熱釋電傳感器報(bào)警電路--模電課設(shè)報(bào)告課件

1、課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書課程設(shè)計(jì)名稱： 模擬電路課程設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)題目： 熱釋電傳感器報(bào)警電路 學(xué) 院 名 稱： 南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院 專業(yè)： 通信工程 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 姓名： 評(píng)分： 教師： 2013 年 3 月 12 日 模擬電路 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書20122013 學(xué)年第 2學(xué)期第 1 周 3 周 題目熱釋電傳感器報(bào)警電路內(nèi)容及要求 有人接近傳感器時(shí)，熱釋電傳感器報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警，無(wú)人接近時(shí)不報(bào)警。 白天不起作用，晚上自動(dòng)工作。進(jìn)度安排第1周：查閱資料，到機(jī)房學(xué)習(xí)仿真軟件，確定方案，完成原理圖設(shè)計(jì)及仿真；第2周：領(lǐng)元器件、儀器設(shè)備，制作、焊接、調(diào)試電路，完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；第3周：檢查設(shè)計(jì)結(jié)果、撰寫課

2、設(shè)報(bào)告。學(xué)生姓名： 指導(dǎo)時(shí)間：周一、周三、周四下午指導(dǎo)地點(diǎn)：E 樓 311室任務(wù)下達(dá)2013 年2月25日任務(wù)完成2013 年 3 月15日考核方式1.評(píng)閱 2.答辯 3.實(shí)際操作 4.其它指導(dǎo)教師系（部）主任注：1、此表一組一表二份，課程設(shè)計(jì)小組組長(zhǎng)一份；任課教師授課時(shí)自帶一份備查。2、課程設(shè)計(jì)結(jié)束后與“課程設(shè)計(jì)小結(jié)”、“學(xué)生成績(jī)單”一并交院教務(wù)存檔。摘要報(bào)警器作為防盜的一種手段一直廣受人們的歡迎。本次設(shè)計(jì)的報(bào)警電路為紅外傳感報(bào)警電路，達(dá)到在夜晚自動(dòng)工作且有人靠近時(shí)自動(dòng)報(bào)警，無(wú)人靠近時(shí)不報(bào)警的功能。根據(jù)實(shí)際操作所遇到的問題，也做了相應(yīng)的修改。本次實(shí)驗(yàn)?zāi)M設(shè)計(jì)了熱釋電傳感器報(bào)警器。熱敏電阻感受

3、到的溫度越高其電阻越小，光敏電阻感受到了光亮越少電阻越大。在設(shè)計(jì)的電路中通過(guò)分壓使熱敏電阻阻值小到一定程度，光敏電阻阻值大到一定程度時(shí)，都往CD4011與非門芯片輸入高電平，此時(shí)CD4011芯片輸出低電平觸發(fā)555定時(shí)器，使輸出一個(gè)高電平，點(diǎn)亮LED燈。經(jīng)過(guò)分析，準(zhǔn)備，調(diào)試后，本次的電路設(shè)計(jì)達(dá)到了課程設(shè)計(jì)的要求。關(guān)鍵詞：報(bào)警器 紅外 信號(hào)處理 目 錄前 言1第一章 設(shè)計(jì)要求與內(nèi)容21.1 熱釋電傳感器報(bào)警器設(shè)計(jì)要求：21.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇21.2.1 方案一21.2.2 方案二31.2.3 方案三4第二章 系統(tǒng)組成及工作原理52.1 系統(tǒng)組成52.1.1 光敏電阻與熱敏電阻52.1.2 與

4、非門電路52.1.3 LED報(bào)警電路62.2 工作原理6第三章 元件選擇與參數(shù)計(jì)算73.1 相關(guān)原理及計(jì)算73.1.1 光敏電阻73.1.2 熱敏電阻83.1.3 CD4011與非門芯片10第四章 實(shí)驗(yàn)、調(diào)試與分析124.1 焊萬(wàn)用板124.2 系統(tǒng)調(diào)試124.2.1仿真調(diào)試124.2.2焊接問題134.2.3 電路調(diào)試13第五章 結(jié)論15參考文獻(xiàn)16附錄一17附錄二18附錄三19前 言防盜報(bào)警系統(tǒng)是預(yù)防搶劫、盜竊等意外事件的重要設(shè)施。一旦發(fā)生突發(fā)事件，就能通過(guò)聲光報(bào)警信號(hào)在安?？刂浦行臏?zhǔn)確顯示出事地點(diǎn)，便于迅速采取應(yīng)急措施。本次設(shè)計(jì)一種利用接收人體紅外輻射進(jìn)行工作的報(bào)警電路，能夠在夜晚自動(dòng)工

