光控防盗报警器设计终极版1概要.docx
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光控防盗报警器设计终极版1概要
东北石油大学
课程设计
2012年7月1日
东北石油大学课程设计任务书
课程电子技术课程设计题目光控防盗报警器设计专业自动化姓名孙中原学号主要内容：
根据设计要求，运用所学的模拟电子技术及电路基础等知识，自行设计一种通过红外线发光二极管发射光脉冲，实现电路对人或物体的感应，从而通过声音和显示信号通知主人，从而进行警报以达到保护财产安全
基本要求：
1.要求电路能够通过感应装置，检测出是有物体接近所要保护的财产。
2.要求电路当判定有物体接近时，能过通过声光形式报警。
3.要求电路当发出警报一段时间T后，能够自动喷洒出麻醉剂。
4.要求电路可以根据需要，调节喷洒出麻醉剂的等待时间T。
主要参考资料：
[1]何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月
[2]姚福安，电子电路设计与实践，山东科技技术出版社，2001年10月
[3]王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月
[4]李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月
[5]康华光，电子技术基础，高教出版社，2003
[6]陈尔绍，实用声光控制电子装置制作精选200例，人民邮电出版社，1999
[7]杨志忠，电子技术课程设计，机械工业出版社，2008年7月完成期限指导教师刘小斌白丽丽
专业负责人
2012年6月24日
目录
1任务与要求..............................................................2
2总体方案设计与选择.....................................................2
2.1简易光电报警电路模块图...........................................2
2.2工作原理.........................................................2
3电路总原理框图设计.....................................................6
4单元电路设计...........................................................6
4.1555定时器........................................................6
4.2LM567.............................................................8
5单元电路的级联设计.....................................................10
6个人总结...............................................................10
参考文献................................................................12
附录...................................................................1
1
1任务与要求
任务：
设计一个光控装置检测是否外人接近个人私有财产，并自动采取相应措施要求：
1.要求电路能够通过感应装置，检测出是有物体接近所要保护的财产。
2.要求电路当判定有物体接近时，能过通过声光形式报警。
3.要求电路当发出警报一段时间T后，能够自动喷洒出麻醉剂。
4.要求电路可以根据需要，调节喷洒出麻醉剂的等待时间T。
2总体方案设计与选择
2.1简易光电报警电路模块图
简易光控防盗报警电路的总体框架图如图1所示。
它由红外线发射电路、红外线接收电路，选频及声光报警电路、时间延迟电路，自动喷洒麻醉剂电路和电源电路6部分构成的。
图1简易光控报警防盗报警电路的总体框图
红外线发射电路的功能是利用红外线发光二极管发射光脉冲，从而实现电路对人体或物体的感应。
红外线接收电路的功能是利用光敏元件接收发射出来的光脉冲，并且将光脉冲信号转化为电信号，同时对其进行放大。
声光报警电路的功能是当有人体或物体接近防盗报警电路时，通过声音和显示信号提示主人。
时间延迟和自动喷洒电路的功能是当声光报警一段时间之后自动喷洒麻醉剂来保护财产。
电源电路的功能是为上述所有电路提供直流电压，该电路也可采用电池供电，但需要注意的问题是选择合适电池的指标参数与电路相匹配。
2.2工作原理
