电路CAD课程设计方案红外线报警器

1、 电路CAD课程设计报告 设计题目：红外线报警器 专业班级：电信0903班 学号： 2009001286 学生姓名：郝慧琴 同组学生：李艳、赵士红 1 / 24 红外线报警器 摘要 近年来，随着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。防盗就成了一项重要的课题。红外线防盗报警器是一种智能报警系统，可以大大提高了居民家庭的安全程度，有效保证了居民的人身财产安全。由于红外线是不见光，有很强的

2、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，通过红外线发射和接受系统来感应是否有人闯入，如果探测到有人闯入，那么系统的报警电路会给人们以提醒。通过介绍热释红外传感器的工作原理，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。这种电路把红外线的隐蔽性很好地应用于报警系统中，从而实现了防盗报警功能，达到了安全防护之目的。 关键词 被动式红外报警器；热释电红外 1.1整流滤波电路 1.2稳压电路 2.单元电路电源电路的原理图及仿真结果 3 放大电路的设计 3.1 反相交流放大器 3.2 同相交流放大器 4.比较器电路设计 5.元器件的介绍 6.电路的总结 四、总原理图及元器

3、件清单 总电路图1.2.说明 3.PCB设计 4.元器件清单 五、结论与心得 六、参考文献 3 / 24 一、 设计任务与要求 当有人侵入探测区域内，控制器会发出报警信号，且在人离开后，报 警器依然工作。报警器要轻便，易安装，造价合理，设计简单。设计一个红外线报警器： （1） 当有人闯入控制区域时，报警器发出报警信号； （2） 当人离开报警器时，报警器有短至几秒的时间不发出报警信号，之后继续发出报警信号。 （3） 闯入报警器控制区域的人可用开关仿真：有人闯入时，开关接通；无人或人已离开时，开关断开。 运用multisim软件对电路进行仿真和Protel 99se软件画原理图以及制作电路板。 二

4、、 方案设计与论证 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0.80.95微M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

5、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10m左右的红外线，被动红外报警器就是靠4 / 24 探测人体发射的10m左右的红外线而进行工作的。人体发射的

6、10m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10m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

7、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。 方案一、 该系统以单片机AT89S52系列为核心，采用红外线发射管和红外线接收管为发射和接收装置，由反相器芯片反相间接控制CPU工作。在CPU程序运行以后控制输出口电平使得蜂鸣器与发光二极管组成的声光报警电路同时进行声光报警。系统原理框图如图2-1所示。 1-1 系统方框图图。等芯片，反相器单片机，直流可调开关采用AT89S52MC3406374LS14D95 / 24 其中，AT89S52的P1.2P1.7为输出口，而P3.03.5为输入口。P1口连接红外线发射电路，P1

8、口为低电平时红外线发射电路导通，正常发射红外线10。P3口输入经接收红外线电路接收并由反相器反相的电平，当电平到达单片机CPU后，若各口均为低电平，则CPU不做任何反应，此时不报警；而当红外线被认为挡住而使接收电路无法接受到时P3输入口就会输入高电平，此时当在一定的时间内检测到位于不同位置的光束被遮挡时，由P3.7口输出报警信号，驱动声光报警电路进行报警。 P1口连接红外线发射电路，P1口为低电平时，红外线发射电路导通，正常发射红外线10。P3口输入经接收红外线电路接收并由反相器反相的电平，当电平到达单片机CPU后，若各口均为低电平，则CPU不做任何反应，此时不报警；而当红外线被认为挡住而使接

9、收电路无法接受到时P3输入口就会输入高电平，此时当在一定的时间内检测到位于不同位置的光束被遮挡时，由P3.7口输出报警信号，驱动声光报警电路进行报警。 方案二、 电路的组成框图如图1-2所示。 指示电路放大滤波 传感器电源 比较器 基准电压 1-2 报警器电路的组成图图电源：通过交流电经变压器的变压、桥式二极管的整流、电容的滤波、1 的直流电压。稳压器的稳压得到5V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2 信号的器件。和电容构成对传感器的信号进行放大滤波：是由集成运算放大器LM3243 放大和滤波供下一级电路使用。U2U1和比较器：这里采用的是双限电压比较器，把电路中的

10、基准电压4）与比较器输出的电压作比较控制指示电路指示是否有人作为参考电压U26 / 24 进入的情况。 用热释电红外传感器制作的防盗报警器结构简单，可选用的元器件容易找到，且实现功能完整，清晰，而方案一要用到单片机，相对要求的内容增多，而且变复杂，故方案二更好，方案二与目前市场上销售的许多防盗报警器材相比，还具有如下特点： 1. 不需要用红外线或电磁波等发射源。 2. 灵敏度高、控制范围大。 3. 隐蔽性好，可流动安装。 故选择方案二 三、单元电路设计与参数计算 1. 电源电路设计 方案一、 电源开关SW1送入220V经过保险丝后送入变压器，保险丝起保护电路的作用18。变压器L1将220V的交

