成都信息工程大学应用电子设计课题名称:红外报警电路设计学院:光电学院专业班级:电科131 学生姓名:林静学号: 2013031030 指导教师:王建波完成时间: 2016.01.09红外报警电路设计报告一. 设计要求设计并制作反射式的红外报警电路,当有人靠近时能够发出声光报警,必须使用脉冲方式驱动红外发光二极管。
(1).反射式的有效探测距离>40cm ;(2).系统采用单 5V 供电 ;(3).发出的声光报警必须是断续的方式,并且能够持续 10-15S 时间,然后自动解除报警(或者采用手动解除报警);(4).能够“记忆”报警次数并可以通过按键查询。
备注:可使用红外对管。
二. 方案选择及电路的工作原理方案一:使用红外接收头作为红外接收电路,红外接收头集成了红外线接收PD二极管、放大、滤波和比较器输出等,当红外接收头接收头采集到红外信号后会产生一个高电平输出,来触发后续报警电路。
但是由于外界红外干扰因素较多,导致红外接收头误工作,进而使电路误报警,因此避免误报警是难点;方案二:采用普通发射管接收管设计电路,这样接收到的信号较小、干扰大。
孤儿需要对接收信号进行滤波、放大和整形。
采用运算放大器进行信号放大、滤波、整形电路的设计对我们来说比较熟悉,电路调试难度不高,只是运放电路结构略显复杂。
方案选择:综合各方案考虑,因个人能力有限,故选择设计实施较简单的方案二三.单元电路设计计算与元器件的选择1.红外发射管发射电路主要利用电容C2的充放电过程实现断续功能。
当其两端电压小于1/3VCC时放电管截止。
大于2/3VCC时开始放电;降至1/3时又开始充电,电路震荡产生矩形脉冲。
震荡周期T = 0.7(R8+2R12)*C2;振荡频率 = 1/T;占空比q =( R8+R12)/(R8+2R12) = 66.7%元器件选择:定时器芯片NE555;电容C2用1uF,C3用1uF;红外二极管D1;三极管Q1 2N3904;电阻R8 1K、R9 1K、R12 1K、R13 1K。
2.信号放大电路LM358反向比例放大器放大倍数N = -R22/R25 ;R25为100Ω滑变,故放大倍数可适当调节。
3.比较电路使用LM358运算放大器,因为延时系统采用的是NE555单稳态触发器(低电平触发);当反向端输入小于同向端输入,高电平输出;反之输出低电平。
4.延时电路为实现10~15s的延时要求,依然使用NE555单稳态触发器。
6,7脚接电容C6,当2脚输入低电平时启动电路并开始工作;电路定时时间T = 1.1(R17*C6)。
5.振荡电路原理与发射电路基本相同(利用NE555实现断续),电路在工作状态下,电容C8的在电压1/3VCC和2/3VCC间反复充放电,得到一个连续的震荡脉冲,脉冲宽度TL ≈ 0.7R24*C8,由放电时间决定;TH = 0.7(R18+R24)*C8,由充电时间决定;脉冲周期T ≈ TL+TH。
6.计数电路使用CD40110芯片(十进制可逆计数器,译码,锁存,驱动),具有加减计数,计数器状态锁存,七段显示译码输出等功能。
共阴数码管指八段数码管的八段发光二极管的阴极都连在一起(共阳同理)。
四.设计的具体实现1.系统概述系统示意框图 红外发射电路(NE555产生方波信号)红外接收电路滤波电路信号放大电路信号比较电路延时电路 震荡电路 报警电路(LED 灯+蜂鸣器) 计数电路 (数码管显示)设计方案条理清晰,尽量简单又保证完整性。
工作原理:电路接通电源后正常工作时,红外发射电路产生并发射连续的红外光,红外对管并排设置,此时红外接收管无法接受到来自发射管的信号,接收电路自己产生一个很小的信号,经过放大依旧小于比较器的门限电压,比较器输出高电平,NE555触发器不工作,后续电路也无法工作。
当有物体出现在红外对管的有效反应区域时,红外发射管发射出的红外信号经物体反射被接收管接收,接收电路产生一个大信号,经放大电路放大后电压高于比较器门限电压,比较器输出一个低电平,触发NE555延时电路,后续电路产生作用。
报警电路工作并产生报警信号,计数电路被触发并记录一次数据。
报警持续十秒后,若物体脱离红外对管有效反应区域,则报警停止,否则电路将再次工作并触发报警,计数电路再次记录数据。
2.单元电路设计、仿真与分析2.1.发射电路选择NE555振荡电路,产生一个频率和占空比可调的方波脉冲,以驱动三极管使其工作在开关状态,增大驱动电流可提高发射功率。
详细参数及计算第三部分已介绍。
仿真如下图所示:发射电路仿真输出信号图:2.2信号放大电路通过LM358的运算设计进行反向比例放大;具体参数计算见第三节。