2.2.1电源电路
2
图2电源供电电路
电源电路的设计可以采用两种方法来实现：
第一种方法是采用电池供电，但需要注意的问题是选择合适电池的指标参数与电路相匹配；第二种方法就是采用上图所示电路。
电路直接从电网供电，通过变压器电路、整流电路、滤波电路和稳压电路将电网中的220V交流电转换为+12V和+5V的直流电压。
电路中的变压器采用常规的铁心变压器，整流电路采用二极管桥式整流电路，，C3、C5、C4、C6、C7、C8和C6完成滤波功能，稳压电路采用三端稳压集成芯片LM7812和LM7805来实现。
其中+5V电源主要用来给LM567芯片供电。
2.2.2红外发射电路
图3红外发射电路
双束红外线发射电路（如图）：
由一块时基集成电路NE555及其外围阻容元件构成一多谐振荡器，频率f＝1.443/〔（R1＋2R）×C1〕，本电路设在1400Hz左右。
合上开关SA，发射器就发射出两束相距10cm的调制红外线，照射在红外接收管上，作为报警的信号源。
但是考虑到实际中电源开启后防止人未离开就发生误报警，在复位端加一个延时复位电路。
电源开启一段时间后对电容C9充电充满后4端复位，电路起振。
2.2.3红外接收电路
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图4红外接收电路
信号接收处理上（如图）：
两只光电接收管分别接收一束红外光，并将其转化为相同频率的信号电压，经过红外线经两个三极管组成的全频放大电路放大后送入锁相环频率解码集成电路LM567进行选频。
2.2.4选频电路
图5选频电路
选频电路主要由锁相环频率解码器LM567及相关元件组成，其中心频率f＝
1/1.1RNCN，改变RN或者CN的数值,可使中心频率改变.当外加在LM567第3引脚上的外来信号频率与选频电路的中心频率一致时,LM567第8引脚便呈低电平,当外来信号与中心频率不一致时，8引脚置高电平。
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2.2.5声光报警电路
图6声光报警电路
声光报警电路（如图四），它主要由多谐振荡电路、音频振荡电路及稳压电路组成。
当红外发射电路发射出的两束红外线同时被遮断时，接收选频电路失去与中心频率相一致的外来信号，LM567第8引脚立即跳变为高电平，555芯片被置位导通，555开始振荡，发光二极管LED点亮并开始闪烁，扬声器发出类似警车笛声——这样做的目的是对歹徒有一定的震慑作用，将其吓走。
如果只有一束红外线被遮断或两束红外线非同时被遮断，则该报警电路不会报警，因此可防止小动物闯入警戒范围内而引起的误报警，提高了其可靠性。
2.2.6时间延迟及麻醉喷射电路
图7时间延迟及麻醉喷射电路
图7中，由NE555组成的左半部电路为时间延迟电路。
该电路主要由两部分组成：
一是整流和滤波电路；二是由NE555集成电路构成的单稳态电路。
前端电路的输出电压V1首先经过二极管D5和D6整流，再经过电容C1滤波，则在NE555集成电路的TREG端
产生了触发电平信号。
当接收到红外线脉冲时，前端电路输出电压V1经由整流和滤波在TRIG端产生一个高电平信号，由NE555集成电路构成的单稳态电路特性可知，输出端Q输出低电平；当由于人体或者物体的阻隔，没有接收到红外线脉冲时，前端电路没有输出电压V1，则
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TRIG端输入为零，单稳态电路接收到触发信号，输出端Q输出为高电平并保持一段时间。
延迟时间由可变电阻R2和电容C2的数值决定，通过调节可变电阻的大小，可以改变延迟时间的长短，以适合不同场合的应用。
该图的右半部分为麻醉剂开关电路。
由于电磁阀通过的是大电流、在功率，而直流电源一般无法提供很大的电流和功率，因此电磁阀需要交流供电，从而电路中的开关需要采用继电器电路。
而一般NE555集成电路的输出电流无法驱动继电器，因此需要加入电流放大电路。
由在极管构成的电流放大电路是一种比较典型和简单的电路，其中R10为限流电阻，防止输入电流过大烧毁在极管。
Q4为共发射极电路，当输出端Q为高电平时，三极管导通饱和，将输入电流放大倍；当输出端Q输出低电平时，三极管截止，无电流通过。
继电器连接Q5的集电极，当有电流驱动时，开关吸合，电磁阀通电，麻醉剂喷洒出；当无电流驱动时，开关断开，电磁阀不通电，没有麻醉剂喷洒出，同时在继电器两端并联一个二极管实现保护。
3电路总原理框图设计
把上述各部分电路连接起来便构成了完整的光控防盗报警器控制电路。
其总电路图如附录所示。
4单元电路设计
4.1555定时器
4.1.1内部结构及引脚功能
555定时器电路是一块介于模与数字电路的一种混合电路，由于这种特殊的地位，故555定时电路在报警电路、控制电路得到了广泛的应用。
下图为555的内部电路，从图上可以看出，其仅有两个比较器、一个触发器、一个倒相器、
