简易光控防盗报警电路课程设计.docx
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简易光控防盗报警电路课程设计
摘要
随着我国经济的快速发展,人们的生活水平得到了很大的提高,财产安全问题也越来越受到重视,因此,防盗报警器系统应运而生,在安全防盗方面发挥着重要的作用。
本次设计电路的名称为简易光控防盗报警电路,集红外线遮挡、声光及时报警、时间延迟和自动喷洒麻醉剂等多功能于一体,能有效地做到安全防盗。
其中,红外线发光二极管发射光脉冲要通过红外线发射电路来实现,从而实现电路对人体或物体的感应。
红外线接收电路就是利用光敏元件接收发射出来的光脉冲,并且将光脉冲信号转化为电信号,同时对其进行放大。
声光报警电路是当有人体或物体接近时,通过声音和显示信号提示主人。
时间延迟和自动喷洒电路是为了实现当声光报警一段时间之后自动喷洒麻醉剂来保护财产。
电源电路为上述所有电路提供直流电压。
关键词:
红外线,防盗报警,NE555定时器,LM567,继电器
第一章电路的组成与工作原理
第一节设计要求
1、要求电路能够通过感应装置,检测出是否有物体接近所要保护的财产。
2、要求电路当判定有物体接近时,能够通过声光形式报警。
3、要求电路当发出警报一段时间T后,能够自动喷洒出麻醉剂。
4、要求电路可以根据需要,调节喷洒出麻醉剂的等待时间T。
第二节简易光控防盗报警电路的组成框图
简易光控防盗报警电路的总体结构图如图1-1所示。
由图可知,它由红外线发射电路、红外线接收电路、选频及接收电路、声光报警电路、时间延迟及自动喷洒麻醉剂电路和电源电路6部分构成。
图1-1简易光控报警防盗报警电路的总体框图
第三节工作原理
一、红外线发射电路
如下图所示,双束红外线发射电路:
由一块时基集成电路NE555及其外围阻容元件构成一个多谐振荡器,其中,周期T=0.7*C6*(R3+2*R4),频率f=1/T。
当开关S1闭合后,发射器就发射出两束红外线(两束红外线之间的距离可以自己设置),照射在红外接收管上,作为报警的信号源。
图1-2红外线发射电路
二、红外线接收电路
信号接收处理如图1-3:
两只光电接收管同时接收一束红外光后,能将其转化为频率相同的信号电压,信号电压经过放大电路的二级放大后,送入集成电路LM567进行选频。
图1-3红外线接收电路
三、选频及接收电路
选频电路主要由LM567及相关元件组成,其中心频率f=1/1.1R18C15,通过改变R18或者C15的数值,可改变中心频率.当无人靠近时,外加在LM5673号引脚上的外来信号频率与选频电路的中心频率一致,LM567的8号引脚呈低电平,使Q2处于截止状态,可控硅不导通,电路处于守候戒备状态。
图1-4选频及接收电路
四、声光报警电路
声光报警电路如图1-5所示,它主要由多谐振荡电路、音频振荡电路组成。
当两束红外线同时被遮断时,由LM567构成的选频电路就会失去与中心频率相一致的外来信号,LM567的8号引脚立即变成高电平,Q2导通,可控硅被触发导通,多谐振荡电路输出高低电平,发光二极管LED变亮,扬声器发出警报声。
如果仅仅有一束红外线被遮断或两束红外线非同时被遮断,则该报警电路不会报警,因此可防止小动物闯入警戒范围内而引起误报警,提高了电路的可靠性和准确性。
图1-5声光报警电路
五、时间延迟及麻醉剂电路
图1-6时间延迟及麻醉剂电路
图1-6中,为时间延迟电路和麻醉剂喷洒电路。
时间延迟电路主要由NE555集成电路构成的单稳态电路、非门和与门组成。
当无人靠近时,,输出为低电平,麻醉剂电路不工作。
当有人靠近时,与门的1号端为高电平;而LM567的8号引脚为高电平,从而555的2号端输入为零,单稳态电路接收到触发信号,输出端3号输出为高电平并保持一段时间,则与门的2号端为低电平,从而麻醉剂电路不工作。
当延迟时间T过后,输出端3号输出为低电平,与门的2号端为高电平,则与门输出为高电平,三极管去0导通,麻醉剂电路工作。
其中,延迟时间T由可变电阻R21和电容C19的数值决定,通过调节可变电阻的大小,可以改变延迟时间的长短,以适合不同场合的应用。
电路的右半部分为麻醉剂喷洒电路。
因为电磁阀需要大电流,而直流电源一般无法提供很大的电流,所以电路中的开关需要采用继电器电路。
又由于一般NE555集成电路的输出电流无法驱动继电器,因此需要加入电流放大电路。
电流放大电路由三极管构成,其中R22为限流电阻,防止输入电流过大烧毁三极管。
Q10为共发射极电路,当与门输出为高电平时,三极管导通饱和,将输入电流放大ß倍;当与门输出低电平时,三极管截止,无电流通过。
继电器连接Q10的集电极,当有电流时,开关吸合,电磁阀通电,喷洒出麻醉剂;当无电流时,开关断开,电磁阀不通电,没有麻醉剂喷洒出,同时在继电器两端并联一个二极管来保护电路。
在电路中,发光二极管D6作为显示电路,判断是否有麻醉剂喷洒出。
六、电源电路
图1-7电源电路
电路直接从交流供电,通过变压器电路、整流电路、滤波电路和稳压电路将电网中的220V交流电转换为低压直流电压。