5、作。它具有結(jié)構(gòu)小巧、工作可靠、性能穩(wěn)定且價(jià)格底廉等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。這里所設(shè)計(jì)的被動(dòng)式紅外報(bào)警器則采用了美國(guó)的傳感元件熱釋電紅外傳感器。這種熱釋電紅外傳感器能以非接觸形式檢測(cè)出人體輻射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，同時(shí)，它還能鑒別出運(yùn)動(dòng)的生物與其它非生物。熱釋電紅外傳感器既可用于防盜報(bào)警裝置，也可以用于自動(dòng)控制、接近開關(guān)、遙測(cè)等領(lǐng)域。其特點(diǎn)有：1不需要用紅外線或電磁波等發(fā)射源。2靈敏度高、控制范圍大。3隱蔽性好，可流動(dòng)安裝。第一章 設(shè)計(jì)要求與內(nèi)容1.1 熱釋電傳感器報(bào)警器設(shè)計(jì)要求：1、 有人接近時(shí)，熱釋電傳感器報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警，無(wú)人接近時(shí)不報(bào)警。2、 白天不起作用，晚上自動(dòng)工作。1.2 系

6、統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇1.2.1 方案一 圖 1.1 方案一電路圖檢測(cè)電路由檢測(cè)、放大、比較電路、驅(qū)動(dòng)電路等組成。最終將信號(hào)轉(zhuǎn)化為發(fā)光二極管亮的光信號(hào)或蜂鳴器響的聲信號(hào)。雖然仿真沒有問題，但是在實(shí)際操作中，電路的靈敏度非常低，常常不能夠感知到人的靠近，所以也失去了作為報(bào)警電路的功能，所以在咨詢老師后，將電路圖做了改進(jìn)。1.2.2 方案二本方案是經(jīng)過(guò)搜尋資料之后得到的二電路，熱釋電傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)2個(gè)運(yùn)放濾波放大之后，通過(guò)與非門控制輸出低電平（仿真時(shí)用電位器代替了光敏電阻），觸發(fā)555芯片輸出高電平使蜂鳴器報(bào)警。本電路基本滿足了所需的要求，但是本次實(shí)驗(yàn)是用熱敏電阻代替熱釋電傳感器， 信號(hào)量已不需再放大；蜂

7、鳴器也未加載驅(qū)動(dòng)，這些都需要改進(jìn)。 圖 1.2 方案二電路圖1.2.3 方案三 圖1.3 方案三電路圖通過(guò)咨詢老師，用熱敏電阻取代熱釋電傳感器，以達(dá)到設(shè)計(jì)目的。熱敏電阻感受到的溫度越高其電阻越小，光敏電阻感受到了光亮越少電阻越大（由于仿真限制，圖中以電阻相近的電位器代替）。在設(shè)計(jì)的電路中通過(guò)分壓使熱敏電阻阻值小到一定程度，光敏電阻阻值大到一定程度時(shí)，都往CD4011與非門芯片輸入高電平，此時(shí)CD4011芯片輸出低電平觸發(fā)555定時(shí)器，使輸出一個(gè)高電平，點(diǎn)亮LED燈。經(jīng)老師改進(jìn)將555單穩(wěn)態(tài)電路去掉，直接接電阻與LED燈，不僅能達(dá)到效果，更節(jié)約了成本。通過(guò)討論，我們決定使用方案三。第二章 系統(tǒng)組

8、成及工作原理2.1 系統(tǒng)組成 本電路由三個(gè)部分組成：光敏電阻與熱敏電阻、與非門以及LED報(bào)警電路。2.1.1 光敏電阻與熱敏電阻圖2.1 光敏熱敏電阻電路光敏電阻的的阻值范圍比較大，探測(cè)到有光源的時(shí)候電阻值只有幾百歐，探測(cè)不到光源時(shí)阻值可達(dá)到45到65千歐。熱敏電阻在常溫狀態(tài)下阻值約為18千歐，溫度越高阻值越小。2.1.2 與非門電路 圖2.2 與非門電路與非門的作用是當(dāng)它的兩個(gè)輸入管腳同時(shí)輸入高電平時(shí)，與非門芯片輸出一個(gè)低電平。2.1.3 LED報(bào)警電路LDE燈前接一限流電阻，最后點(diǎn)亮LED燈，達(dá)到報(bào)警效果。2.2 工作原理在現(xiàn)實(shí)操作中我們采用了CD4011與非門，與非門的輸入假定分別為A.