放电管和几个电阻构成，由于比较器电路是一个模拟器，而触发器电路为数字电路，故其为混合器件。
6
图8555内部结构及引脚图
555为一8脚封装的器件，其各引脚的名称和作用如下：
1脚—GND,接地脚2脚—TL,低电平触发端3脚—Q,电路的输出端4脚—/RD,复位端，低电平有效5脚—V_C,电压控制端6脚—TH,阈值输入端7脚—DIS，放电端
8脚—VCC,电源电压端，其电压范围为：
3～18V
4.1.2555的功能描述
上图中当V_C不外接电压时，三个电阻对电源电压进行分压，每个电阻上的压降为1/3VCC,则两个比较器的同相端的输出电压分别为：
1/3CC,2/3VCC。
从图上可以看出，其555的工作可分为下列3种情况加以讨论：
1.当触发输入端TL输入电压低于1/3VCC而阈值输入端电压大于2/3VCC时,其下面比较器输出为高电平，触发器输出高电平；2.当触发输入端TL输入电压高于1/3VCC，而阈值输入端电压小于2/3VCC时,其两个比较器输出皆为低电平，触发器输出保持不变；3.当触发输入端TL输入电压高于1/3VCC而阈值输入端电压大于2/3VCC时,其上面比较器输出为高电平，触发器输出低电平。
详细情况见下列表格：
表1555的内部触发电平表格
4.1.3555的应用
7
1、单稳类电路
作用：
定延时，消抖动，分（倍）频，脉冲输出，速率检测等。
2、双稳类电路
作用：
比较器，锁存器，反相器，方波输出及整形等。
3、无稳类电路
作用：
方波输出，电源变换，音响报警，玩具，电控测量，定时等。
4.1.4555管脚图
图9555外部引脚图
4.2LM567
4.2.1LM567管脚功能
IC2是LM567。
LM567是一片锁相环电路，采用8脚双列直插塑封。
其⑤、⑥脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2，f2≈1/1.1RC。
其①、②脚通常分别通过一个电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。
②脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：
电容值越大，环路带宽越窄。
①脚所接电容的容量应至少是②脚电容的2倍。
③脚是输入端，要求输入信号≥25mV。
⑧脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为100mA。
LM567的工作电压为4.75～9V，工作频率从直流到500kHz，静态工作电流约8mA。
LM567的内部电路及详细工作过程非常复杂，这里仅将其基本功能概述如下：
当LM567的③脚输入幅度≥25mV、频率在其带宽内的信号时，⑧脚由高电平变成低电平，②脚输出经频率/电压变换的调制信号；如果在器件的②脚输入音频信号，则在⑤脚输出受②脚输入调制信号调制的调频方波信号。
在图4的电路中我们仅利用了LM567接收到相同频率的载波信号后⑧脚电压由高变低这一特性，来形成对控制对象的控制
4.2.2LM567内部结构及工作原理
LM567为8脚直插式封装，其内部结构、引脚定义及外围元件连接方法如下图所示。
8
LM567内部包含了两个鉴相器PD1及PD2、放大器AMP、电压控制振荡器VCO等单元电路。
鉴相器PD1、PD2均采用双平衡模拟乘法器电路，在输入小信号情况下（约几十mV），其输出为正弦鉴相特性，而在输入大信号情况下（几百mV以上），其输出转变为线性（三角）鉴相特性。
锁相环路输出信号由电压控制振荡器VCO产生，电压控制振荡器的自由振荡频率（即无外加控制电压时的振荡频率）与外接定时元件RTCT的关系式为：
f0≈1/1
.1RTCT。
图10LM567内部结构图
选用适当的定时元件，可使LM567的振荡频率在0.01Hz～500kHz范围内连续变化。
电路工作时，输入信号在鉴相器PD1中与VCO的输出信号鉴相，相差信号经滤波回路滤波后，成为与相差成一定比例的电压信号，用于控制VOC输出频率f0跟踪输入信号的相位变化。
若输入信号频率落在锁相环路的捕获带内，则环路锁定，在振荡器输出频率与输入频率相同时，二者之间只有一定相位差而无频率差。
环路用于FM信号解调时，脚2输出的经过滤波后的相差信号可作为FM解调信号的输出，而当环路用于单音解调时，电路则利用PD2输出的相差信号。
PD2的工作方式与PD1略有不同，它是利用压控振荡器输出的信号f0经90°移相后再与输入信号进行鉴相，是一正交鉴相器。
在环路锁定情况下，PD2的两个输入信号在相位上相差约为90°，因而PD2的输出电压达到其输出范围内的最大值，再经运算放大器AMP反相，在其输出端输出一个低电平。
AMP的输出端为OC输出方式，低电平输出时可吸收最大100mA的输出电流。
该端口的低电平输出信号除可由上拉电阻转换为电压信号以与TTL或CMOS接口电路相匹配外，还可直接驱动LED及小型继电器等较大负载。
