(3) 集成运放 LM324N 本课题采用的 LM324N 为 DIP
发布时间:2019-04-08 20:18

  北 华 航 天 工 业 学 院 课程设计报告(论文) 设计课题: 红外线防盗报警器设计 专业班级: B10231 学生姓名: 指导教师: 设计时间: 2012 年 6 月 25 日 北华航天工业学院电子工程系 红外线防盗报警器 课程设计任务书 姓 名: 专 业:通信工程 班 级: B10231 指导教师: 职 称: 课程设计题目: 红外线防盗报警器 已知技术参数和设计要求:  该报警器能探测人体发出的红外线, 当人进入报警器的监视区域内, 即可发出报适用于家庭、 办公室、 仓库、 实验室等比较重要场合...

  北 华 航 天 工 业 学 院 课程设计报告(论文) 设计课题: 红外线防盗报警器设计 专业班级: B10231 学生姓名: 指导教师: 设计时间: 2012 年 6 月 25 日 北华航天工业学院电子工程系 红外线防盗报警器 课程设计任务书 姓 名: 专 业:通信工程 班 级: B10231 指导教师: 职 称: 课程设计题目: 红外线防盗报警器 已知技术参数和设计要求:  该报警器能探测人体发出的红外线, 当人进入报警器的监视区域内, 即可发出报适用于家庭、 办公室、 仓库、 实验室等比较重要场合防盗报警。  要求:  1、 灵敏、 可靠、 一经触发, 即刻报警  2、 对产品材料精益求精, 延长使用寿命  3、 根据实际应用环境, 自己选择传感器, 确定红外检测范围。 警声,所需仪器设备: 直流供电电源, 信号发生器, 双踪示波器, 数字电压表, 计算机等 成果验收形式: 面包板插接+实物演示+答辩 参考文献: 《电子技术基础 模拟部分》(高教 康华光) 《电子工艺与课程设计》(电子工业出版社 毕亚军、 崔瑞雪) 时间 安排 第 17 周: 周 1---周 2 : 立题、 论证方案设计, 选择元器件安装调试 周 4---周 5 : 插面包板调试电路 第 18 周: 周 1---周 3 : 焊接制成电路, 完成设计 周 4---周 5 : 验收答辩 指导教师: 张洁 教研室主任: 崔瑞雪 2012 年 6 月 14 日 内 容 摘 要 红外线防盗报警器目前市场上已有成型产品, 且市场较为成熟。 由于红外线是不可见光, 因此用它进行红外探测监控, 具有良好的隐蔽性, 白天和黑夜均能使用, 而且其抗干扰能力强。 红外线传感器分主动式与被动式两种, 主动式设计方案简单, 但成本较高, 从成本考虑, 本课题通过介绍热释红外传感器 RE200BP的工作原理, 给出了一种被动型热释电红外报警器的结构原理及其应用电路。 这种电路把红外线传感器应用于报警系统中, 从而能够实现防盗报警能。 该报警器能探测人体发出的红外线, 由红外线传感器、 信号放大电路、 电压比较器、 和报警指示电路等组成。 当人进入报警器的监视区域内, 即可发出报警信号, 适用于家庭、 办公室、 仓库、 实验室等比较重要场合防盗报警。 利用热释电红外传感器设计了 一种被动式红外报警电路, 分析了 该电路的功能和工作原理。 关键词 被动式红外报警器; 热释电传感器; 菲涅尔透镜; 防盗报警器 目 录 一 概 述 1 二 方案设计与论证2 2.1 论证方案 1、 2、 32 2.2 采用方案 44 三 单元电路设计与参数计算5 四 总原理图及元器件清单7 4.1 总原理图7 4.2 元件清单7 4.3 重点元件介绍8 五 安装与调试10 5.1 电路仿真软件介绍10 5.2 电路功能仿真验证11 5.3 布局与布线12 5.4 调试效果14 六 性能测试与分析16 七 结论16 八 心得体会16 九 参考文献17 一、 概述 1 知识背景 近年来, 电子电器的飞速发展, 各种高档家电产品和贵重物品为许多家庭所拥有。 然而大部分人防盗意识还不够强, 造成偷盗现象屡见不鲜。 此时报警器就派上了用场。 很多报警器价格高昂, 一般人们难以接受。 本课题选择设计的被动式热释电红外探测器也以其价格低廉、 技术性能相对稳定等特点而占有了一定的市场。 资料显示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, 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 红外报警器分类及原理 红外报警器分为主动红外报警和被动红外报警。 