红外防护装置王塘华

《电子技术》课程设计报告

班级 电气1113班 学号 1111205338

学生姓名 王塘华

专业 自动化 系别 电子信息工程系

指导教师 电子技术课程设计指导小组

淮阴工学院

电子与电气工程学院

2013年5月

1 设计目的

a）培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。

b) 学习较复杂的电子系统设计的一般方法，了解和掌握模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力，由学生自行设计、自行制作和自行调试。

c) 进行基本技能训练，如基本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、测量、熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设备进行调试和数据处理等。

d) 培养学生的创新能力。

2 设计要求

1． 红外脉冲重复频率125Hz；

2． 实现报警锁定，声光报警方式任选；

3． 主要单元电路和元器件参数计算、选择；

4． 画出总体电路图；

5． 安装自己设计的电路，按照自己设计的电路，在通用板上焊接。焊接完

毕后，应对照电路图仔细检查，看是否有错接、漏接、虚焊的现象；

6． 调试电路；

7． 电路性能指标测试；

8． 提交格式上符合要求，内容完整的设计报告；

3 总体设计

3.1 引言

本课题设计采用脉冲发射方式，因为此方式可使红外发射管的平均功率减小，提高系统装置的有效作用距离。

红外线接收管用来将接收到的红外脉冲信号转换成相应的电信号，接收管在没收到红外管信号时，接收管中流过的电流很小，即只有很小的“暗电流” ，

负载上无电脉冲信号输出；当有红外光脉冲信号照射时，接收管的内阻急剧减小，电流增大，并在负载电阻上得到相应的的电脉冲信号。

3.2 总体框图

设计思路的框图及各部分的主要内容如图1所示。

图1 红外防护装置总体设计框图

3.3 框图各部分功能说明

发射电路是以555为核心组成多谐振荡器，通过改变振荡器的工作频率来调节红外发射器件的工作频率，且可以通过调节电阻来减小红外信号的占空比，从而尽可能地增加红外防护的范围。此外，要想得到较好的传输距离和稳定的工作性能，需将驱动红外线发射管工作的振荡电路频率调整在红外发射器件的工作频率附近，且产生振荡频率为f0.7(R12R2)C,555的三脚输出低频的振荡方波，通过VT1去控制红外发光管工作。

接收电路由红外线接收管、两个BJT9013、一个0-5K的电位器等器件组成。红外线接收管可将红外光脉冲转化为电脉冲信号，为使红外接收到的信号精确并且稳定，加进了CD4011，用其中的一部分对接收到的脉冲信号进行整形。

经过整形后的脉冲信号传输到由555定时器构成的单稳态可重复电路，单稳态可重复电路可对其进行脉冲缺失检测，如果检测到有脉冲缺失，则发光二极管发光报警。

锁定电路可用来实现：当有人阻断红外信号时，此时输出低电平，该部分电路可锁住低电平信号，即使此人离开，报警也可继续，直到被复位(本设计采用：人为的手动复位)才停止报警。本装置采用CD4011另一部分将其接收到的信号进行锁定，从而实现持续报警的目的。

报警电路是整体设计的尾声。实现方法较为简单：当上一级输入高电平是不

报警，输入低电平时开始报警并可实现锁定。

4 单元电路设计

4.1 555器件的介绍

555定时器的外引线排列图和内部原理框图如图2、3所示。

图2 555芯片管脚图 图3 TTL电路555电路结构

NE555定时器功能表，如表1所示。

4.2 发射电路

发射部分以555为核心组成多谐振荡器，如图4所示。

图4 发射电路

电源接通后，Vcc通过电阻R1、R2向电容C充电。当电容上电VC=2/3Vcc时，阀值输入端⑥受到触发，使输出电压Vo=0，同时放电管T导通，电容C通过R2放电；当电容上电压Vc=1/3Vcc时，输出电压Vo=1。C放电终止、又重新开始充电，周而复始，形成振荡。

由于555构成的多谐振荡器其工作频率应该在100Kz左右，所以可确定该多谐振荡器的R1,R2的阻值。令C14.7 uf ，

充电时间：tPH(R1R2)Cln20.7(R1R2)C

放电时间：tPLR2Cln20.7R2C

振荡频率：f11.43 tPHtPL(R12R2)C

由此可求出R1,R2的阻值分别为1 KΩ、1 KΩ。

4.3 接收电路

红外线接收管和9013三极管组成了接收部分，如图5所示。

图5 红外线接收电路

红外接收管接收到红外光就会产生光电流，从而构成了9013三极管的基极电流。因三极管对基极电流有放大作用，所以在三级管的集电极形成了振荡信号（1+β）Ib。考虑到起初接收到的信号可能很微弱，所以需要将其进行一定的放大之后再重新送入报警电路。

4.4 可重复触发的单稳态电路

由555定时器构成的可重复触发单稳态电路如图6(a)、(b)所示。

(a) 电路图

(b) 工作波形

图6 由555定时器构成的可重复触发的单稳态电路

当V1输入负向脉冲后，电路进入暂稳态，同时BJT导通，电容C放电。输入脉冲撤除后，电容C充电，在VC未充到2/3 Vcc之前，电路处于暂稳态。如果在此期间，又加入新的触发脉冲，BJT又导通，电容 C再次充电，输出仍然维持在暂稳态。只有在触发脉冲撤除后且在输出脉宽Tw时间隔内无新的触发脉冲，电路才回到稳定状态。所以当红外光被遮挡时，且挡住时间大于脉宽Tw时，Vo输出低电平，从而导致报警。