电路仿真如下图:3.3振荡电路使用NE555振荡器实现断续功能,具体参数计算见第三节。
电路仿真如下图:蜂鸣器仿真工作时电压:3.电路的安装与调试在制作PCB图时,因为毕竟是第一次使用软件,很多技巧并不知道,封装也经常弄错甚至不知道该用什么封装。
磕磕绊绊按照电路图画出来的PCB图元器件散乱,走线杂乱,飞线众多,经多次修改调整后才勉强看起来清晰明了一些,这也是为了后面连接元器件时方便,所以不能马虎。
但毕竟能力精力有限,板子做出来后接收管和发审管里离得太远以致无法正常工作,于是我们直接将接收管拆下用导线接至发射管附近,因为发射管在电路中心,周围布线发杂,故只改动接收管。
在做板子时为了尽量避免断路出现,线宽设置为40mil,比推荐的30mil还要宽,烘烤时也是多次烘烤,第一次做,稳妥为上,避免浪费时间重新制板,争取一次达标。
焊接元器件时,因为对电路的参数不熟悉,导致后期调试麻烦不断,各种电阻电容的规格经常出错,不停的更换导致焊盘周围铜线模糊,还好设置线宽较宽,调整起来麻烦尚可控制。
在后期调试时还发现原理图上有一处接地线没有与电路连接,导致许多元器件没有接地,后来通过连接飞线解决。
因为对原理图和PCB不熟悉还导致一处飞线位置连接错误,前后反复修改四次才得以确定。
初次制板出现多出虚焊,后检查出来并重新焊接。
调试步骤1.用万用表检查板子上的线路是否有明显的断路情况,不同线路焊盘接近处是否有短路现象。
2.用示波器检测发射电路的输出波形和接收管的接受情况。
检查波形是否有波形,波形的频率和占空比是否和预期相符,以及与电路工作状态相适应。
3.将发射管对准接收管,模拟反射情况下接收电路是否正常工作,用示波器检测接收到的波形情况。
4.用万用表检测各个芯片管脚电压是否符合工作要求,确保各部分元器件正常工作。
(因实电路调试问题过多,不能按时完成调试,故部分数据无法得到)5.电路性能指标(1)系统采用VCC 5V电压供电;(2)电路报警有效工作范围在50CM左右;(3)报警持续时间为10s;(4)断续时间1.1s 。
五.心得体会及建议心得体会:在设计电路时一定要对所要用到的元器件足够熟悉,自己想要达到什么样的设计效果,按需取舍,做到心中有数。
否则后期调试就会遇到一大把很基础的问题,检查也很麻烦,如果需要修改的话会对电路板造成不可逆的损害。
在经验不足的情况下重新制板也在所难免,不但浪费资源,更浪费时间和精力。
所以设计时一定要细心严谨,不要怕麻烦而敷衍了事。
制板时也是如此,如果对自己的能力不够自信,画PCB图时就要把线设置的粗一点,元器件拉开一点,不要挤在一起,这样布线时才能更从容,避免产生过多的飞线。
飞线不美观是一方面,另外也比板子上的铜线更容易出问题,焊接不牢容易脱落之类的,虽然不是大问题,但老是要注意这些小问题会很浪费精力。
将PCB图印在铜板上时,最好多烘烤几次,保证印出来的电路图尽量清晰完整,以保证较好的腐蚀效果。
在腐蚀前一定要将铜板用砂纸打磨好,不然浸在腐蚀液里会一直往上浮,需要人为的按压,不但影响腐蚀效果,而且也很浪费时间。
腐蚀完成擦干后最好立即焊接元器件,因为氧化层同样会影响焊锡与焊盘的粘结性,隔时间长了焊接起来会很麻烦,并不一定是因为缺少松香的原因。
在调试电路时一定要细心加耐心,这是最难的一个环节,也是最考验基本功的环节。
如果对电路不熟悉那么出了问题解决起来就会很麻烦,对万用表和示波器等仪器的使用要熟练,这样可以节省很多时间。
如果一时半会儿实在找不出问题出在哪里,可以找其他人问问意见,集思广益。
有时候因为思维惯性我们会忽略很多小问题,请教老师和同学的帮助会很有用。
建议:课程理论教学可以适当删减一些基础常识类内容,将最实用的内容讲清楚讲明白就可以了。
这门课最重要还是动手能力的锻炼,可以增加一些最简单常用的电路练习习题,不要等最后完成期末作业时手忙脚乱,浪费太多时间在一些基础的东西上。
六.附录元器件明细表:电路原理图见附带打印材料。
七.参考文献1.何建新高胜东主编《数字逻辑设计基础》高等教育出版社 2012.22.杨明欣主编《模拟电子技术基础》高等教育出版社 2012.73.杨欣王玉凤刘湘黔主编《电子设计从零开始》北京:清华大学出版社 2005八.思考题CD40110中接CR的电路如何工作?答:这是一个可手动也可自动清零的装置。
当开关S断开时,电源VCC对C1充电,接上CR端,实现自动清零;当手动接通开关S时,C1被短路,开关S电路导通链接CR端,实现手动清零。