红外线报警器设计.docx
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红外线报警器设计
红外线遥控报警器
一、设计任务与要求
1、设计一个红外报警器，当无人进入红外光线探测范围时，报警器不发出报警信号，当有人进入红外光线探测范围时，报警器报警。
2、控制距离在2米以上
二、方案计划与论证
总体分析：
有人挡住红外光线时报警器发出声音，人没有挡住时报警器不发出声音，我们对此方案有两种思路：
1、第一方案为被动式:
地球上的物质都会辐射红外线,有的强烈有的平静，当有人进入探测器范围内，探测器探测到人体发出的较强的红外热辐射，经过光电转换，引起报警系统报警。
2、第二方案为主动式:
在探测区域范围内，红外光由发射端发射到接收端。
当有人进入区域内，挡住红外光线，接收端接受不到红外光线，以此引起接收系统中报警电路的反应，报警系统报警。
3、控制范围要求在2米以上，就要求红外发射器功率不能太小。
4、报警器的灵敏度是判断报警器好坏的一个重要标准，灵敏度越高越好。
但是要考虑到报警器对飘浮物和微小动物的误报，另外还要考虑白天黑夜光线的影响。
5、在选择器件时还要从经济上考虑，最好选用一些常用芯片器件。
设计方案总原理图
方案一、
采用TX05D红外线控制开关及蜂鸣器制成的，它制作容易、安装方便,而且直观,可以简易的将红外线反馈的信号导通蜂鸣器或关闭.
工作原理采用TX05D红外线控制蜂鸣器由红外线接收开关IC1、功率开关集成电路IC2、蜂鸣器及电源变换电路等组成,部分元件如图所示:
TX05D芯片
TX05D外部构造
'
TX05D内部构造
TWH8778芯片
方案二、
采用主动式红外报警器。
红外探测器由发射器和接收器组成、发射器和接收器相对安装,其间形成一束看不见的红外线,一旦有人经过遮挡,接收器的输出电平信号发生变化就会传感到安全防盗报警系统中。
红外线发射电路及接收电路部分电路如下:
555三极管
由555定时器和三极管构成的红外线报警器发射电路，其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo＝1．43／［（RI＋2R2）C］，其输出信号经三极管推动蜂鸣器。
PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。
A1、A2、A3、三级放大
红外脉动光信号后转换成电信号,并经A1、A2、A3、三级放大，输出恒定的高电平，其电平信号幅度接近工作电压。
三、单元电路设计与参数计算
红外线发射电路
脉动光的有效传送距离正比于脉冲的峰值功率,峰值功率又与脉冲峰值电流IP成正比。
红外光发光器件所能承受的脉冲峰值电流IP和所能承受的直流电流IM的关系:
式中:
IP—峰值电流,IM—最大工作电流,T0—振荡工作周期,td—脉冲上平顶宽度。
为了提高发射器的功率就需提高发光器件的峰值电流IP,IM是定值,所以从上式可知提高IP的重要途径是提高空度比。
因此设计控制电路要使脉冲的上平顶宽度td尽量小,以利获得较大的脉冲峰值电流IP。
红外发光器件一般使用GaAs红外发光二极管,它的光谱分布如下图所示：
上图GaAs二极管的光谱灵敏度
从图中可知:
GaAs红外发光管的相对光谱峰值波长K=940nm左右。
GaAs红外二极管的两个重要参数是正向电压#OVF和正向电流IF。
它的典型正向电压VF=1.4V。
图2表示了恒定温度t=25℃时GaAs红外二极管的正向电压VF与正向电流IF的函数关系。
从其V—I特性曲线,利用微商△VF△IF能方便地求出GaAs红外二极管正常工作区的动态阻抗rs。
它的rs大约在0.1～0.28之间。
发光二极管的调制末级要与动态阻抗相匹配。
在实际应用中,确定发射器与接收器之间的最大作用距离时,还要考虑到温差对发光器件辐射功率的影响。
因为温度影响发光二极管的量子效率,从而影响它的辐射功率。
随着温度升高,量子效率和辐射效率有所下降,随着温度降低,结果正好相反。
实验表明对GaAs二极管来说温度上升80℃时,辐射效率差不多减小一半。
而温度下降80℃时,辐射率差不多增加一倍。
所以在实际应用时确定红外探测器的最大作用距离应以夏季温度最高时调整的距离为准。
红外线接收电路
接收器的作用是接收发射器发出的红外脉动光,完成光电转换,经过放大、滤波等电路把正确信号可靠地传感到报警器安全系统的接口电路中。
接收器的光电转换器件选用2CU型光电二极管。
这种光电二极管采用黑色树脂封装,透射红外光,滤除可见光,对于减小背景光的干扰有特殊的效果。
2CU型光电二极管的光谱范围在380—1100nm,其峰值波长K=880-990nm,适于做GaAs红外二极管的光接收器件。