9、B腳，A腳接入的是熱敏電阻與其相對(duì)應(yīng)串聯(lián)的電阻間的電壓（VCC-熱敏電阻-A腳輸出電壓-分壓電阻-接地），在正常溫度即室溫條件下（25C。），熱敏電阻的阻值為16.7千歐左右，當(dāng)溫度升到足夠高時(shí)，熱敏電阻阻值可以降到幾十歐甚至更小，通過(guò)熱敏電阻阻值的改變，控制著A腳的輸入電壓。通過(guò)串聯(lián)一個(gè)20千歐的電阻，當(dāng)熱敏電阻阻值變小時(shí)分壓也變小，從電路圖可知可以從中間輸出一個(gè)高電平到A腳；光敏電阻原理也相同，只是串聯(lián)的位置相反（VCC-分壓電阻-B腳輸出電壓-光敏電阻-接地）。B腳輸入的是光敏電阻兩端的電壓，白天光敏電子阻值小，輸入電壓小，但是到了晚上，光敏電阻阻值可以變到45-65千歐。通過(guò)串聯(lián)一個(gè)2

10、千歐的電阻，當(dāng)光敏電阻感受不到光源時(shí)電阻變大，以實(shí)現(xiàn)此時(shí)輸入電壓達(dá)到高電平的要求。只有當(dāng)溫度上升（熱敏電阻阻值減?。┩瑫r(shí)又是黑夜（光敏電阻阻值增大）的時(shí)候，與非門的兩個(gè)輸入端同時(shí)輸入了高電平，也就只有這個(gè)時(shí)候，與非門才會(huì)輸出一個(gè)低電平。最后通過(guò)限流電阻，點(diǎn)亮LED燈，達(dá)到報(bào)警效果。第三章 元件選擇與參數(shù)計(jì)算 3.1 相關(guān)原理及計(jì)算3.1.1 光敏電阻圖3.1 光敏電阻結(jié)構(gòu)通常由光敏層、玻璃基片（或樹枝防潮膜）和電極等組成的。特性光敏電阻器是利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種特殊電阻器，對(duì)光線十分敏感，它的電阻值能隨著外界光照強(qiáng)弱（明暗）變化而變化。它在無(wú)光照射時(shí)，呈高阻狀態(tài)；當(dāng)有光照射時(shí)，其電阻值

11、迅速減小。作用與應(yīng)用廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制電路（如自動(dòng)照明燈控制電路、自動(dòng)報(bào)警電路等）、家用電器（如電視機(jī)中的亮度自動(dòng)調(diào)節(jié),照相機(jī)的自動(dòng)曝光控制等）及各種測(cè)量?jī)x器中。光敏電阻主要參數(shù)有：1. 亮電阻(k）：指光敏電阻器受到光照射時(shí)的電阻值。2. 暗電阻(M)：指光敏電阻器在無(wú)光照射（黑暗環(huán)境）時(shí)的電阻值。3. 最高工作電壓(V)：指光敏電阻器在額定功率下所允許承受的最高電壓4. 亮電流：指光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下受到光照射時(shí)所通過(guò)的電流。5. 暗電流(mA)：指在無(wú)光照射時(shí)，光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下通過(guò)的電流。6. 時(shí)間常數(shù)（s）：指光敏電阻器從光照躍變開始到穩(wěn)定亮電流的63時(shí)所需的時(shí)

12、間。在實(shí)踐電路圖中，光敏電阻電路輸出的電壓為：3.1.2 熱敏電阻圖3.2 熱敏電阻NTC熱敏電阻是指具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。是使用單一高純度材料、具有接近理論密度結(jié)構(gòu)的高性能陶瓷。因此，在實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)，還具有電阻值、溫度特性波動(dòng)小、對(duì)各種溫度變化響應(yīng)快的特點(diǎn)，可進(jìn)行高靈敏度、高精度的檢測(cè)。NTC熱敏電阻是一種典型具有溫度敏感性的半導(dǎo)體電阻,它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的減小。 NTC熱敏電阻是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料，采用陶瓷工藝制造而成的. 這些金屬氧化物材料都具有半導(dǎo)體性質(zhì)，因?yàn)樵趯?dǎo)電方式上完全類似鍺、硅等半導(dǎo)體材料.溫度低時(shí)，這些氧化物材料的載流子（電子和孔穴）