11、流电源经磁场耦合转换成12V的交流电源，四个全波整流二极管将12V交流源整流为直流12V电源提供给后面电路。由电容组成的滤波电路将整流后的电源进行纹波滤除，滤除频率较高的干扰纹波。再经直流开关电源，转换出5V电源为后端供电，具体工作过程：经整流、滤波的12V电源，经直流开关电源U1，第6脚供给电源，1、7、8脚为电源芯片的比较输入端，RA为大功率限流电阻，电源经芯片的2脚输出，TL1为功率电感，电源经TL1的2脚输出。D2为快速开关二极管。C1/BC3组成电容滤波电路。如图3-6所示。 7 / 24 方案二、 直流电源整流电路 晶体二极管是由两种具有不同导电性能的n型半导体和p型半导体结合形成

12、的pn结构成的，如图2-1a）所示，pn结具有单向导电的特性，常用符号表示如图2-1b）。 结构及符号2-1 图二极管的pn 2-2 二极管的特性曲线图结的阻挡层pn区接负）时，外电场使区接正、结加上正向电压当pn 滤波电路9 / 24 电容或电容量, Capacitance）指的是在给定电位差下的电荷储藏量；记为C，国际单位是法拉在输出引脚,另一个接可调电阻(几K接于地。输入和输出引脚对地要接滤波电容。 10 / 24 图2-5 稳压电路图 典型线性调整率0.01%，典型负载调整率0.1%。80dB 纹波抑制比，输出短路保护，过流、过热保护，调整管安全工作区保护，标准三端晶体管封装。稳压电路

13、的原理图如图2-5所示。当外部电容应用于任何集成电路稳压时，有时必须加保护二极管以防止电容在低电流点向稳压器放电，LM317的引脚如图2-6所示。 2-6 LM317图引脚脚与散2脚为输出脚、3脚为输入脚，其中22-6如图所示1脚为调节脚、 热片的表面是连接的。电源指示电路是由一个发光二极管构成，利用发光二极管的发光作用，指示电路的工作情况，当发光时说明电路正常工作，不发光时说明电路不工作，如果电路电流过大会把发光二极管烧毁这是就可以检查电源电路是否用开路或 所示。2-5者短路的情况。电源指示电路如图选择方案二，因为其元器件较容易寻找，且具有电源指示电路，可以方便 检测其功能。 单元电路电源电

14、路的原理图及仿真结果2. 11 / 24 3 放大电路的设计 3.1 反相交流放大器电路无需可用于扩音机前置放大等,此放大器可代替晶体管进行交流放大, 调试。 反相交流放大器图3-1 1 23-1偏置,C1,由R1、R2组成是消振电容。如图U+放大器采用单电源供电Rf?Av Ri:仅由外接电阻AvRi、Rf决定。负号表所示：放大器电压放大倍数。此电路输入电阻为,Av=-10示输出信号与输入信号相位相反。按图中所给数值。,然后根据要求的放大倍数在选定RfRiRi。一般情况下先取与信号源内阻相等 为耦合电容。CiCo和 同相交流放大器3.2 1 2,R1同相交流放大器的特点是输入阻抗高。其中的、U

15、+R2组成分压电路12 / 24 通过R3对运放进行偏置。电路的电压放大倍数Av也仅由外接电阻决定:Rf?Av1 R4,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，如图3-2示。 3-2 同相交流放大器图 4.比较器电路设计两个电平之和U2Ui是否处于U1单限比较器只能检测一个电平，若要检测又称窗口比较器）。双限电压比较器常用于工业间，则需采用双限电压比较器如温度、液位）超出要求时的范围时，便可以发,或者说反馈电阻趋于无穷大时(即开环状态当去掉运放的反馈电阻时,运放开环放LM324,如实际上是很大论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大(。此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不10

16、万倍大倍数为100dB，既或接地）。当正输入端电压高于负输入端电压V-时，A2输出+Uo(sat,A1时，运放输出低电平。当uiU2U1A2时，+ Uo(sat；当uiU1，二极管VD2截止，输出为- Uo(satA1，二极- Uo(sat和A2的输出均为A1+ Uo(sat似等于；只有当U1uiU1时，运放A1输出高电平；当Ui U2Ui越出U2区间范U1U2便是一个电压双限指示器。若选择U2 U1，则当输入电压在， 围时，LED点亮，这是一个“窗口”电压指示器。此电路与各类传感器配合使用，稍加变通，便可用于各种物理量的双限检 测、短路、断路报警等。 5.元器件的介绍14 / 24 电路中的

17、放大器及比较器选用LM324集成运放 LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。 引脚图图4-3 LM324伏的电源下，静态电流为323.0伏或者高到该四放大器可以工作在低到的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多MC1741所示的4-4应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图”、”为两个信号输入端，“V+-5个引出脚，其中“+”、“符号来表示，它有）为反相”为输出端。两个信号输入端中，Vi-“V-”为正、负电源端，“Vo）为同相输入的信号与该输入端的位相反；Vi+输入端，表示运