主动红外入侵报警器是由发射机和接收机组成, 发射机是由电源、 发光源和光学系统组成, 接收机是由光学系统、 光电传感器、 放大器、 信号处理器等部分组成。 主动红外报警器是一种红外线光束遮挡型报警器, 发射机中的红外发光二极管在电源的激发下, 发出一束经过调制的红外光束(此光束的波长约在 0. 8~0. 95 微米之间), 经过光学系统的作用变成平行光发射出去。 此光束被接收机接收, 由接收机中的红外光电传感器把光信号转换成信号, 经过电路处理后传给报警控制器。 由发射机发射出的红外线经过防范区到达接收机, 构成了一条警戒线。正常情况下, 接收机收到的是一个稳定的光信号, 当有人入侵该警戒线时, 红外光束被遮挡, 接收机收到的红外信号发生变化, 提取这一变化, 经放大和适当处理, 控制器发出的报警信号。 目前此类报警器有二光束、 三光束还有多光束的红外栅栏等。 一般应用在周界防范居多, 最大的优点就是防范距离远, 能达到被动红外的十倍以上探测距离。 被动红外报警器主要是根据外界红外能量的变化来判断是否有人在移动。 人体的红外能量与环境有差别, 当人通过探测区域时, 报警器收集到的这个不同的红外能量的位置变化, 进而通过分析发出报警。 人体都有恒定的体温, 一般在37 度左右, 会发出特定波长 10 m 左右的红外线, 被动红外报警器就是靠探测 人体发射的 10 m 左右的红外线而进行工作的。 人体发射的 10 m 左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。 红外感应源通常采用热释电元件, 这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡, 向外释放电荷, 后续电路经检测处理后就能产生报警信号。 被动红外报警器是以探测人体辐射为目标的, 所以热释电元件对波长为 10 m 左右的红外辐射必须非常敏感。 为了仅仅对人体的红外辐射敏感, 在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅尔滤光片, 使环境的干扰受到明显的控制作用。 其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元件。 而且制成的两个电极化方向正好相反, 环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用, 使其产生释电效应相互抵消, 于是报警器无信号输出。一旦人侵入探测区域内, 人体红外辐射通过部分镜面聚焦, 并被热释电元接收,但是两片热释电元接收到的热量不同, 热释电也不同不能抵消, 经信号处理而报警。 用它制作的防盗报警器与目前市场上销售的许多防盗报警器材相比, 具有如下特点: 1. 不需要用红外线. 灵敏度高、 控制范围大。 3. 隐蔽性好, 可流动安装。 二、 方案设计与论证 首先红外传感器在有人经过时给出微弱变化的小信号, 通过对小信号的放大并与比较器基准电压比较输出高低电平, 驱动后续报警电路。 以下对本组课程设计过程中涉及到的典型设计方案做分析并说明采用及不采用每个方案的原因。 以下设计方案均经过仿真, 从仿真角度筛选最合适方案。 1、 方案 1: 方案来自网络, 优点是设计已成型, 不用动脑子; 缺点是非原创, 后来发现该方案也不能完善地实现防盗报警功能, 仿真效果不好, 且缺乏蜂鸣器虽然使电路输出在很宽的范围内都能驱动二极管发光, 只有发光二极管的报警器不太符合要求。 不能采用。 2、 方案 2: 该方案基于基于简单的放大比较原理, 去除了上述方案 1 的复杂电容设置, 仿真显示上电瞬间电压尖峰脉冲过大, 可能损坏元件, 故不采用。 3、 方案 3: 该方案将方案 1 的双门限电压比较器改为单门限电压比较器, 使原理更容易理解, 电阻电容设置上遵循尽可能对电路有用的电容留下, 无用的删除的原则, 使 电路得到简化。 通过一级二级放大, 中间通过电压跟随器稳定二级输入。 最后由比较器输出。 缺点是响应时间长, 有延迟, 虽然在比较电压设置上灵活可调, 但不易控制, 有时没有电路输入仍然会产生误报警。 可改进后采用。 4、 方案 4: 该方案对前述方案做了大幅度修改, 原因是插接面包板时发现传感器参数并未像网上某些方案甚至资料给出的单纯 1mv 左右的输出, 而是在一个 2v 左右的相对稳定电压基础上有一个约 0. 1v 到 0. 3v 的变化。 这就导致了前述方案彻底失效。 