测控电路课程设计.doc
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测控电路课程设计
课程设计结题报告
课程名称测控电路课程设计
题目1、红外报警系统的设计与实现
2、光照度测量
指导教师
系别仪器科学与光电工程学院
专业测控技术与仪器
学生姓名
班级/学号
成绩____________________________
目录
目录 1
设计任务与要求 2
1.设计内容：
2
本小组选择的题目 2
红外报警系统的设计与实现 2
一、课设背景：
2
二、系统设计方案 3
1、结构框图：
3
2、系统原理与原理图：
3
3、系统的功能 3
三、传感器选择：
4
热释电红外传感器RE200B 4
选择的原因：
4
工作原理：
4
参数 5
四、单元电路设计 5
红外线采集接收电路 5
红外线采集接收电路电路图 5
信号的放大处理电路 6
信号的放大处理电路电路图 6
信号的比较电路 6
信号的比较电路电路图 7
信号的取反电路 7
信号的取反电路电路图 7
蜂鸣器报警电路 7
五、元器件选择 7
LM741 7
LM339 8
HD74LS00P与非门芯片 10
六、电路接线图 10
七、调试过程：
11
八、结果（数据、图表等） 11
光照度测量 13
一、课设背景 13
二、系统设计方案 13
1、结构框图 13
2、系统的功能 14
3、系统原理与原理图 14
三、单元电路设计 14
1.Led发光和光电转换电路 14
2.I/V转换放大输出电路以及数字表头显示电路 15
3.比较电路及其发光报警电路 15
四、电路接线图 15
五、调试过程：
16
六、结果（数据、图表等） 16
七、总结 17
设计任务与要求
1.设计内容：
室内环境参数测量及安防报警电路设计
温度、湿度、照度测量与显示、报警电路设计；
破门入室、破窗入室、室内防盗、火灾,燃气泄露等报警电路设计。
2.基本要求：
用电路实现，不用软件；
用数字表头实现测量值的显示；
能够设置环境参数测量值报警上下限，并实现声、光报警；
从1和2中各选一项完成；
3.提高部分：
完成1和2中功能或其它自选功能。
本小组选择的题目
室内环境参数测量及安防报警电路设计：
我们选择的是分别是光照度测量和红外报警系统的设计与实现。
一．红外报警系统的设计与实现
一、课设背景：
由于改革开放的深入发展，电子电器的飞速发展.人民的生活水平有了很大提高。
各种高档家电产品和贵重物品为许多家庭所拥有。
然而一些不法分子也是越来越多。
这点就是看到了大部分人防盗意识还不够强.造成偷盗现象屡见不鲜。
因此，越来越多的居民家庭对财产安全问题十分担忧。
报警器这时正为人们解决了不少问题.但是市场上的报警器大部分都是用于一些大公司财政机构。
价格高昂,一般人们难以接受。
如果再设计和生产一种价廉、性能灵敏可靠的防盗报警器，必将在防盗和保证财产安全方面发挥更加有效的作用。
由于红外线是不见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用，此外，在电子防盗、人体探测等领域中，被动式热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。
红外报警器大多数采用国外的先进技术,其功能也非常先进。
其中包括被动式热释电型红外报警器,也即是本文将研究的产品。
还有红外监控无线报警器,超声波防盗报警器,红外线防盗报警器,高灵敏红外报警器,触摸式延时防盗报警器,触摸式防盗报警器,红外报警器,红外线声先报警器……
其外，可用红外报警器原理，控制各种电器的运行……
目前,一些银行、商场和宾馆都安装了防盗监视录像式自动报警系统。
这些系统工作起来有效,可靠,但成本高,不隐蔽,且在普通家庭及办公室使用不易普及。
热释电红外传感器工作原理是利用晶体热释电效应,检测人体特定波长的红外辐射,它能广泛应用于防盗报警。
二、系统设计方案
1、结构框图：
蜂鸣器
放大电路
调节电路
双元热释电红外传感器RE200B
人体红外线
2、系统原理与原理图：
图1红外线报警器原理图
3、系统的功能
当有人闯进来时，热释电红外传感器RE200B接收到红外线，输出为低电平；当无人闯进来时，热释电红外传感器RE200B接收不到红外线，输出为高电平。
热释电红外传感器输出的信号，经运算放大器LM741进行放大处理，将输出的信号经过比较器LM339与已测定的有人进入时的电压比较，若是输出的电压高于参考电压则输出高电平；反之输出低电平。
将该电信号再次经过非门，对信号取反。
最终得到当有人闯入时输出为高电平，蜂鸣器发出蜂鸣声而报警；无人闯入时输出为高低电平，蜂鸣器不发出蜂鸣声报警。
三、传感器选择：
热释电红外传感器RE200B
RE200B是传感器的一种，RE200B采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，并配合双灵敏元互补方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。
热释电红外传感器通常采用3引脚金属封装，各引脚分别为电源供电端（内部开关管D极，DRAIN）、信号输出端（内部开关管S极，SOURCE）、接地端（GROUND）。
常见的热释电红外传感器外形如图2所示：
图2RE200B外形及其引脚功能
选择的原因：
热释电红外传感器RE200B稳定好，能实现我们小组选题的中要求的功能，并且价格便宜，性价比高。
工作原理：
热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。
不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。
为了抑制因自身温度变化而产生的干扰，该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化并将其转换为电信号输出。
热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。
