红外遮断式报警器.docx
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红外遮断式报警器
前言
随着红外线被发现，对其的研究与开发就从未停止过，从日常的生活到军工产品都可以发现对红外线的应用。
红外线遥控技术的发展更是改变了人们的生活，红外遥控报警器依靠其隐蔽性强，控制范围广，灵敏度高，成为防盗的一把利剑。
在重要的部门和场所的工作重点，例如银行的金库，单位的财务室及一些仓库，都有对其的应用。
普通人家也可以根据自己的需要安装报警器预防盗窃，给人类的生活以安全保障，本报告主要阐述了设计制作一个简要的红外遥控报警器的过程，经过一周的努力，实现了其报警功能。
第一章设计内容及要求
本文的设计任务和目标如下：
①当有人遮挡红外发光时发出报警信号，无人遮挡红外光时报警器不工作。
②红外发射器，发射频率为30KHZ，控制距离≥2M。
③报警器信号频率为800HZ（实验中用蜂鸣器代替报警器）。
注：
可使用实验室电源，以及示波器。
第二章系统设计方案
本设计方案由红外发射电路和接收报警两大电路组成，其中红外发射电路由振荡脉冲和功放电路两大系统组成，红外接收电路由运放系统和整流。
电路图如2-1示。
以555为核心组成的多谐振荡电路，由不同的充电电阻选择不同的频率，再通过功率放大器控制红外发光二极管发射红外脉冲。
555和
—
、
、
等组成一个无稳态多谐振荡器，可以通过开关
-
选通不同阻值的充电电阻（
-
），得到不同的频率，即发出不同的音符；改变
的阻值也可改变频率达到改变频率的要求。
通过设计要求中所给的频率计算相应的阻值，选择合适的电位器调节后接入电路中。
功率放大电路则用两只NPN管构成的复合管，增大了电流放大系数，减少了前级的驱动电流，简单实用。
电路图如2-2示。
接收电路核由红外光敏二极管将光信号转化为电信号，放大电路的核心是由LM741组成的放大电路。
由稳压二极管以及三极管组成的整流开关电路，当无人遮挡红外光时二极管将交流信号转为直流信号控制Q2使其导通，则蜂鸣器不工作，有人遮断红外光时，则Q2处于截止状态，即蜂鸣器工作，从而达到控制开关电路的作用。
图2—1红外发射电路
图2—2红外接受报警电路
第三章系统组成及工作原理
3.1系统组成
本设计的发射电路设计概念如图3—1所示由两个系统组成：
振荡和脉冲发生电路和功放电路部分组成。
图3—1红外发射电路
红外接受电路设计概念如图3—2，同样有两个系统组成，即放大部分与整流部分。
图3—2红外接受电路系统
3.2工作原理
红外发射电路是通过调节R1和R2的阻值，控制振荡的频率，从三管脚的输出信号，通过功率放大，使红外二极管发光。
红外接受报警电路是由红外光敏二极管将光信号转化为电信号，经过LM741与三极管进行二次电压放大，通过整流控制三极管的工作状态从而控制蜂鸣器工作。
3.2.1相关芯片介绍
555芯片
555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。
555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
555定时器外引脚排列图如图3—3所示。
它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。
图3—3555芯片
555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。
555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
555定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图2.9.1和图2.9.2所示。
它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3
表3-1555功能表
输入
输出
状态
0
/
/
低
导通
1
>2/3
>1/3
低
导通
1
<2/3
>1/3
不变
不变
1
<2/3
<1/3
高
截止
1
>2/3
<1/3
高
截止
LM741芯片
电压放大电路采用LM741集成运算放大器。
LM741是高性能内补偿运算放大器，功耗低，无外部频率补偿，具有短路保护和失调电压调零能力。
LM741集成运算放大器引脚图如图3—4所示。
图3—4LM741引脚图
集成运算放大器LM741的管脚功能是：
1脚为调零端，2脚为反相输入端，3脚为同相输入端，4脚为接地端，5脚为调零端，6脚为输出端，7脚为正电源端，8脚为空脚端。
LM741是通用型运算放大器电路，他的应用很广泛，可以构成各种功能电路，其调零电路如图3—5所示。
图3—5LM741集成运算放大器应用图
3.2.2功放电路
放大电路可以有多种选择，本次设计最主要的任务是对电流放大，故我们这次选用达林顿（复合管）。
达林顿管就是两个三极管接在一起，极性只认前面的三极管。
具体接法如下，以两个相同极性的三极管为例，前面为三极管集电极跟后面三极管集电极相接，前面为三极管射极跟后面三极管基极相接，前面三极管功率一般比后面三极管小，前面三极管基极为达林顿管基极，后面三极管射极为达林顿管射极，用法跟三极管一样，放大倍数是两个三极管放大倍数的乘积。
达林顿管原理
达林顿管又称复合管。
它将二只三极管适当的连接在一起，以组成一只等效的新的三极管。
这等效于三极管的放大倍数是二者之积。
在电子学电路设计中，达林顿接法常用于功率放大器和稳压电源中。
达林顿电路有四种接法：
NPN+NPN，PNP+PNP，NPN+PNP,PNP+NPN.图3—6为两个相同的NPN型三极管构成的NPN型达林顿管.