电路中的变压器采用常规的铁心变压器,整流电路采用二极管桥式整流电路,C1、C2、C3和C4完成滤波功能,稳压电路采用三端稳压集成电路来实现。
第二章各元器件功能
一、电阻
电阻,物质对电流的阻碍作用就叫该物质的电阻。
电阻小的物质称为导电体,简称导体。
电阻大的物质称为电绝缘体,简称绝缘体。
电阻表示导体对电流阻碍作用的大小。
导体的电阻越大,表示导体对电流的阻碍作用越大。
不同的导体,电阻一般不同,电阻是导体本身的一种性质.
二、可变电阻器
阻值可以调整的电阻器,用于需要调节电路电流或需要改变电路阻值的场合。
可变电阻器可以改变信号发生器的特性,使灯光变暗,启动电动机或控制它的转速。
根据用途的不同,可变电阻器的电阻材料可以是金属丝、金属片、碳膜或导电液。
对于一般大小的电流,常用金属型的可变电阻器。
在电流很小的情况下,则使用碳膜型。
当电流很大时,电解型最合用;这种可变电阻器的电极都浸在导电液中。
电势计是可变电阻器的特殊形式,它使未知电压或未知电势相平衡,从而测出未知电压或未知电势差的大小。
更为常用的电势器只不过是一个有两个固定接头的电阻器,第三个接头连到一个可调的电刷上。
电势器的一个用途是再音响设备中用作音响控制。
三、电容
电容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(F)。
电容(或称电容量)是表征电容器容纳电荷本领的物理量。
它的用途较广,它是电子、电力领域中不可缺少的电子元件。
主要用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、隔直流等电路中。
四、二极管
二极管又称晶体二极管,它只往一个方向传送电流的电子零件。
晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结,在其界面处两侧形成空间电荷层,并建有自建电场。
当不存在外加电压时,由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。
二极管最重要的特性就是单方向导电性。
在电路中,电流只能从二极管的正极流入,负极流出。
五、LED
LED(发光二极管)是近年来开发生产的一种新型光源,具有耗电小、亮度高、体积小、重量轻、寿命长等优点。
发光二极管简称为LED。
由镓与砷、磷的化合物制成的二极管,它是半导体二极管的一种,可以把电能转化成光能;常简写为LED。
发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成,也具有单向导电性。
常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
六、三极管
晶体三极管(以下简称三极管)按材料分有两种:
锗管和硅管。
而每一种又有NPN和PNP两种结构形式,但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管,两者除了电源极性不同外,其工作原理都是相同的,下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。
对于NPN管,它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成,发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。
当b点电位高于e点电位零点几伏时,发射结处于正偏状态,而C点电位高于b点电位几伏时,集电结处于反偏状态。
七、红外发光二极管
常用的红外发光二极管(如SE303.PH303),其外形和发光二极管LED相似,发出红外光。
管压降约1.4v,工作电流一般小于20mA。
为了适应不同的工作电压,回路中常常串有限流电阻。
发射红外线去控制相应的受控装置时,其控制的距离与发射功率成正比。
常见的红外发光二极管,其功率分为小功率、中功率和大功率三大类。
要使红外发光二极管产生调制光,只需在驱动管上加上一定频率的脉冲电压。
八、变压器
变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置,主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心,变压器区分为升压与降压变压器两种。
九、桥式整流器
桥式整流器是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的电路,常用来将交流电转变为直流电。
桥式整流是对二极管半波整流的一种改进。
桥式整流器利用四个二极管,两两对接。
输入正弦波的正半部分是两只管导通,得到正的输出;输入正弦波的负半部分时,另两只管导通,由于这两只管是反接的,所以输出还是得到正弦波的正半部分。
桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍
十、555定时器
(一)内部结构及引脚功能
555定时器电路是一块介于模与数字电路的一种混合电路,由于这种特殊的地位,故555定时电路在报警电路、控制电路得到了广泛的应用。
下图为555的内部电路,从图上可以看出,其仅有两个比较器、一个触发器、一个倒相器、放电管和几个电阻构成,由于比较器电路是一个模拟器,而触发器电路为数字电路,故其为混合器件。
图2-1555内部结构及引脚图
555为一8脚封装的器件,其各引脚的名称和作用如下:
1脚—GND,接地脚
2脚—TL,低电平触发端
3脚—Q,电路的输出端
4脚—/RD,复位端,低电平有效
5脚—V_C,电压控制端
6脚—TH,阈值输入端
7脚—DIS,放电端
8脚—VCC,电源电压端,其电压范围为:
3~18V
(二)555的功能描述
上图中当V_C不外接电压时,三个电阻对电源电压进行分压,每个电阻上的压降为1/3VCC,则两个比较器的同相端的输出电压分别为:
1/3CC,2/3VCC。
从图上可以看出,其555的工作可分为下列3种情况加以讨论:
1.当触发输入端TL输入电压低于1/3VCC而阈值输入端电压大于2/3VCC时,其下面比较器输出为高电平,触发器输出高电平;
2.当触发输入端TL输入电压高于1/3VCC,而阈值输入端电压小于2/3VCC时,其两个比较器输出皆为低电平,触发器输出保持不变;
3.当触发输入端TL输入电压高于1/3VCC而阈值输入端电压大于2/3VCC时,其上面比较器输出为高电平,触发器输出低电平。
详细情况见下列表格:
表2-1555的内部触发电平表格
输 入
输 出
TH
TL
/RD
Q
放电管状态
×
×
0
0
导通
>2/3VCC
>1/3VCC
1
0
导通
<2/3VCC
>1/3VCC
1
保持不变
保持不变
<2/3VCC
<1/3VCC
1
1
截止
(三)555的应用
1、单稳类电路
作用:
定延时,消抖动,分(倍)频,脉冲输出,速率检测等。
2、双稳类电路
作用:
比较器,锁存器,反相器,方波输出及整形等。
3、无稳类电路
作用:
方波输出,电源变换,音响报警,玩具,电控测量,定时等。
(四)555管脚图
图2-2555外部引脚图
十一、LM567
(一)LM567管脚功能
LM567是一片锁相环电路,采用8脚双列直插塑封。
其⑤、⑥脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2,f2≈1/1.1RC。
其①、②脚通常分别通过一个电容器接地,形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。
②脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽:
电容值越大,环路带宽越窄。
①脚所接电容的容量应至少是②脚电容的2倍。
③脚是输入端,要求输入信号≥25mV。
⑧脚是逻辑输出端,其内部是一个集电极开路的三极管,允许最大灌电流为100mA。
LM567的工作电压为4.75~9V,工作频率从直流到500kHz,静态工作电流约8mA。
LM567的内部电路及详细工作过程非常复杂,这里仅将其基本功能概述如下:
当LM567的③脚输入幅度≥25mV、频率在其带宽内的信号时,⑧脚由高电平变成低电平,②脚输出经频率/电压变换的调制信号;如果在器件的②脚输入音频信号,则在⑤脚输出受②脚输入调制信号调制的调频方波信号。
在图4的电路中我们仅利用了LM567接收到相同频率的载波信号后⑧脚电压由高变低这一特性,来形成对控制对象的控制。
(二)LM567内部结构及工作原理
锁相环路输出信号由电压控制振荡器VCO产生,电压控制振荡器的自由振荡频率(即无外加控制电压时的振荡频率)与外接定时元件RTCT的关系式为:
f0≈1/1.1RTCT。
选用适当的定时元件,可使LM567的振荡频率在0.01Hz~500kHz范围内连续变化。
电路工作时,输入信号在鉴相器PD1中与VCO的输出信号鉴相,相差信号经滤波回路滤波后,成为与相差成一定比例的电压信号,用于控制VOC输出频率f0跟踪输入信号的相位变化。
若输入信号频率落在锁相环路的捕获带内,则环路锁定,在振荡器输出频率与输入频率相同时,二者之间只有一定相位差而无频率差。
实际上,由上式计算得出的并不是环路带宽BW的实际值,而是环路带宽BW与环路中心频率f0的百分比,其值再乘上100%才是锁相环路的实际捕获带宽。
实际应用中调整C2的大小可使BW在0%~4%范围内变化。
BW宽度与f0C2乘积之间的关系如图2。
LM567在正常工作时的最小输入信号为20mV。
当用于单音解码时,其工作特性为:
当LM567信号输入端加入幅度为20mV以上的交流信号且频率落入f0±BW范围内时,输出端输出一个低电平的检测信号,这就是所谓的“频率继电器”特性。
利用这一特性,LM567可广泛应用于各种低频单一频率信号的解码。
十二、继电器
当输入量(如电压、电流、温度等)达到规定值时,使被控制的输出电路导通或断开的电器。