13、數(shù)目少，所以其電阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數(shù)目增加，所以電阻值降低. NTC熱敏電阻器在室溫下的變化范圍在10O1000000歐姆，溫度系數(shù)-2%-6.5%。NTC熱敏電阻器可NTC熱敏電阻器廣泛用于測(cè)溫、控溫、溫度補(bǔ)償?shù)确矫妗?NTC熱敏電阻根據(jù)其用途的不同分為: 功率型NTC熱敏電阻補(bǔ)償型NTC熱敏電阻和測(cè)溫型NTC熱敏電阻。零功率電阻值 RT（） :RT指在規(guī)定溫度 T 時(shí)，采用引起電阻值變化相對(duì)于總的測(cè)量誤差來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)的測(cè)量功率測(cè)得的電阻值。 電阻溫度特性熱敏電阻的電阻溫度特性可近似地用下式表示： R=R0 exp B(1/T-1/T0)電阻溫度系數(shù)所謂電阻溫度系數(shù)()，是

14、指在任意溫度下溫度變化1C(K)時(shí)的零負(fù)載電阻變化率。電阻溫度系數(shù)()與B值的關(guān)系，可將微分得到。所以，當(dāng)輸出電壓為2.5v時(shí)，熱敏電阻阻值為2K左右，溫度為400攝氏度左右。3.1.3 CD4011與非門芯片圖3.3 CD4011引腳圖 圖3.4 CD4011原理圖 表一邏輯表達(dá)式：Y=A.B 真值表 A=Y.BXYQ動(dòng)作 00?禁止 011設(shè)定 100重置 11不變 無(wú) (1)當(dāng)X=0、Y=0時(shí)，將使兩個(gè)NAND門之輸出均為1，違反觸發(fā)器之功用，故禁止使用。如真值表第一列。(2)當(dāng)X=0、Y=1時(shí)，由于X=1導(dǎo)致NAND-A的輸出為”1”，使得NAND-B的兩個(gè)輸入均為”1”，因此NAND

15、-B的輸出為”0”，如真值表第二列。(3)當(dāng)X=1、Y=0時(shí)，由于Y=0導(dǎo)致NAND-B的輸出為”1”，使得NAND-1的兩個(gè)輸入均為”1，因此NAND-A的輸出為”0”，如真值表第三列。(4)當(dāng)X=1、Y=1時(shí)，因?yàn)橐粋€(gè)”1不影響NAND門的輸出，所以兩個(gè)NAND門的輸出均不改變狀態(tài)，如真值表第四列。管腳功能：1A ：數(shù)據(jù)輸入端 2A：數(shù)據(jù)輸入端 3A：數(shù)據(jù)輸入端 4A：數(shù)據(jù)輸入端1B ：數(shù)據(jù)輸入端 2B：數(shù)據(jù)輸入端3B：數(shù)據(jù)輸入端4B：數(shù)據(jù)輸入端1Y： 數(shù)據(jù)輸出端2Y：數(shù)據(jù)輸出端3Y：數(shù)據(jù)輸出端4Y：數(shù)據(jù)輸出端VDD：電源正VSS： 地VDD電壓范圍：0.5V to 18功耗：雙列普通封裝

16、 700mW 小型封裝 500mW工作溫度范圍：CD4011BM -55 - +125 CD4011BC -40 - +第四章 實(shí)驗(yàn)、調(diào)試與分析4.1 焊萬(wàn)用板步驟一：排線根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路圖先在空白紙上排線，盡量避免過(guò)多的跳線和短路問題。使整個(gè)版面看上去干凈漂亮。步驟二：焊接左手拿焊絲，右手握烙鐵烙鐵頭靠在兩焊件的連接處，加熱整個(gè)焊件全體，時(shí)間大約為12秒鐘。焊錫絲從烙鐵對(duì)面接觸焊件，當(dāng)焊絲熔化一定量后，立即向左上45方向移開焊絲，最后移開烙鐵。步驟三：檢查將所有的元器件按電路圖焊接好后，將萬(wàn)用表打到蜂鳴檔，用兩端筆頭檢查電路是否有短路和斷路的情況，并及時(shí)予以修正4.2 系統(tǒng)調(diào)試4.2.1仿真