.图3—6两个相同的NPN型三极管
图3—7为一个PNP型三极管和一个NPN型三极管构成的PNP型达林顿管.
图3—7一个PNP型三极管和一个NPN型三极管
图3—8为两个相同的PNP型三极管构成的PNP型达林顿管.
图3—8两个相同的PNP型三极管
图3—9为一个NPN型三极管和一个PNP型三极管构成的NPN型达林顿管.
图3—9为一个NPN型三极管和一个PNP型三极管
前二种是同极性接法，后二种是异极性接法。
NPN+NPN的同极性接法：
B1为B，C1C2为C，E1B2接在一起，那么E2为E。
这里也说一下异极性接法。
以NPN+PNP为例。
设前一三极管T1的三极为C1B1E1，后一三极管T2的三极为C2B2E2。
达林顿管的接法应为：
C1B2应接一起，E1C2应接一起。
等效三极管CBE的管脚，C=E2,B=B1，E=E1（即C2）。
等效三极管极性，与前一三极管相同。
即为NPN型。
PNP+NPN的接法与此类同。
NPNPNP
同极型达林顿三极管
NPNPNP等效一只三极管
异极型达林顿三极管
3.2.3整流电路
整流电路分为：
半波整流电路、全波整流电路、桥式整流电路。
根据本次实验的需要，笔者选用全波整流电路，下面对全波整流电路的原理进行详细的阐述。
全波整流电路
如果把整流电路的结构作一些调整，可以得到一种能充分利用电能的全波整流电路。
图3—10是全波整流电路的电原理图。
图3—10全波整流电路的电原理图
全波整流电路的工作原理:
全波整流电路，可以看作是由两个半波整流电路组合成的。
变压器次级线圈中间需要引出一个抽头，把次组线圈分成两个对称的绕组，从而引出大小相等但极性相反的两个电压e2a、e2b，构成e2a、D1、Rfz与e2b、D2、Rfz，两个通电回路。
全波整流电路的工作原理，可用图3—11所示的波形图说明。
在0～π间内，e2a对Dl为正向电压，D1导通，在Rfz上得到上正下负的电压；e2b对D2为反向电压，D2不导通（见图3—11（b）。
在π-2π时间内，e2b对D2为正向电压，D2导通，在Rfz上得到的仍然是上正下负的电压；e2a对D1为反向电压，D1不导通（见图3—11（C）。
图3—11整流电路波形图
（a）
（b）（c）
图3—11整流电路波形图
如此反复，由于两个整流元件D1、D2轮流导电，结果负载电阻Rfz上在正、负两个半周作用期间，都有同一方向的电流通过，如图3—11（b）所示的那样，因此称为全波整流，全波整流不仅利用了正半周，而且还巧妙地利用了负半周，从而大大地提高了整流效率（Usc＝0.9e2，比半波整流时大一倍）。
图3—11所示的全波整滤电路，需要变压器有一个使两端对称的次级中心抽头，这给制作上带来很多的麻烦。
另外，这种电路中，每只整流二极管承受的最大反向电压，是变压器次级电压最大值的两倍，因此需用能承受较高电压的二极管.
