热释电传感器报警器设计-模电课设报告

PAGE9课程设计说明书课程设计名称：模拟电路课程设计课程设计题目：热释电传感报警器学院名称：信息工程学院专业：通信工程班级： 140422 学号： 14042233 姓名： 熊磊 评分：教师：韦芙芽2016年5月2日模拟电路课程设计任务书2015－2016学年第2学期第7周－9周题目热释电传感器报警电路内容及要求有人接近传感器时，热释电传感器报警电路发出报警，无人接近时不报警。白天不起作用，晚上自动工作。注：可使用实验室电源。进度安排第7周周一至第7周周五：查资料，完成原理图设计及仿真；第8周周一至第8周周五：完成系统的制作、调试；第9周：制作结果检查，撰写报告。学生姓名：13042233熊磊、12042216胡俊指导时间第7-9周指导地点：E楼604、610室任务下达2016年4月11日任务完成2014年4月29日考核方式1.评阅□√2.答辩□3.实际操作□√4.其它□指导教师韦芙芽系（部）主任徐新河注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。摘要随着近几年我国电子技术的不断发展，许多原先的高端电子产品也逐渐步入人们的生活。现在低廉的价格热释电红外传感器得到了很大的普及。原本用于感应门的热释电红外传感器也进入了人们的生活安全保障中。本次实验模拟设计了热释电传感器报警器。由于热释电传感器专业芯片无法购得，故采用热敏电阻替代。热敏电阻感受到的温度越高其电阻越小，光敏电阻感受到了光亮越少电阻越大。在设计的电路中通过分压使热敏电阻阻值小到一定程度，光敏电阻阻值大到一定程度时，都往CD4011与非门芯片输入高电平，此时CD4011芯片输出低电平触发555定时器，使输出一个高电平，点亮LED灯。经过分析，准备，调试后，本次的电路设计达到了课程设计的要求。关键字：热敏、光敏、报警、555前言热释电红外传感器是一种非常有应用潜力的传感器。它能检测人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出。早在1938年，有人就提出利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视。直到六十年代，随着科技的迅速发展以及偷窃犯罪率越来越高，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用开发。近年来，伴随着集成电路技术的飞速发展，以及对该传感器的特性的深入研究，相关的专用集成电路处理技术迅速发展。当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度，图1表示了热释电效应形成的原理。热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有ΔT的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱电压ΔV。由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷ΔQ会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，ΔT=0，传感器无输出。当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有信号输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出，所以这种传感器能检测人体活动。热释电传感产品广泛应用于自动控制、防盗报警、照明控制，语音迎宾器等领域，随着相关信号处理器性能和可靠性的不断提高，热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎，广泛应用于各种自动化控制装置中，既可作为红外激光的一种较理想的探测器，又可适用于防盗报警以及应用在一些危险的事物上用于防止人遇到危险。