红外报警电路设计报告.docx
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红外报警电路设计报告
成都信息工程大学
应用电子设计
课题名称：
红外报警电路设计
学院：
光电学院
专业班级：
电科131
学生姓名：
林静
学号：
2013031030
指导教师：
王建波
完成时间：
2016.01.09
报告成绩：
评阅教师
红外报警电路设计报告
一.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>40cm;
（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）;
（4）.能够“记忆”报警次数并可以通过按键查询。
备注：
可使用红外对管。
二.方案选择及电路的工作原理
方案一：
使用红外接收头作为红外接收电路，红外接收头集成了红外线接收PD二极管、放大、滤波和比较器输出等，当红外接收头接收头采集到红外信号后会产生一个高电平输出，来触发后续报警电路。
但是由于外界红外干扰因素较多，导致红外接收头误工作，进而使电路误报警，因此避免误报警是难点；
方案二：
采用普通发射管接收管设计电路，这样接收到的信号较小、干扰大。
孤儿需要对接收信号进行滤波、放大和整形。
采用运算放大器进行信号放大、滤波、整形电路的设计对我们来说比较熟悉，电路调试难度不高，只是运放电路结构略显复杂。
方案选择：
综合各方案考虑，因个人能力有限，故选择设计实施较简单的方案二
三.单元电路设计计算与元器件的选择
1.红外发射管发射电路
主要利用电容C2的充放电过程实现断续功能。
当其两端电压小于1/3VCC时放电管截止。
大于2/3VCC时开始放电；降至1/3时又开始充电，电路震荡产生矩形脉冲。
震荡周期T=0.7（R8+2R12）*C2;振荡频率=1/T；
占空比q=（R8+R12）/（R8+2R12）=66.7%
元器件选择：
定时器芯片NE555；电容C2用1uF，C3用1uF；红外二极管D1；三极管Q12N3904；电阻R81K、R91K、R121K、R131K。
2.信号放大电路
LM358反向比例放大器放大倍数N=-R22/R25;R25为100Ω滑变，故放大倍数可适当调节。
3.比较电路
使用LM358运算放大器，因为延时系统采用的是NE555单稳态触发器（低电平触发）；当反向端输入小于同向端输入，高电平输出；反之输出低电平。
4.延时电路
为实现10~15s的延时要求，依然使用NE555单稳态触发器。
6,7脚接电容C6,当2脚输入低电平时启动电路并开始工作；电路定时时间T=1.1（R17*C6）。
5.振荡电路
原理与发射电路基本相同（利用NE555实现断续），电路在工作状态下，电容C8的在电压1/3VCC和2/3VCC间反复充放电，得到一个连续的震荡脉冲，脉冲宽度TL≈0.7R24*C8,由放电时间决定；
TH=0.7（R18+R24）*C8,由充电时间决定；
脉冲周期T≈TL+TH。
6.计数电路
使用CD40110芯片（十进制可逆计数器，译码，锁存，驱动），具有加减计数，计数器状态锁存，七段显示译码输出等功能。
共阴数码管指八段数码管的八段发光二极管的阴极都连在一起（共阳同理）。
四.设计的具体实现
1．系统概述
震荡电路
报警电路
（LED灯+蜂鸣器）
计数电路
（数码管显示）
系统示意框图
设计方案条理清晰，尽量简单又保证完整性。
工作原理：
电路接通电源后正常工作时，红外发射电路产生并发射连续的红外光，红外对管并排设置，此时红外接收管无法接受到来自发射管的信号，接收电路自己产生一个很小的信号，经过放大依旧小于比较器的门限电压，比较器输出高电平，NE555触发器不工作，后续电路也无法工作。
当有物体出现在红外对管的有效反应区域时，红外发射管发射出的红外信号经物体反射被接收管接收，接收电路产生一个大信号，经放大电路放大后电压高于比较器门限电压，比较器输出一个低电平，触发NE555延时电路，后续电
路产生作用。
报警电路工作并产生报警信号，计数电路被触发并记录一次数
据。
报警持续十秒后，若物体脱离红外对管有效反应区域，则报警停止，否
则电路将再次工作并触发报警，计数电路再次记录数据。
2． 单元电路设计、仿真与分析
2.1.发射电路选择NE555振荡电路,产生一个频率和占空比可调的方波脉冲，以驱动三极管使其工作在开关状态，增大驱动电流可提高发射功率。
详细参数及计算第三部分已介绍。
仿真如下图所示：
发射电路仿真输出信号图：
2.2信号放大电路
通过LM358的运算设计进行反向比例放大；具体参数计算见第三节。
电路仿真如下图：
产生图像如图所示：
3.3振荡电路
使用NE555振荡器实现断续功能，具体参数计算见第三节。
电路仿真如下图：
产生波形图如下图：
蜂鸣器仿真工作时电压：
3．电路的安装与调试
在制作PCB图时，因为毕竟是第一次使用软件，很多技巧并不知道，封装也经常弄错甚至不知道该用什么封装。
磕磕绊绊按照电路图画出来的PCB图元器件散乱，走线杂乱，飞线众多，经多次修改调整后才勉强看起来清晰明了一些，这也是为了后面连接元器件时方便，所以不能马虎。