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。
只要在线圈两端加上一定的电压,线圈中就会流过一定的电流,从而产生电磁效应,衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯,从而带动衔铁的动触点与静触点吸合。
当线圈断电后,电磁的吸力也随之消失,衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置,使动触点与原来的静触点吸合。
这样吸合、释放,从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
十三、三端稳压管
三段稳压管也称三端稳压集成电路,这种稳压用的集成电路只有三条引脚输出,分别是输入端、接地端和输出端。
一般,三端集成稳压电路的最小输入、输出电压差约为2V,否则不能输出稳定的电压,一般应使电压差保持在4-5V,即经变压器变压,二极管整流,电容器滤波后的电压应比稳压值高一些。
第三章.设计体会
学习完模电和数电的课程后,我虽然懂得了很多电子电路方面的理论知识,但对于实际应用方面,我还不是很清楚。
人们常说,“纸上谈兵终觉浅,觉知此事要躬行”,学习任何知识,仅从理论上去求知,而不去实践、探索是远远不够的。
所以,此次课程设计给了我们一个很好的锻炼的机会,极大地提高了我们解决问题的能力和动手能力。
在课程设计的过程中,首先是根据任务书的要求设计出原理图,经过上网和到图书馆查阅资料,反复的思考和与同学们的讨论,我终于设计出来了自己的原理图,那一刻,一种巨大的成就感和喜悦感萦绕心头。
后来,经过老师的指导,我改正了自己的原理图,使其功能更加完善。
然后是利用Protel画图,因为我以前从未学习过,所以刚开始对Protel一无所知,通过不断的学习和向同学请教,我反复练习,终于做出了初步的原理图,然后经过反复的调试和修改,才作出了最后的原理图。
在这个不断学习的过程中,我体会到了自主学习的快乐和成就感。
这次课程设计,不仅加强了我的思考能力、动手能力和解决问题的能力,还让我明白了团队合作的重要性。
团结力量大,我充分体会到了这一真理。
比如在设计时间延迟电路时,为了实现电路当发出警报一段时间T后能够自动喷洒出麻醉剂的功能,我们想了很长时间都没有头绪。
后来在段逢蛟的启发下,我们想到了用555和与门、非门来实现这个功能。
那一刻,全组的同学都很兴奋,我充分体会到了我们组的团结精神和凝聚力。
后来,我们经过查阅资料,又想到了用集成芯片或两个555构成的电路来实现这一功能。
通过讨论和合作,我们的思考能力和合作能力得到了很大的提高。
通过这次课程设计,我懂得了理论与实际相结合的重要性,理论知识固然重要,但只有与实际相结合,才能巩固和加深自己的理论知识,才能提高自己的实际动手能力和独立思考能力。
此外,在设计的过程中难免会遇到问题,但遇到问题并不可怕,关键是我们如何去解决问题。
我认为,在设计的过程中,最重要的还是自己的自主学习能力,虽然任务很重,但要相信自己一定能做好,以极大的热情和信心投入到设计中去,这样才对得起自己。
总之,在此次课程设计的过程中,我学到了很多课堂上学不到的东西,这将对我今后的学习生活产生巨大的影响。
我十分珍惜这次课程设计的机会,也衷心感谢老师的细心指导!
参考文献
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[6]陈尔绍,实用声光控制电子装置制作精选200例,人民邮电出版社,1999
附录一元器件清单
符号
类别
数目
R3-R5、R10、R19、R20、R22
1K
7个
R21、R16
300K
2个
R1、R2
0.03K
2个
R13、R18
56K
2个
R6、R7、R9、R12
10K
4个
R8
47K
1个
R14、R15、R17
12K
3个
R11
1M
1个
C10、C13、C16
0.01uF
3个
C3-C7、C8、C11、C12、C14、C15、C17
0.1uF
11个
C9
0、22uF
1个
C1、C2
470uF
2个
C18
0.01uF
1个
C19
10uF
1个
D2、D3、D4、D6
LED
4个
DS1、DS2
PHOTO
2个
D5
DIDOE
1个
Q1
SCR
1个
Q1—Q2、Q4-Q10
9014
9个
Q3
9012
1个
U2A、U2B
SN74F04D
2个
U1A
SN74F08D
1个
IC1、IC3
NE555
2个
IC2
LM567
1个
P1
MC78L12CP
1个
变压器
T1
1个
桥式整流器
Bridge1
1个
直流电源
VCC
5个
开关
S1
1个
继电器
Relay-SPST
1个
扬声器
LS1
1个
附录二简易光控防盗报警电路总图
- 配套讲稿:
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