目录第一章系统组成及工作原理 11.1热释电传感器报警器设计要求： 1284531.2热释电传感器报警电路的系统组成 11.3系统设计方案选择 11.3.1方案一： 11.3.2方案二 2第二章电路设计 32.1光敏电路 32.2热敏电路 32.3与非门电路 42.4NE555单稳态延时电路 42.5报警电路 5第三章电路仿真及仿真调试 7第四章实验调试 8第五章结论 9参考文献 10附录一元件清单 11第一章系统组成及工作原理1.1热释电传感器报警器设计要求（1）可实现非法入侵报警；（2）使用光敏电阻控制，白天不报警，晚上自动开始工作；（3）当有人靠近时报警，热释电传感器报警，没有人靠近时不报警1.2热释电传感器报警电路的系统组成热释电传感器传感器报警电路主要由信号探测电路、开关电路、信号控制电路和报警电路等几部分组成。其系统框图如图3.1所示。图1.2系统框图信号探测电路信号探测电路开关电路信号控制电路报警电路1.3系统设计方案选择1.3.1方案一：热释电传感器传感器报警电路主要由信号探测电路、开关电路、信号控制电路和报警电路等几部分组成。其系统框图如图1.2.1所示。信号探测电路NE555集成电路与非门电路信号探测电路NE555集成电路与非门电路光控电路报警电路光控电路报警电路图1.3.1系统框图该方案使用热释电传感器作热控，当有人经过时，其可视为一1mV，1Hz的小电源，经过二级放大及二极管得到一低电平触发555电路使LED发光，但在调试中发现在没有专业芯片过滤放大的情况下，热释电传感器受干扰严重，且无法达到放大效果，故弃置不用。1.3.2方案二光敏电路：此电路主要由一个定值电阻（2k）及光敏电阻组成，两个电阻串联接于5V直流稳压电源上（顺序依次为VCC-定值电阻-A脚输出电压-光敏电阻-接地），在两个电阻中间接与门芯片的输入端A端。热敏电路：此电路主要由一个定值电阻（10k）及热敏电阻组成，两个电阻串联接于5V直流稳压电源上（顺序依次为VCC-热敏电阻-B脚输出电压-定值电阻-接地），在两个电阻之间接与门芯片的另一个输入端B端。与非门电路：此电路主要有一个与门芯片74LS08和一个非门芯片74LS04组成。NE555集成电路：其主要由一个芯片及电容、电阻组成，电容与电阻并联起到一个延时作用，延长LED灯亮的时间。报警电路：主要组成部分为LED灯，三极管，以及电阻。从NE555中输出的信号可经三极管放大，而电阻的高阻值则保证LED灯正常工作。NE555集成电路与非门电路光敏电路NE555集成电路与非门电路光敏电路 报警电路热敏电路报警电路热敏电路图1.3.2整体方框图方案二是方案一的改版。使用热敏电阻及实验电源代替热释电传感器，并加入了光控。本电路分为三个部分：热敏电阻和光敏电阻的压降电路（仿真时用R1电位器代替热敏电阻、用R4电位器代替光敏电阻）、与非门控制电路和555单稳态触发电路，不需要放大且易于调控，实用度高于一，故选择此方案。第二章电路设计2.1光敏电路图2.1光敏电路光敏电阻器又称光导管，特性是在特定光的照射下，其阻值迅速减小，可用于检测可见光。光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，增强导电能力。2.2热敏电路图2.2热敏电路图是对温度特别敏感的阻抗体根据温度变化阻值也变大的半导体。热敏电阻是金属氧化物的种类，在高温下烤出来的高品质陶瓷半导体，适用于常温。因为形状小，特性稳定，高感应部件，所以一般用于家电及产业机械温度感应器或温度补偿用部品。其输出电压为（式2-3）所以，当温度升高，热敏电阻的阻值降低时，其两端电压减小。2.3与非门电路图2.3与非门电路74LS08是2输入四正[与门]集成电路芯片。当且仅当两个输入端均输入高电平时，输出端才输出高电平。74LS04是6非门(反相器)集成电路芯片，他的工作电压5V，内部含有6个反相器，74LS04的作用就是反相把1变成0。2.4NE555单稳态延时电路图2.4555NE555单稳态延时电路NE555时基电路的报警电路的作用是通过555时基电路来确定设计所需的报警声。具体原理及其部分参数的确定是当前的信号经过三极管进入时基电路，作用于此电路，而这时报警电路就开始工作，从而达到报警的目的。