17、調(diào)試1用方案一時(shí)，由于在用軟件仿真時(shí)，無(wú)法在引入相關(guān)光學(xué)元件，如，熱釋電紅外傳感器，故用直流電源與交流電源串聯(lián)代替，再用按鍵開關(guān)模擬傳感器發(fā)出的信號(hào)。綜合考慮人的移動(dòng)速度和菲涅爾透鏡的作用，交流輸入信號(hào)設(shè)置為1Hz,1mV.。2采用方案三時(shí)，由于光敏和熱敏電阻也無(wú)法引入，故用相應(yīng)的電位器代替。通過(guò)改變電位器的值來(lái)模擬熱敏電阻和光敏電阻在受熱和受光照時(shí)阻值的變化以達(dá)到相同的效果。4.2.2焊接問題1. 由于個(gè)人焊接技術(shù)的問題，在潑錫時(shí)使兩條電路之出現(xiàn)了短接的情況。另外在有的地方加熱過(guò)久，使板上的銅片脫落，為之后的焊接帶來(lái)了少量的麻煩。再者，排線時(shí)任然有部分情況未考慮，使跳線的情況增加。2. 初期

18、使用運(yùn)放的時(shí)候沒有逐級(jí)排查錯(cuò)誤，焊完了電路板才發(fā)現(xiàn)有不通的地方，此時(shí)排查錯(cuò)誤工作量增大，改正難度更大。4.2.3 電路調(diào)試 在實(shí)際操作過(guò)程中，由于方案二的電路過(guò)于復(fù)雜，且缺少相應(yīng)的元器件，所以我們并沒有采用方案二來(lái)做實(shí)物。方案一：1剛開始時(shí)，我們焊了方案一的電路。接入電源后人靠近時(shí)，LED燈并沒有亮起來(lái)，便以為是感應(yīng)信號(hào)太微弱了，用手靠近，還是沒有報(bào)警。2. 用萬(wàn)用表測(cè)試第一級(jí)放大信號(hào)，由于信號(hào)很微弱，萬(wàn)用表明顯精度不夠，遂用電子示波器測(cè)試信號(hào)輸出，測(cè)試結(jié)果大概在10mv左右，第二級(jí)信號(hào)并沒有放大，便對(duì)第二級(jí)進(jìn)行了檢查改進(jìn)，增大了放大倍數(shù)，但結(jié)果并沒有理想中的順利，報(bào)警LED燈成了常亮，便又減

19、少了第二級(jí)的放大倍數(shù)，但感應(yīng)時(shí)報(bào)警燈還是未亮。3進(jìn)過(guò)詢問后才知道，熱釋電傳感器需要特定的芯片進(jìn)行調(diào)整，由于知識(shí)的限制，故沒有對(duì)電路圖再進(jìn)行改變。4多次測(cè)試無(wú)果之后，我們決定換做方案三，采用熱敏電阻和光敏電阻的阻值變化引起差分放大電路的電壓變化，從而獲取一個(gè)瞬時(shí)信號(hào)，觸發(fā)報(bào)警電路。方案三：1將電路接入電源，電阻遮光加熱后，用萬(wàn)用表測(cè)量與非門輸入與輸出的電壓值，以及LDE兩端的電壓值，發(fā)現(xiàn)與計(jì)算值相近。2.方案三的電路正常工作時(shí)，拿手靠近電路時(shí)，燈亮報(bào)警電路工作。手離開后，燈滅，報(bào)警電路不工作。將黑膠布拿走后，無(wú)論手靠近或離開，燈不亮，報(bào)警電路不工作。3. 雖然電路基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但多次試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，電路本身靈敏度不高，偶爾會(huì)有失效的情況，但由于時(shí)間限制，也沒有再做改進(jìn)。4老師在檢查后提出，去掉555芯片，在二極管前接一個(gè)限流電阻同樣可以達(dá)到相同的效果，且更節(jié)約成本。5. 第一個(gè)方案，在原理上，并沒有什么問題，但由于電路