否有波形，波形是否正常，幅值、频率和占空比是否合适。若没有波形，检查小模块电路是否连接完好。构造反射，看反射情况下接收管负极波形信号怎样变化，如果不明显可以测LM3581号管脚的输出波形变化。电路最终得到波形：用万用表测各芯片管脚的电压是否正确。（如358的8脚为Vcc，555的4接地，延时555的67脚接在一起，当延时555的2脚输入低电平时3脚应该输出高电平，放大器是否放大等），确保电路焊接正确。LM358各管脚在不同情况下的电压：LM358管脚3（+）2（-）1（OUT）5（+）6（-）7(OUT)无反射电压（V）0.00060.00700.01471.19680.01473.6808有反射电压（V）0.05180.14661.72181.19651.72181.6835（注：放大器用123号管脚，比较器用567号管脚）延时NE555管脚2（TL）3（OUT）是否报警无反射电压（V）3.68080.0091否有反射电压（V）1.68354.3933是电路的性能指标（1）电路的最终有效报警距离大概50cm（白天白纸反射）（2）报警延时时间为10s（3）断续时间为1.1s（4）系统采用5V供电六．附录

元器件明细表元件型号/封装参数值元件型号/封装参数值R1AXIAL-0.44.8KΩQ(3个)9013/BCY-W3R2AXIAL-0.4200Ω红外对管、LED灯LED-0R3AXIAL-0.46.8KΩ蜂鸣器PING2R4AXIAL-0.41KΩC1RAD-0.30.01uFR5AXIAL-0.4200ΩC2RAD-0.30.1uFR6AXIAL-0.44.2KΩC3RAD-0.31000uFR7AXIAL-0.41MΩC4RAD-0.310uFR8AXIAL-0.44.2KΩC5RAD-0.30.01uFR9AXIAL-0.41KΩC6RAD-0.310uFR10AXIAL-0.44.2KΩC7RAD-0.30.1uFR11AXIAL-0.42KΩC8RAD-0.30.1uFR14AXIAL-0.4200ΩC9RAD-0.3100uF变阻器R12102/VR41KΩLM358DIP-8LM358NHLP1008变阻器R13503/VR450KΩNE555(三个)D