红外控制报警器

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：红外控制报警器

学院名称：南昌航空大学信息工程学院专业：班级：

学号：姓名：

评分：教师：

20 年月日

学年第学期第第周

题目红外遥控报警器

内容及要求

①当有人遮挡红外光时发出报警信号，无人遮挡红外光时报警器不工作；

②红外发射器，发射频率为30kHz，控制距离≥2m；

③报警信号频率800Hz。

进度安排

第7周：查阅资料，学习仿真软件，确定方案，完成原理图设计及仿真；

第8周：领元器件、仪器设备，制作、焊接、调试电路，完成系统的设计；

第9周：检查设计结果、撰写课设报告。

姓名：

指导时间：周二周三周四指导地点：

任务下

达

任务完成

考核方式：1评阅 2答辩 3实际操作 4其他

指导教师韦芙芽系（部）主

任

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

红外线是一种光线，是太阳光中众多不可见光中的一种，具有普通光的性质，可以以光速直线传播。红外线由德国科学家霍胥尔于1800年发现，又称为红外线辐射（Infrared radiation）。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为0.75-1.50μm之间；中红外线，波长为1.50-6.0μm之间；远红外线，波长为6.0-1000μm之间。随着科学技术的发展，红外线越来越广泛的应用于通讯、军事、航天、医疗、考古、天文、探测等科学领域，即使在日常生活和农业生产中也广泛应用到红外技术。如红外线取暖器、红外自动干手器、红外线报警器、远红外粮食烘干等。

红外报警器的制作意义则体现在报警上，首先设计电路图，该电路图由一个发射电路和接收电路构成。经过仿真软件仿真，元件排版焊接，最终实现报警功能。为了深入的学习电子技术基础这门课程并将所学的知识结合实际应用于生活，本报警器可以实现对局部通道的监控报警作用，也可用来对重要物品的保护。

关键词：红外线控制报警

（1）课程设计报告目录

目录

前言 (1)

第一章系统设计方案及选择 (2)

1.1方案简介 (2)

1.2方案特点及选择 (3)

第二章系统组成及系统原理 (4)

2.1 系统的组成 (4)

2.2 工作原理 (5)

2.2.1 红外发射电路 (5)

2.2.2 红外接收电路 (7)

2.2.3 蜂鸣器 (8)

2.2.4 放大电路 (8)

2.2.5 整流开关电路 (9)

2.2.6 多谐振荡器的工作状态 (10)

第三章电路仿真与结果分析 (11)

3.1 软件仿真和实物调试 (11)

3.2 实物制作与实测波形 (13)

3.3 实验调试 (15)

第四章结论与心得 (16)

参考文献 (17)

前言

很多电路要使用NE555来产生一个脉冲，NE555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，在电路应用中主要用来做定时器，可构成施密特触发器、多谐振荡器和单稳态触发器。

本次课程设计中，就是使用了NE555多谐振荡器，自激多谐振荡器产生30KHZ的不对称脉冲，此脉冲为红外光的调制脉冲，调制脉冲经功率放大后控制红外发光二极管发射红外脉冲。

红外接受信号由红外光敏晶体二极管放大、整流、报警电路组成。把红外脉冲信号转换成电信号，即解调出调制脉冲，然后把此信号放大，整流变成直流信号，控制报警电路器不工作，有人挡住红外光线时报警器发出声音。

当今社会，人们对于防盗需要借助于外物。报警器应运而生。红外报警器的优点在于对于很多空间都能进行防范，优势颇大。报警器的运用已深入到各行各业，比如银行、学校及一些保密行业。

红外报警器的应用广泛，抗干扰能力强，原理也并不算复杂,深受人们青睐。做这个课程设计，是很有实用性的,可以将它应用到很多非常地区,并起到非比寻常的作用。

第一章方案设计

1.1方案简介

方案一

地球上的物质都会辐射红外线,有的强烈有的平静，当有人进入探测器范围内，探测器探测到人体发出的较强的红外热辐射，经过光电转换，引起报警系统报警。被动式红外线报警器是直接根据对外界红外能量的探测来判断是否有人移动的。人的体温一般在37度左右，会释放波长约为10μm的红外线，这种红外能量不同于周围环境中的，一旦报警器在它的防范区域内探测到波长为10μm左右的红外线，分析处理后便会发出警报信号。

分析如下：人体发射出的红外线首先通过菲涅尔滤光片进行增强，增强之后聚集在红外感源(一般采用热释电元件)上，而热释电元件一旦接受到人体红外线，温度便会发生变化，并释放电荷使得电荷不守恒，在电路中一旦检测到这种情况便确定有人入侵，产生报警信号。

方案二

在探测区域范围内，红外光由发射端发射到接收端。当有人进入区域内，挡住红外光线，接收端接受不到红外光线，以此引起接收系统中报警电路的反应，报警系统报警。主动式红外线报警器就是利用发射机发射红外线，而接收机接收红外线来工作的。在发射机与接收机之间形成了一条红外警戒线，在正常情况下，发射机发射红外线，而接收机接收到稳定的光信号。而一旦报警器防范区域内有人入侵时，由发射机发射出的红外线光束被遮挡，接收机接收到的不再是稳定的光信号，而有一定程度的变化，这一变化经分析处理后传送至报警控制器，使之发出报警信号。