但毕竟能力精力有限，板子做出来后接收管和发审管里离得太远以致无法正常工作，于是我们直接将接收管拆下用导线接至发射管附近，因为发射管在电路中心，周围布线发杂，故只改动接收管。
在做板子时为了尽量避免断路出现，线宽设置为40mil，比推荐的30mil还要宽，烘烤时也是多次烘烤，第一次做，稳妥为上，避免浪费时间重新制板，争取一次达标。
焊接元器件时，因为对电路的参数不熟悉，导致后期调试麻烦不断，各种电阻电容的规格经常出错，不停的更换导致焊盘周围铜线模糊，还好设置线宽较宽，调整起来麻烦尚可控制。
在后期调试时还发现原理图上有一处接地线没有与电路连接，导致许多元器件没有接地，后来通过连接飞线解决。
因为对原理图和PCB不熟悉还导致一处飞线位置连接错误，前后反复修改四次才得以确定。
初次制板出现多出虚焊，后检查出来并重新焊接。
调试步骤
1.用万用表检查板子上的线路是否有明显的断路情况，不同线路焊盘接近处是否有短路现象。
2.用示波器检测发射电路的输出波形和接收管的接受情况。
检查波形是否有波形，波形的频率和占空比是否和预期相符，以及与电路工作状态相适应。
3.将发射管对准接收管，模拟反射情况下接收电路是否正常工作，用示波器检测接收到的波形情况。
4.用万用表检测各个芯片管脚电压是否符合工作要求，确保各部分元器件正常工作。
（因实电路调试问题过多，不能按时完成调试，故部分数据无法得到）
5.电路性能指标
（1）系统采用VCC5V电压供电；
（2）电路报警有效工作范围在50CM左右；
（3）报警持续时间为10s；
（4）断续时间1.1s。
五．心得体会及建议
心得体会：
在设计电路时一定要对所要用到的元器件足够熟悉，自己想要达到什么样的设计效果，按需取舍，做到心中有数。
否则后期调试就会遇到一大把很基础的问题，检查也很麻烦，如果需要修改的话会对电路板造成不可逆的损害。
在经验不足的情况下重新制板也在所难免，不但浪费资源，更浪费时间和精力。
所以设计时一定要细心严谨，不要怕麻烦而敷衍了事。
制板时也是如此，如果对自己的能力不够自信，画PCB图时就要把线设置的粗一点，元器件拉开一点，不要挤在一起，这样布线时才能更从容，避免产生过多的飞线。
飞线不美观是一方面，另外也比板子上的铜线更容易出问题，焊接不牢容易脱落之类的，虽然不是大问题，但老是要注意这些小问题会很浪费精力。
将PCB图印在铜板上时，最好多烘烤几次，保证印出来的电路图尽量清晰完整，以保证较好的腐蚀效果。
在腐蚀前一定要将铜板用砂纸打磨好，不然浸在腐蚀液里会一直往上浮，需要人为的按压，不但影响腐蚀效果，而且也很浪费时间。
腐蚀完成擦干后最好立即焊接元器件，因为氧化层同样会影响焊锡与焊盘的粘结性，隔时间长了焊接起来会很麻烦，并不一定是因为缺少松香的原因。
在调试电路时一定要细心加耐心，这是最难的一个环节，也是最考验基本功的环节。
如果对电路不熟悉那么出了问题解决起来就会很麻烦，对万用表和示波器等仪器的使用要熟练，这样可以节省很多时间。
如果一时半会儿实在找不出问题出在哪里，可以找其他人问问意见，集思广益。
有时候因为思维惯性我们会忽略很多小问题，请教老师和同学的帮助会很有用。
建议：
课程理论教学可以适当删减一些基础常识类内容，将最实用的内容讲清楚讲明白就可以了。
这门课最重要还是动手能力的锻炼，可以增加一些最简单常用的电路练习习题，不要等最后完成期末作业时手忙脚乱，浪费太多时间在一些基础的东西上。
六．附录
元器件明细表：
元器件
规格型号
元器件
规格型号
R1
1k
R2
1k
R3
1k
R4
1k
R5
1k
R6
1k
R7
1k
R8
1k
R9
1k
R10
删除
R11
1k
R12
1k
R13
1k
R14
0.1k
R15
51k
R16
删除
R17
510k
R18
1k
R19
1k
R20
1k
R21（滑变）
3k
R22（滑变）
3k
R23
100k
R24
2k
R25
0.1k
C1
0.1uF
C2
1uF
C3
1pF
C4
0.1uF
C5
0.1uF
C6
10uF
C7
1uF
C8
0.1uF
U1
CD40110
U2
NE555
U3
NE555
U4
删除
U5A/B
LM358
U6
NE555
Q1
2N3904
Q2
2N3904
Q3
2N3904
D1
红外发射管
D2
LED
D3
红外接收管
LED2
数码管
S
SWDPDPT
LS1
蜂鸣器
电路原理图见附带打印材料。
七．参考文献
1.何建新高胜东主编《数字逻辑设计基础》高等教育出版社2012.2
2.杨明欣主编《模拟电子技术基础》高等教育出版社2012.7
3.杨欣王玉凤刘湘黔主编《电子设计从零开始》北京：
清华大学出版社2005
8.思考题
CD40110中接CR的电路如何工作？
答：
这是一个可手动也可自动清零的装置。
当开关S断开时，电源VCC对C1充电，接上CR端，实现自动清零；当手动接通开关S时，C1被短路，开关S电路导通链接CR端，实现手动清零。
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