2.5报警电路当NE555管脚通过控制输出高低高平，实现发光二极管的放光和熄灭。电源采用5V电压驱动NE555集成电路及报警电路。第三章电路仿真图3.1电路仿真图本电路分为三个部分组成：由热敏电阻和光敏电阻组成的压降电路，与非门控制电路（由74LS04和74LS08组成与非门）和555单稳态触发电路。由于在用multisim软件仿真时，无法引入相关光学和热学元件，所以仿真时用电位器R1代替热敏电阻、用电位器R2代替光敏电阻。当光敏电阻及热敏电阻阻值发生变化时，在仿真中改变相应滑动变阻器，可用仿真万用表观察到与非门输入端变化。当两端电压皆大于2.5V时，可在输出端测出0电平，LED发光。图3.2仿真成功时输入端1的电压图3.3仿真成功时输入端2的电压图3.4仿真成功时输出端的电压实验调试4.1焊电路板在焊接的过程中，我明白了焊接的原理，即是：焊锡借助于助焊剂的作用，经过加热熔化成液态，进入被焊金属的缝隙，在焊接物的表面，形成金属合金使两种金属体牢固地连接在一起，形成的金属合金就是焊锡中锡铅的原子进入被焊金属的晶格中生成的，因两种金属原子的壳层相互扩散，依靠原子间的内聚力使两种金属永久地牢固结合在一起。

用电烙铁与焊锡丝将加工好的弯钩焊接在新的电路板上：a左手拿焊锡丝，右手拿电烙铁。b把电烙铁以45度左右夹角与焊盘接触，加热焊盘。c待焊盘达到温度时，同样从与焊板成45度左右夹角方向送焊锡丝。d待焊锡丝熔化一定量时，迅速撤离焊锡丝。e最后撤离电烙铁，撤离时沿铜丝竖直向上或沿与电路板的

夹角45度角方向。在焊接过程中出现了如下问题：1.焊接的时间不能好好把握，导致焊接时间过长，造成板面不整洁。2.当焊锡完全湿润焊点后，由于以前没经常进行训练，导致手打斗比较严重，电路板虚焊。4.2焊完电路板进行调试找到需要的原件，按照电路焊到板上后，接上5V实验室电源，人靠近，LED未亮，便认为不够灵敏，将手指放在透镜上，LED依然未亮。断开放大电路输出端，直接加电压，LED亮，随调大放大倍数，LED依然未亮。多次调大放大倍数，感应时LED依然未亮，上网查询发现需要专业芯片，决定更换电路。找到需要的原件，按照电路焊到板上后，接上5V实验室电源，遮住光敏电阻，加热热敏电阻，LED未亮，遂测非门输出端，发现为高电平，再测与门输入端，发现热控部分电压不足，于是减小热控部分固定电阻，将20KΩ改为10KΩ，灯亮。去掉遮光布，使光敏电阻暴露于光下，灯未灭，再测与门输入端，发现光控部分电压不足，于是加大光控部分固定电阻，分别使用2,5,10,20KΩ，但效果不明显，于是决定交换光敏电阻与固定电阻位置，情况得到改观，但依然不明显。警报灯亮灯时间不够快。这个是555芯片本身性质所带来的结果。经过多次调整了电容和电阻的数据，使其工作时间接近理想。至此实验结束，达到预期目标。仅存在感光不灵敏的问题。第五章结论5.1实验结果打开电源开关之后，LED仅在高温，黑暗两项条件都达成使发光，当任意一项不再满足后，小灯熄灭。5.2实验结论本次课设虽然最后成功了，人靠近LED灯就会发出警报，但是极度不灵敏了，要距离很近且时间很长才会触发报警，这与热敏电阻的特性及固定电阻大小有关，可将固定电阻换为电位计，这样既可调整电路工作温度。但因时间因素并未实现。另一方面，在条件允许下，可将热敏电阻电路换为热释电传感器及菲捏尔透镜组成的红外感应电路，发出信号经过放大变为2.5V，这样亦可触发报警电路，且灵敏程度远高于该方案，这也是本次课设的原方案，苦于条件不足无法实现。参考文献[1].王元庆．新型传感器技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2003.7

[2].王振红.张常年.电子技术基础实验及综合设计[M].北京：机械工业出版社，2007.3[3].刘笃仁.传感器原理及应用技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.[4].王远.模拟电子技术基础学习指导书[M].北京：清华大学出版社，1998附录一元件清单光敏电阻CDS