由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用因而需要用电阻将其转换为电压形式，该电阻阻抗高达１０４ＭΩ，故引入的Ｎ沟道结型场效应管应接成共漏形式即源极跟随器，来完成阻抗变换。
热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。
设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。
由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。
图2是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。
使用时Ｄ端接电源正极，Ｇ端接电源负极，Ｓ端为信号输出。
该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。
它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。
对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。
制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为０．２～２０μｍ。
为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。
这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。
参数
灵敏元面积2.0×1.0mm2
基片材料硅
基片厚度0.5mm
工作波长7-14μm
平均透过率>75%
输出信号>2.5V（420°k黑体1Hz调制频率0.3-3.0Hz带宽72.5db增益） 噪声<200mV（mVp-p）（25℃）
平衡度<20%
工作电压2.2-15V
工作电流8.5-24μA（VD=10V,Rs=47kΩ,25℃）
源极电压0.4-1.1V（VD=10V,Rs=47kΩ,25℃）
工作温度-20℃-+70℃
保存温度-35℃-+80℃
视场139°×126°
四、单元电路设计
红外线采集接收电路
由热释电红外传感器RE200B来完成。
当有人闯入时RE200B输出为低电平，当无人闯进时输出为高电平。
红外线采集接收电路电路图
图3红外线采集接收电路
信号的放大处理电路
由运算放大器LM741，将信号放大处理。
信号的放大处理电路电路图
图4信号的放大处理电路电路图
信号的比较电路
由运算放大器LM339，将信号比较处理。
当输入电压低于参考电压1.8V是输出-5V；当输入电压高于参考电压1.8V是输出5V。
信号的比较电路电路图
图4信号的比较电路电路图
信号的取反电路
由与非门74LS00芯片，将信号进行取反处理。
当输入电压为低电压时，经过该电路取反，得到高电平输出；当输入电压为高电压时，经过该电路取反，得到低电平输出。
信号的取反电路电路图
图4信号的比较电路和蜂鸣器电路图
蜂鸣器报警电路
由蜂鸣器发出蜂鸣声报警。
当输入电压为高电压时，蜂鸣器报警；当输入电压为低电压时，蜂鸣器不报警。
五、元器件选择
LM741
LM741（单运放）是高增益运算放大器，用于军事，工业和商业应用.这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。
这些类型还具有广泛的共同模式，差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位。
10kΩ电位器是用于抵消调零类型CA741C，CA741（见图5）类型CA1458，CA1558没有具体的终端抵消调零。
每一类运放包括一个差分输入放大器有效驱动增益和发射极跟随互补输出。
技术数据类型与相应的台湾CA品牌同类型。
LM741的管脚图：
图5LM741的管脚图
LM741的内部结构图：
图5LM741的内部结构图
LM339
LM339是四电压比较器集成电路。
该电路的特点如下：
工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：
2～36V，双电源：
±1～±18V；
消耗电流小，Icc=1.3mA；
输入失调电压小，VIO=±2mV；
共模输入电压范围宽，Vic=0～Vcc-1.5V；
输出与TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容；
输出可以用开路集电极连接“或”门；
采用双列直插14脚塑料封装（DIP14）和微形的双列14脚塑料封装（SOP14）。
LM339的管脚图
图5LM741的管脚图
LM339的内部结构图
图6LM741的内部结构图
LM339是高增益,宽频带器件,象大多数比较器一样,如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合,则很容易产生振荡.这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时,输出电压过渡的间隙.电源加旁路滤波并不能解决这个问题,标准PC板的设计对减小输入—输出寄生电容耦合是有助的.减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号,而且增加甚至很小的正反馈量（滞回1.0~10mV）能导致快速转换,使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡.除非利用滞后,否则直接插入IC并在引脚上加上电阻将引起输入—输出在很短的转换周期内振荡,如果输入信号是脉冲波形,并且上升和下降时间相当快,则滞回将不需要.比较器的所有
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