LM567的电气参数如表1所列。
值得一提的是，接在2脚的环路滤波电容C2与内部电阻
9
一道构成锁相环路的RC积分滤波器，该滤波器时间常数的大小在很大程度上决定了锁相环路的环路带宽BW的大小。
当BW较大时，捕获范围大而稳定性差。
减小BW则正好相反，其稳定性较好而捕获范围变小。
LM567的环路带宽BW可由下式计算：
BW=1070（Vi／f0C2）1/2，式中，Vi为输入信号的幅值（rms），C2为滤波电容的容量（单位为μF）。
实际上，由上式计算得出的并不是环路带宽BW的实际值，而是环路带宽BW与环路中心频率f0的百分比，其值再乘上100％才是锁相环路的实际捕获带宽。
实际应用中调整C2的大小可使BW在0％～4％范围内变化。
BW宽度与f0C2乘积之间的关系如图2。
LM567在正常工作时的最小输入信号为20mV。
当用于单音解码时，其工作特性为：
当LM567信号输入端加入幅度为20mV以上的交流信号且频率落入f0±BW范围内时，输出端输出一个低电平的检测信号，这就是所谓的“频率继电器”特性。
利用这一特性，LM567可广泛应用于各种低频单一频率信号的解码。
5单元电路的级联设计
将红外线发射电路、红外线接收电路、选频及声光报警电路、时间延迟和自动喷洒电路、电源电路按照图1所示的顺序，按照直接耦合的方式连接，就构成了完整的光控防盗报警器的设计
6个人总结
本学期我们开设了《模拟电路》课，这门学科属于电子电路范畴，与我们的专业也都有联系，且都是理论方面的指示。
正所谓“纸上谈兵终觉浅，觉知此事要躬行。
”学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的，所以在本学期暨模电、刚学完之际，紧接着来一次电子电路课程设计是很及时、很必要的。
这样不仅能加深我们对电子电路的认识，而且还及时、真正的做到了学以致用。
这一周的课程设计，先不说其他，就天气而言，确实很艰苦，天气炎热，坐下来才一会会，就全身湿透，但是炎炎烈日挡不住我们求知、探索的欲望。
通过我们不懈的努力与切实追求，终于做完了课程设计。
在这次课程设计过程中，我也遇到了很多问题。
首先是学习用protel画图，因为以前没有学习过，所以这次花了两天的时间才基本上掌握了protel的一些简单操作。
其次就是一些集成芯片的作用不太明白，如：
LM567、NE555，但通过复习课本和查阅相关资终于搞明白了这些芯片的作用及功能。
再有就是麻醉剂电路不知如何去设计，只有通过上网或上图书馆查资料去寻求答案，最后功夫不负有心人，也终于让我找到了。
这次课程设计让我学到了很多，不仅是巩固了先前学的模电的理论知识，而且也培养了我的动手能力，更令我的创造性思维得到拓展。
希望今后类似这样课程设计、类似这样的锻炼机会能更多些！
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通过这次课程设计，得到了一次理论和实践的结合，是平时学习积累的施展，加深了对电子技术的喜爱和了解，但是也暴露了很多了自己的问题，比如很多器件不懂得其功能和原理，所以走了很多弯路，达不到简便的目的。
因为这是第一次做课程设计，所以看到这个题目的时候心里一点底都没有，但是通过查阅一些资料和同学的帮助，脑海里才渐渐的有了一个大概的轮廓，思路才逐渐清晰。
了解了制作一个好的电子电路是多么的不容易，同时也要掌握很多知识，这让我感到平时知识积累的重要性，更懂得学习的重要性，并学会了如何去查阅一些资料和利用资料。
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参考文献
[1]何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月
[2]姚福安，电子电路设计与实践，山东科技技术出版社，2001年10月
[3]王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月
[4]李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月
[5]康华光，电子技术基础，高教出版社，2003
[6]陈尔绍，实用声光控制电子装置制作精选200例，人民邮电出版社，1999
[7]杨志忠，电子技术课程设计，机械工业出版社，2008年7月
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附录1简易光控防盗报警电路总图
附录附图1简易光控防盗报警电路总图
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东北石油大学课程设计成绩评价表
指导教师：
白丽丽刘小斌年月日
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