它的电器参数见下表：
四、总原理图及元器件清单
方案一、
1、方案一总原理图：
接通电源，220V交流电经变压器T降压、二极管VD2-VD5桥式整流、电容器C滤波后，输出约12V直流电，供蜂鸣器控制电路用电。
平时，由于常温物体辐射的红外线较弱，光敏三极管接收不到红外线,IC1输出端OUT处于低电平,IC2第5脚元合适的控制电压输入,因而其内部电子开关“断开”,蜂鸣器无电不工作。
当有人进入红外线接收范围时，人体会发出较强的红外辐射，并被光敏三极管接收转换成相同频率的电信号，经IC1内部电路一系列、解调、整形、比较后，由OUT端输出高电平信号，从而使IC2第5脚通过分压电阻器R1、R2获得合适的控制电压（≥1.6V阀值电压），控制IC2内部电子开关“闭合”，使蜂鸣器通电自动运行发出声响。
当人离开红外线照射范围，IC1内部光敏三极管失去红外脉冲信号，电路又恢复到平常的待机状态。
2、方案一元件清单：
元件序号
主要参数
数量
备注
R1
30k
1
R2
10k
1
C
470μ
TX05D
1
红外线控制开关
TWH8778
1
是开关集成电路，适合做微电流触发的电流型控制器件
二极管
5
VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、
蜂鸣器
1
可以用扬声器代替
电源
220V
1
变压器T
1
方案二、
1、方案二总原理图：
Ic1与R1R2C1组成无稳态振荡器,N1、N2、N3、为输出控制元件。
电路中:
振荡频率f≈1.443（R1+R2），占空比_=R1+R2/R1+2R2
发射器的工作电压为直流+9V,整机工作电流10mA左右。
按上述电路原理设计、即使在夏季温度最高时,发射器的最大作用距离也能达到100m以上。
D1为光电接收元件。
D1接收到发射器的红外脉动光信号后转换成电信号,并经A1A2A3三级放大,A4输出恒定的高电平,其电平信号幅度接近工作电压。
D1为接收指示。
如有遮挡,D1收不到红外光信号,A4输出电平变低;D2指示灯亮。
A4输出的电平信号由高变低从而触发报警系统的接口电路。
电路中C13、R15为短暂信号滤波电路。
接收器的集成电路应选用低噪低漂运算放大器,电阻尽可能选用误差小的金属膜电阻。
电容的漏电尽可能小。
2、方案二元件清单：
元件序号
主要参数
数量
备注
R
（电阻）
R1=10k、R2=22k、R3=100、R4=750、R5=220k、R6=47k、R7=47k、R8=33、R9=2.1k、R10=100k、R11=47k、R12=22k、R13=22k、R14=27k、R15=22k、R16=100、R17=22k
17
C
（电容）
C1=1000μ、C2=100μ、C3=100μ、C4=47μ、C5=20μ、C6=10μ、C7=100μ、C8=33μ、C9=10μ、C10=33μ、C11=33μ、C12=10μ、C13=100μ、C14=200μ、C15=1000μ、C16=100μ
16
C4和C15为有极性电容
光电发射元件
D2
1
光电接收元件
D1
1
二极管
VD1、VD2
2
三极管
N1、N2、N3、N4
4
N1~N3放大，N4输出
放大器
A1、A1、A3、A4
4
蜂鸣器
BELL
1
555芯片
555触发器
1
五、安装与调试
方案一：
将焊接好的电路板固定密闭的盒面板上，然后将整体固定在一个地方，接上电源，使电路能正常运行。
温度要正常，因为过高温度会影响红外线接收，引起失误。
注意在盒面板为红外线发射和接收器开出感光孔。
调整输入电压可以改变红外线照射范围。
方案二：
为减少背景或环境辐射的影响、设计一种套管结构装置来屏蔽掉这些不希望有的辐射。
套管装置既作为探测器的外壳又可以作环境光的屏蔽。
套管内壁要涂上一层粗糙的黑漆。
粗糙的黑漆表面吸收很大一部分光幅射,这样可以防止环境辐射的光反射到红外接收器件上。
套管结构装置的设计要考虑到坚固、易于安装、并且方便调整对准。
另外还要密封垫圈以利于户外使用时防雨防潮。
发射与接收红外线示意图
如果在有人遮挡红外光线时，如果报警器不运行，可能是由于接收端和发射端距离过远，确定正确的发射接收距离，要求发射端发出的红外光线要对准接收端口，这样才能使接收端产生相应的光电放应。
当有人遮挡时才会使报警器运行。
而且方案二中还设置了短暂信号滤波电路：
如飞鸟老鼠等小物体飞速穿过造成非常短暂的遮挡。
因此接收器输出的前一级要有滤波措施,以滤除0.5秒以下短暂遮挡的误触发信号。
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