原来设计的数百倍的方案作废, 因为不可能对 2v 电压放大 100 倍。 但是不是说 2v 的输出直接可以驱动后续报警电路了呢? 当然不是, 2v 是上电后传感器的稳定输出, 当有人经过传感器时, 传感器的变化电压是比较小的, 需要把小的变化电压放大实现报警。 此时, 并不能通过电容隔直作用去掉直流, 取出 0. 1v交流, 因为这个交流的频率是 6hz 左右, 滤波电容会使输出波形严重失线v 电压进行适当放大(2-3 倍), 放大的直流稳定电压的同时, 也放大了变化的交流成分, 使比较器比较电压的选择范围变大, 等于提高了传感器的灵敏度。 报警电路主要是由热释电红外传感器 RE200BP、 LM324 集成运算放大器、 发光二极管、 电阻电容构成。 传感器主要的工作就是把采集到的人体红外线转换成电压信号, 由于此时的电压比较微弱所以要经过 LM324 的放大后的电压输入到电压比较器进行比较来控制相应的发光二极管指示灯工作。 下面是报警电路的工作流程与及电路的参数计算过程: 在电路中采用 RE200BP 型热释电人体红外线传感器, 当人体进入该传感器的监视范围时, 传感器就会产生一个交流电压(幅度约为 0. 1V), 该电压的频率与人体的移动速度有关。 在正常行走速度下, 其频率约为 6Hz。 传感器的输出信号加到运算放大器 A1 的同相端, A1 构成同相输入式放大电路, 其放大倍数取决于R3 和 R1, 其大小为: Auf1 =2311RR 传感器会产生一个幅度为 0.1V 交流信号时, 这个交流信号是在 2v 左右的直流电压输出的基础上叠加的。 具体直流信号电压是多大, 取决于环境条件, 如温度, 热源, 光源等, 环境条件的微弱变化会影响到传感器的输出信号。 该方案测试可行, 插接面包板仿真效果良好。 三、 单元电路设计与参数计算 (1) 单元电路组成: 1. 电源: 9V 的直流电压。 2. 传感器: 传感器主要是用来采集人体的红外线信号并将该信号转换成电信号的器件, 本课题采用 RE200BP 传感器 3. 放大: 是由集成运算放大器 LM324N 对传感器的信号进行放大和滤波供下一级电路使用。 4. 比较器: 这里采用的是单门限电压比较器, 把电路中精密电位器的分压作为基准电压与比较器输入的电压作比较,控制指示电路指示是否有人进入, 使用芯片仍然为 LM324N。 (2) 同相交流放大器 同相交流放大器的特点是输入阻抗高。 其中的 R1、 R2 组成21U+分压电路,通过 R3 对运放进行偏置。 电 路的 电 压放大倍数 Av 也 仅由 外接电 阻决比较器 传感器 电源 9v 信号放大 报警电路 ( 二 极 管 与精确比较电压 定:41RRfAv, 电路输入电阻为 R3、 R4 的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆,如下图所示, 该图说明同向交流放大器的基本原理, 本课题采用同向交流放大器,放大倍数为 2 倍, 使得传感器输出的敏感变化电压范围扩大, 以利于比较。 图 同相交流放大器 (3) 比较器电路设计 采用单门限电压比较器, 目的是使得无人进入时或者有非有效干扰时电压不触发电压比较器, 依然输出低电平, 不驱动后续报警电路; 若有人进入, 输出电压较大, 大于门限电压, 此时输出高电平 9v 驱动后续报警电路。 实际仿线v,因此后续电路如蜂鸣器等输入电压应为 5v 到 8v 之间合适。 (4) 电压跟随器 用来稳定同向交流放大器和电压比较器之间的电压。 四、 总原理图及元器件清单 1. 总原理图 仿真效果显示, 若模拟传感器工作的开关 J1 闭合, 相当于传感器感应到人体移动发出报警信号, 此时经过电路处理后的信号出发蜂鸣器鸣响和发光二极管闪烁; 若 J1 断开, 相当于传感器没有感应到人体移动, 电路无输入, 实际比较电压不够, 输出低电平, 无报警。 整体方案调节时特别注意测量各个单元点的输入输出, 用探针来测量输入输出, 设置蜂鸣器时蜂鸣器要采用 2000hz, LED 发光二极管要串联限流电阻, 以保证输出电压不会超出 LED 的最大承载电流, 防止烧毁。 电路中极性电容完全可以用普通电容代替, 但由于普通瓷片电容没有 10uF 大小的, 故需要使用极性电容在不影响电路功能的情况下代替。 电路中所有电容的作用均为滤波,若无电容, 上电瞬间容易产生尖峰脉冲, 可能会损伤元器件。 2. 