18、放输出端Vo的引脚排列见图LM324端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。 。或+16V4-3。可工作在单电源下，电压范围是3.0V32V 的特点：LM324 1短跑保护输出。 2真差动输入级。 。3V32V可单电源工作：3 100nALM324A低偏置电流：最大）。4 5每封装含四个运算放大器。 具有内部补偿的功能。6 7共模范围扩展到负电源。 8行业标准的引脚排列。15 / 24 9输入端具有静电保护功能。 LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装。 4-5 LM324封装引脚图4-4 图集成运算放大器 图四组运放相除电源共用外,它的内部包含四组形式完全相同的运

19、算放大器,其,它有所示的符号来表示,5个引出脚互独立。每一组运算放大器可用图4-4”为,”为正、负电源端“Vo-”、“”为两个信号输入端,“V+”、“V-中“+的信号表示运放输出端Vo,输出端。两个信号输入端中,Vi-）为反相输入端的信号与该Vo表示运放输出端与该输入端的位相反。Vi+(3）红外线热释电传感器采集到信号过一断时间( 所示。表示有人闯入后离开即发出报警信号，其仿真效果如图5-3 5-3 图 19 / 24 2.说明 通过对电路的分析设计完成了整机电路的总体设计原理图如附录1所示其中包括电源部分和报警电路部分，电源部分主要是通过对交流电的变压、整流、滤波、稳压输出一个+5V的直流电

20、压为后面的报警电路的正常工作提供电压；报警电路主要是由热释电红外传感器、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KP506B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1mV），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。电路中，R3、C4、C5构成退耦电路，R1为传感器的负债，C

21、2为滤波电容，以滤掉高频干扰信号。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R4和R2，其大小为: R42000?1?1?112 R218 Auf1 =A1放大后的信号经电容C6耦合至放大器A2反相输入端，A2构成反相输入式放大电路。电阻R6、R7将A2同相端偏置于电源电压的一半,A2的增益取决于R8、R5，其大小为 R82000?42 R547 Auf2 =因此，传感器信号经两级运放总共放大了Auf1Auf2 =112-42）=-4704倍，当传感器产生一个幅度为1mV交流信号时，A2的理论输出值为-4.704V。A3和A4构成双限电压比较器，A

22、3的参考电位为: 22?47 47?47?22 5 =3VU3= A4的参考电位为: 20 / 24 22?47 22?47?475 =2V U4 =在静态时，A21V之间；在传感器无信号输出时，A1静态输出电压为0.4输故A3，其直流输出电平为2.5V。由于UB2.5VUA,2.5V由于同相端电位为 LED2均不发光。输出低电平。因此，在静态时，LED1和出低电平，A4当人体进入监视范围时，双限比较器的输入发生变化，当人体进入时输出高A4亮；当人体退出时，U33V,因此A3输出高电平，LED1 LED2和交替闪烁。电平，LED2亮。当人体在监视范围内走动时，LED1用于保证电路对高频干扰信号

23、C8、C3、C1C7电路中的、C9为退耦电容。有较强的衰减作用，对于低频信号有较强的放大作用，当按图中取值时，在的频段内具有较好的频率响应曲线，以满足对热释电传感器输出的0.1Hz8Hz 放大要求。信Uo另外，若利用Uo信号去控制报警器，还可以实现音响报警；若利用 号去控制继电器或电磁阀，还可以实现自动门、制动水龙头的自动控制。 3.PCB设计21 / 24 元器件清单4. 元件封装 元件参数 序号库中元件名 C9 C1、C3、C8、RAD0.2 CAP ELECTRO1 RB.2/.4 、C2、C4C5、C6C7 RB.2/.4 C12 C10、C11 RAD0.3 D2 D1、DIODE0

24、.4 D7 、D3D4D5D6DIODE0.4 J1 AXIAL0.3 LED2、LED1SIP2 、LED3 1uF 1uF 470uF 10nF IN4001 IN1007 ELECTRO1 CAP DIODE DIODE SW-SPST LED 说无极性电极性电极性电无极性电二极二极开发光二极 22 / 24 OPAMP DIP8 LM324AD 、R4RI、R2、R3、R8、R5R6、R7、 针脚式电阻AXIAL0.3 2M RES2 、R12、R10R11R14 R13、 RES2 R9 47k 针脚式电阻AXIAL0.3 200 AXIAL0.3 R15、R16 RES2 针脚式电阻 AXIAL0.3 RES2 R17 470 针脚式电阻 SIP3 POT2 R18 可变电阻220 变压器SIP4 TS_PQ4_10 T1 TRANS4 TO-3 LM317K LM117K U1 SOURCE 220V AXIAL0.3 电源V1 VOLTAGE 五、结论与心得在本次课程设计过程中，我学到了很多知识。从一开始的确定题目到后 来的总方案的确定，我思考了很久，最终定下了课设的总方案。在具体画电路时，却找LM317KEWB软件画图，在别的元件都画好只