反射式红外报警电路设计报告.docx
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反射式红外报警电路设计报告
红外报警电路设计
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>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）。
二.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。
三.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）
四.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。
五.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。
六.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
1．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。
在设计之前，明白NE555各种工作状态下的工作原理。
结合各部分的工作特点，决定电路的设计思路。
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：
1.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：
2.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）
0.0006
0.0070
0.0147
1.1968
0.0147
3.6808
有反射电压（V）
0.0518
0.1466
1.7218
1.1965
1.7218
1.6835
（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）
3.6808
0.0091
否
有反射电压（V）
1.6835
4.3933
是
3.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
R1
AXIAL-0.4
4.8KΩ
Q（3个）
9013/BCY-W3
R2
AXIAL-0.4
200Ω
红外对管、LED灯
LED-0
R3
AXIAL-0.4
6.8KΩ
蜂鸣器
PING2
R4
AXIAL-0.4
1KΩ
C1
RAD-0.3
0.01uF
R5
AXIAL-0.4
200Ω
C2
RAD-0.3
0.1uF
R6
AXIAL-0.4
4.2KΩ
C3
RAD-0.3
1000uF
R7
AXIAL-0.4
1MΩ
C4
RAD-0.3
10uF
R8
AXIAL-0.4
4.2KΩ
C5
RAD-0.3
0.01uF
R9
AXIAL-0.4
1KΩ
C6
RAD-0.3
10uF
R10
AXIAL-0.4
4.2KΩ
C7
RAD-0.3
0.1uF
R11
AXIAL-0.4
2KΩ
C8
RAD-0.3
0.1uF
R14
AXIAL-0.4
200Ω
C9
RAD-0.3
100uF
变阻器
R12
102/VR4
1KΩ
LM358
DIP-8
LM358N
HLP1008
变阻器R13
503/VR4
50KΩ
NE555
（三个）
DIP-8
15C5X7M
NE555P
七．参考文献
[1].林捷，杨绪业，模拟电路与数字电路.北京：
人民邮电出版社，2007.3；
[2].蔡杏山，零起步轻松学Protel99SE电路设计.北京：
人民邮电出版社，2007.1
[3].何建新，数字逻辑设计基础.北京：
高等教育出版社，2012.11；
[4].王俊峰,常用电路的分析方法与技巧.北京：
机械工业出版社2011.01
[5].钱如竹,实用自控及报警电子装置制作365例.北京：
人民邮电出版社，1992.7
[6].陈有卿，报警集成电路和报警器制作实例.北京：
人民邮电出版社,1996
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