元件清单 元件序号 R0 型号 主要参数 200 欧 22k 欧 10k 欧 10uf 数量 备注 1 金属膜色环电阻 R1 金属膜色环电阻3 R2 金属膜色环电阻电解电容 瓷片电容 瓷片电容 2 C1 1 C2 1nf 1 C3 10nf 1 LED 彩灯发光二极管有源蜂鸣器 集成运放 2-15v 1 BUZZER 5v, 2000hz 四运放集成 1 LM324N 1 DIP14 3. 重点元件介绍 (1) 5v 有源蜂鸣器 蜂鸣器有有源和无源两种。 根据蜂鸣器内部有无震荡源可分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。 其中有源蜂鸣器可以在工作电压下发出频率固定的鸣叫声, 无源蜂鸣器的鸣叫声则受到输入电压频率的影响。 此外 5v 蜂鸣器的实际工作电压范围较宽,但过高或过低的电压都会导致发声异常。 为了保证较理想的输出声音, 本课题采用 5v 有源蜂鸣器。 (2) LED 彩灯发光二极管 本课题采用的发光二极管为高亮彩色发光二极管, 起到很好的显示效果。 (3) 集成运放 LM324N 本课题采用的 LM324N 为 DIP14 封装, 四运放集成。 图 5-2 集成运算放大器 图 5-1 LM324 封装引脚图 它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器, 除电源共用外, 四组运放相互独立。 LM324 的引脚封装见图 5-1, 图 5-2 为内部运放结构。 由于 LM324 四运放电路具有电源电压范围宽, 静态功耗小, 可单电源使用, 价格低廉等优点, 因此应用广泛。 (4) 传感器 RE200BP RE200BP 红外传感器实物如图 5-3 所示。 红外线传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。 红外线传感器对于径向移动反应最不敏感, 而对于横切方向(即与半径垂直的方向) 移动则最为敏感。 在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、 求得最佳检测灵敏度极为重要的一环, 如图 5-4。 如果只看实物可能分不出红外传感器的引脚, 常用的红外传感器金属装封的, 有个窗口, 接地的引脚是和外壳相通的, 这较好分别, 另外两个引脚与地引脚电阻都很大, 很难分别。 如果是自己安装这个元件安装时引脚要尽量短, 远离其它发热元件, 除了窗口, 其它的元件最好用厚纸隔开, 否则你装好后误差也大, 就是受干忧大, 常误触发。 常见的引脚位置如图 5-5。 RE200BP 内部功能图如图 5-6所示。 图 5-3 红外传感器感应方向 图 5-4 RE200BP 红外传感器实物 图 5-5 RE200BP 引脚说明图 5-6 RE200BP 内部功能图 RE200BP 的基片材料是硅材料, 采用的是 T0-5 封装, 尺寸参数为: 1. 灵敏元面积为: 2. 0mm 1. 1mm Gap 0. 9mm Dual, 双元 2. 基片厚度为: 0. 5mm 3. 窗口尺寸为: 5. 2 3. 8mm 4. 工作波长为: 5~14um 5. 平均过透率为: 75% 6. 输出信号为: 2. 2V 7. 灵敏度为: 3300V/W 8. 探测率为: 1. 5 108cmHz1/2/W 9. 噪声(Vp-p) 为: 200mV (25℃) 10. 平度度为: 20% 11. 工作电压为: 2. 2~15V 12. 工作电流为: 8. 5~24uA(25℃) 13. 原极电压为: 0. 4~1. 1V(25℃) 14. 工作温度为: -20℃ ~ +70℃ 15. 保存温度为: -30℃~ +80℃ 16. 视场为: 边缘角 55 51 注: 实际测量发现, RE200BP 传感器的信号输出不停变化, 只有当人走过其测量范围时, 才会有 0.1v 左右的微弱变化, 这是整个设计的关键。 五、 安装与调试 5.1 电路仿1、 Multisim仿真原理图 真软件介绍Multisim 是美国国家仪器(NI) 有限公司推出的以 Windows 为基础的仿真工具, 适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。 它包含了 电路原理图的图形输入、 电路硬件描述语言输入方式, 具有丰富的仿真分析能力。 启动界面如图 通过 Multisim 和虚拟仪器技术, PCB 设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。 