第四章单元电路设计
4.1振荡和脉冲发生电路
555定时器是一种集成电路，因集成电路内部含有三个5千欧电阻而得名。
利用555定时器可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。
只要将555定时器的2号脚和6号脚接在一起，就可以构成施密特触发器，简记为“二六一搭”。
这个施密特触发器的电压传输特性是反相的。
5号脚悬空时，正向阈值电压和负向阈值电压分别为2
和1
。
5号脚接控制电压
时，正向阈值电压和负向阈值电压分别为
和1
。
将555定时器的6号脚和7号脚接在一起，并添加一个电容C和一个电阻R，就可以构成单稳态触发器。
电容接在电源与6号脚之间，电阻接在7号脚和地之间。
我们简记为“七六一搭，下C上R”。
这个单稳态触发器是负脉冲触发的。
稳态时，这个单稳态触发器输出低电平。
暂稳态时，这个触发器输出高电平。
5号脚悬空时，输出脉冲宽度为RCln3。
5号脚接控制电压
时，输出脉冲宽度为
RClnVcc/（Vcc-
）
电阻和电容构成一个RC积分电路，其输入端接施密特触发器的输出端，其输出端接施密特触发器的输入端。
用555定时器构成多谐振荡器就是这个思路。
于是，我们先用555定时器构成一个施密特触发器，再把这个施密特触发器改接成多谐振荡器。
不过，我们这个施密特触发器稍微复杂一些，除了“二六一搭”以外，又增加了一个电阻
。
与555定时器内部的放电管TD构成了一个反相器。
逻辑上，这个反相器的输出与555定时器的输出完全相同。
因此，这个施密特触发器有两个输出端，分别为555定时器的3号脚和7号脚。
我们看到，电阻
和电容C构成了RC积分电路，施密特触发器的一个输出端（7号脚）接RC积分电路的输入端，RC积分电路的输出端接施密特触发器的输入端。
这样，一个多谐振荡器就成了。
施密特触发器的另外一个输出端（3号脚）专门作为多谐振荡器的输出，可以最大限度地保证多谐振荡器的带负载能力。
计算频率应用公式：
f=1/[0.7（
+2*
）*C]（式4-1）
图4-1555定时器够成的多谐振荡器
4.2功放电路部分
如果两只管子是同极性的（例如都是NPN），那么前一个管子的基极为复合管的基极；两管集电极相连，为复合管的集电极；前管的发射极连接后管的基极；后管的发射极为复合管的发射极。
这种组合的放大率为：
β=（β1+1）×β2+β1
如果两只管子极性不同，则前一个管子的基极为复合管的基极；前管的集电极与后管的基极相连；后管的发射极为复合管的集电极；前管的发射极与后管的集电极相连，为复合管的发射极。
这种组合的放大率为：
β=β1×β2+β1+1
本次设计，我们选用NPN型。
4.3信号放大电路
信号放大部分的核心是LM741与晶体三级管，本次设计的LM741的放大倍数为：
（如图2—2）R5/R3=510，由于电容C1,C2的隔直通交作用，所以LM741放大的问交流信号。
4.4整流电路
整流电路为全波整流电路，设计原理已经做了详细的阐述，由于本报告主要倾向与对红外发射电路的设计，有关4.2与4.3节的详细内容请见同组人的报告书。
4.5参数计算
根据所给频率按照555组成多谐振荡器求解周期的公式。
T=1/f=0.7（
+2*
）C
取C=8200pF则可得R1=400Ω，R2=300Ω
第五章电路的调试
根据所设计的电路焊接完毕，接入电源进行调试。
在起初的设计中接收红外信号报警电路中的R9设计参数为3KΩ，但经过实际电路测试，发现R9的设计值过大，所以导致蜂鸣器的工作效果不明显，经过不断的减小阻值进行测试，最终确定R9的值在600左右最为合适。
此时整个遥控报警器工作效果明显，我们又不断的将测试的距离延伸，实践显示我们的电路设计可以达到预期的控制范围——2M。
结束语
经过笔者和同组人两个星期的不懈努力，终于完成了红外遥控报警器的设计与制作，在两个星期的工作中，经历过各种困难，也曾放弃设计失败的方案，整个设计制作过程并不顺利，在一次次的验证实践中，最终，必争与同组人基本完成了设计要求，其中由于用蜂鸣器代替报警器，所以设计要求“报警频率为800HZ”未能达到。
经过此次实践，笔者认识到一切理论知识都是要经过实践进行加深与巩固，这样对知识的理解与应用才能更深刻、更灵活。
笔者在此次设计中受益匪浅，一次次的查找相关材料使笔者了解不少的知识，对今后的学习和实践都提供了宝贵的经验与教训。
这在笔者看来，此次设计的意义非同寻常，不亲身经历，无法体会到其中的酸甜苦辣。
附录一原件清单：
名称
型号
个数
芯片
555
1
LM741
1
二极管
红外发射管
1
红外接收管
1
稳压管IN4148
2
电阻
15
1
100
1
300
2
550
1
1K
2
6.2K
1
10K
3
33K
1
510K
1
620K
1
电容
8200pF
1
0.01µF
1
1µF
4
三极管
9013
4
蜂鸣器
1
附录二实物图：
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