4.5 报警信号的产生

发射电路发射出连续而稳定的光脉冲，接收电路在没有物体遮挡光的情况下，接收到发射电路所发射的所有脉冲波。但是当物体遮挡了红外光时，并遮挡住2个以上的脉冲波时，接收电路就会出现脉冲波的缺失。此时，需要将这种缺失检测出来，本设计采用由555构成的可重复触发的单稳态电路（下跳沿触发），对其进行脉冲缺失检测，如果检测到有脉冲缺失，则发光二极管发光报警。

接收与发射脉冲波的示意图如图7所示。

图7 脉冲波发射与接收示意图

4.6 信号锁定电路

本部分用反相器和与非门构成的简单结构，可以锁定单稳态触发器触发后的低电平信号，从而持续报警，本设计中采用CD4011，其管脚图如下图8所示。

图8 CD4011管脚示意图

CD4011：该电路含由四个二输入的与非门，每个门都带有输入、输出缓冲器。 报警信号的锁定电路，如图9所示。

图9 报警信号的锁定

当输入低电平信号后，经与非门变成了高电平的信号，再经与非门后又变成低电平信号，并反馈到与非门的另一个输入端，这样即使输入的信号变成了高电平，最后输出的仍是低电平信号，从而实现了信号的锁定。

4.7 报警电路

报警电路，如图10所示。

图10 报警电路

此部分由三极管9012和发光二极管构成，为低电平触发报警电路，当接收到前级的低电平信号时，发光二极管发光，即报警。直到按下复位开关方可解除报警。

4.8 红外防护装置整体原理图

本装置的设计原理图如图11所示。

图11 红外防护装置原理图

4.8.1 工作原理

本设计是红外防护装置。根据要求，红外装置由两部分组成，即红外发射装

置和红外接收装置。红外发射装置由多谐振荡器、功率发大器、红外发光二极管组成。多谐振荡器产生脉冲，此脉冲为红外光的调制脉冲，经功率放大后控制红外光二极管发射红外脉冲。红外接收装置由红外晶体管接收与放大、可重复触发单稳态、锁定、报警电路组成。把红外脉冲转换成电信号，即解调出调制脉冲，然后把此信号放大，控制报警器不工作。若红外脉冲被人遮挡，则报警器发出报警声。

5．安装和调试

先将红外防护装置的VCC接+5V直流电,接地端接地,然后用纸盒罩住接收管,按下开关按钮,观察报警电路是否工作,经调试发现发光二极管灯不亮,进行逐步调试。

首先，调试发射电路。将5v的直流电源连接到装置的两极(注意：极性不可接反)，使用示波器测试555定时器的输出端(3脚),应该在显示屏上看到频率约为100Hz的方波信号。同时，用万用表测试红外发射管两端是否有电压输出，以检测二极管是否接反。

其次，调试接收电路。用示波器测试几个特殊点的波形，看其是否正确。接受电路中两个三极管起放大信号的作用，能在示波器中观察到被放大的方波信号。这部分在接线过程中，很容易导致报警电路中的发光二极管持续亮或不亮等现象，要认真仔细的观察各点的波形从而找出错误，同时要注意如果有元器件在接通电源后发烫，要立即检查电路中是否有短路等现象，以免烧坏元器件。

6.设计总结

通过此次电子技术的实习让我掌握到了很多知识，巩固了我平时所学习的内容，同时锻炼了我自己动手操作的能力。从搜集信息，设计电路，选择元件，寻找导线，焊接电路，到焊好调试。虽然中间出现了不少问题，焊接期间把二极管的正负极焊错，线路漏接,三极管管脚插错等等。通过长时间不懈努力，耐下性子细心的调试，最终成功。

这次实习让我收获良多，通过同学之间互相解答疑惑，互相帮助，感受到合作的的必要性，增进友谊，以及成功的完成一件事真的很不容易，也激励我遇到困难要勇往直前，同时更深入更好的掌握这学期所学习到得电子技术知识，从实践中领悟真理，实事求是，是必不可少的。

班级：电气1113班 姓名： 王塘华 学号： 38 课题：红外防护装置

7.参考文献

1.任振辉，张义华《电子技术》 中国水利水电出版社;

2.康光华，周寿彬，秦臻《电子技术基础》 数字部分 （第五版）;

3.张宏希 红外接收组件原理及应用电路[J] 石河子大学学报 2005.6. 附录1

实验所需元器件清单如下所示：

电阻（单位：欧姆）：3.3KΩ（3只）、1 KΩ（2只）、100 Ω（2只） 10 KΩ(1只)

电容（单位：微法）：4.7uf (2只)、0.01 uf (2只)、 47 uf (1只) 三极管：9013 (3只)、9012(2只) 电位器：5K（1个） 发光二极管（红色）：（1个） 红外接收管（黑色）：（1个） 红外发射管（白色）：（1个） 按钮开关：（1个） NE555集成块（含插座）：（2个） CD4011（含插座）：（1个） 电源：直流+5V电源（1个） 导线：（若干）

10