2、 使用Ultiboard制作pcb, 仿真布线过程 Ultiboard同样是NI的产品, 这里不采用protel的原因在于multisim的电路原理图不能直接使用protel布线, 为了 沿用multisim原理图且不重新在protel中画图使用该软件。 启动画面如图: 5. 2 电路功能仿真验证 通过对电路的分析完成了电路的初步设计, 但是也不能看见电路具体的设计功能, 这时就需要对电路进行模拟仿真以观察电路的性能参数, 打开 multisim软件在软件里画好仿真图, 点击仿真按钮, 观察电路的现象是否符合设计要求,如果不符合要求就要检查仿真电路是否有错, 如果没有错误就要考虑电路原理设计是否有误, 更改后在进行电路模拟仿真, 重复以上步骤直到电路仿真与设计要求相符合。 电路仿线、 闭合开关, 相当于红外传感器接收到红外线, 输出波动电压, 超过门限电压,电路输出高电平。 2、 打开开关, 相当于红外传感器接未收到红外线, 输出稳定电压, 不超过门限电压, 电路输出低电平。 5.3 布局与布线 布线 查看三维布局效果 仿真布线和布局为实际万用板的焊接提供了依据, 减少了万用板焊接时布局布线的犯错几率, 提高了工作效率。 5.4 调试效果 (1) 静态调试 面包板插接效果 焊接万用板正面 焊接万用板背面 (2) 动态调试 经过实际验证, 用手在传感器探头前晃动表示有人进入传感器探测范围, 当手以一定速度经过传感器时, 电路报警, 蜂鸣器鸣叫, 发光二极管闪烁; 当手离开时电路不报警, 即蜂鸣器不鸣叫, 发光二极管不亮。 值得注意的是, 传感器接收信号有一定延迟时间, 也就导致了电路报警系统的延迟。 六、 性能测试与分析 1、 调节两个精确电位器的电阻大小可精确分压进而提供比较器比较电压, 能够调节传感器的灵敏度。 使之精确灵敏。 不同环境条件虽然对传感器输出电压有影响, 但均可通过精确电位器调节分压保证工作的可靠性。 该电路能够稳定灵敏可靠工作。 2、 由于电路结构简单, 布局上相对分散, 易受热源干扰和易发热的元件焊接相对独立, 保证了电路寿命能够尽可能延长。 去耦电容能使上电瞬间的冲击脉冲对电路影响减小。 故此方案也能保证电路尽可能延长使用寿命。 3、 RE200BP 作为市场上较成熟的产品, 工作较为稳定。 通过与菲涅尔透镜配合使用, 能够通过菲涅尔透镜使远处的红外线被菲涅尔透镜聚焦在传感器探头上, 从而实现远距离的探测, 通常探测范围可达 7 到 10 米。。 七、 结论 虽然本课题设计的原理图相对简单, 但完成了课设要求。实现了课设要求的功能,作为我们做电子小制作, 起到了锻炼动手能力的作用, 为今后自己设计更复杂的电路打下了基础。 八、 心得体会 通过本次课程设计, 使我们熟悉了设计电路的过程, 懂得了如何设计焊接调试组装一个完整的电路。 对书本上所学的模拟电路的知识有了 更深刻的认识。 懂得了要设计成功一个电路, 不止要做好电路的前期设计仿真, 做好面包板的插接, 也要从实际的角度来测量和使用元件, 元件的参数并不完全与课本所述相一致。 只有理论联系实际, 通过动手实践, 才可以讲知识真正掌握。 实验设计过程中, 我们做了数十次的仿真, 在这个过程中通过查阅资料,学习了很多使用的电路设计理念, 看到了很多前辈的设计方案, 但选来选去还是选择了自己设计, 因为自己设计的电路便于我们充分了解电路的原理, 也使我们最终做出成果有了成就感, 尽管我们的方案很简单。 然而, 仿真的成功并不代表可以很快完成课程设计, 真正插接面包板时, 我们发现所用的传感器的参数与网上描述的并不相同, 最终还是抛弃了前述的设计方法, 重新设计得到了现有方案。可见对传感器的了解, 还要以实际测量为主, 网上的资料需要斟酌处理, 绝不能照搬。 其次, 尽管我们的课题相对简单, 但是仍然需要我们相互合作, 明确分工,但我们始终要求两个人都要懂电路的原理和工作方式, 从而能够各自做出独立的电路, 两个人的检查也使得电路设计更加准确。 课设之后, 有了一定经验, 我们有了足够的信心做好今后其他科目的课程设计。 九、 参考文献 [1] 《电子技术基础 模拟部分》(高等教育出版社 康华光) [2] 《电子工艺与课程设计》(电子工业出版社 毕亚军、 崔瑞雪) 电子工程系 课程设计成绩评定表 专业: 班级: 学号: 姓名: 课题名称 设计任务与要求 指导教师评语 建议成绩: 指导教师: 课程小组评定 评定成绩: 课程负责人: 年 月 日