1.2方案特点及选择

两个方案都具有以下红外遥控报警器的特点：

特点一：具备多个独立的无线防区，每个防区可以单独撒布防，既方便又实用;

特点二：其探测器与主机之间可以无线对码，学习式的编码使系统具有强扩展性;

特点三：报警声音的时长及音量可控;

特点四：其主机可定时开关，并具有开关机状态指示;

特点五：具备存储功能，可查询报警信息，包括具体的时间和位置;

特点六：内置电源，以实现停电时的安防;

特点七：内含拨号模块，具备紧急拨打报警电话的功能。

方案二的优点：

1）安全系数全面提高。

2）操作简单、方便，可全天候布防。

3）准确性高。

4）业主活动空间大。仓库内的员工可自由走动，不影响工作效率。

5）防剪、防破坏功能。

方案一的缺点：

1).容易受到动物体温辐射、阳光照射、热气流温度辐射等多种因素干扰而引发误报警；

2).当气温与人体温度接近或高于人体温度时，这一类探测器将根本无法正常工作。

并且由于主动式红外线报警器具有很远的防范距离，是被动式红外线报警器防范距离的十几倍，目前已有广泛应用。并且通过分析和比较，方案一的可行性不是很好，其设计的内容超出我们所学知识的范围，所以本次的设计选择方案二。它的原因是控制范围要求在2米以上，就要求红外发射器功率不能太小，且报警器的灵敏度是判断报警器好坏的一个重要标准，灵敏度越高越好。但是要考虑到报警器对飘浮物和微小动物的误报，另外还要考虑白天黑夜光线的影响。另外，在选择器件时还要从经济上考虑，由于是学校模拟电路设计报告，所以最好选用一些常用芯片器件。

第二章系统组成及系统原理

2.1系统的组成

该系统由一个红外发射电路以及一个接收电路构成。

其中红外发射电路：由震荡脉冲发生电路和功放电路构成。其电路示意图（图2.1）：

图（2.1）红外信号发射电路

红外接收电路：由集成运算放大电路和整流电路结合成。其电路示意图（图2.2)

图（2.2）红外接收电路

2.2工作原理

本设计是通过将脉冲信号放大、整流以控制三极管通断从而控制蜂鸣器是否工作发声，达到报警的目的。

红外报警器由报警主机和红外探测器组成报警系统。探测一旦探测到人入侵，红外报警器就立即把报警入侵信号无线密码传输给主机，主机接收到报警信号后，就立即启动蜂鸣器报警。

2.2.1红外发射电路

此电路主要由一个NE555芯片和两个三极管构成（如图2.2.1）。其中NE555芯片自激振荡会产生脉冲波，其频率由R1、R2和电容Cf确定，该信号可通过由两个三极管构成的复合管放大后控制红外发光二极管发出所需的30KHz的红外脉冲信号，电容C是为了提高NE555芯片的抗干扰能力，另外，为了给三极管设置合适的静态工作点，选取一个电阻R3。

图（2.2.1）红外遥控报警发射电路

红外发射电路本身并不难只要给与发射头足够的频率就能驱动它发射出红外信

号。可以选择两种最基本的方法设计电路图，第一种是用单片机直接发射30KHZ 的方波信号，用三极管来驱动发射头工作，这就是要求我们用程序来发射30K 的方波；第二种是用NE555芯片来设计成多谐振荡器，发射出30KHZ 的方波。不管是在软件和硬件上，第二种设计方法都占优势，所以我们选择第二种电路来设计。设计电路如图

2.2.2

图2.2.2NE555基本电路

对于上图，要求使用者自己确定参数R1、R2和C1。计算时有输出高电平时间为：

1211/)(*693.0C R R T +=

输出低电平的时间为：

122**693.0C R T =

所以其输出周期为：

12121*)2(*693.0C R R T T T +=+=

其频率有：

占空比为 )/(211T T T +

从上面的公式中带入30KHZ 的频率就能确定各个参数。为此我们取1C 为10nf ，1R 为Ω

5102R 取2K ，从而达到30KHZ 的频率。

2.2.2 红外光敏接收器电路

此电路由一个远红外光敏二极管和一个耦合电容C1构成。

其原理如下：红外发射器由自激多谐振荡器产生30KHz 的不对称脉冲红外信号，

远红外光敏二极管对红外线敏感，当无人遮挡时，红外线照射使远红外光敏二极管导

通，同时将脉冲红外光信号转化为交流电信号（如图2.2.3）。而耦合电容C1起传

递信号以供放大和隔绝供电源之直流信号作用。

图（2.2.3）红外光敏接收器电路

接收部分采用的是TSOP1838，图2.2.4就是它的内部接收电路图：

图（2.2.4） TSOP1838内部结构

它的内部集成了放大电路和带通滤波，具有高选择性，而且这对本次的设计无疑是一大方便，不用自己加运算放大器。

接收器的作用是接收发射器发出的红外脉动光，完成光电转换，经过放大、滤波等电路把正确的信号可靠的传感到报警器安全系统的接口电路中。

为了此次设计，所选的光敏二极管为普通型远红外光敏二极管。为了保护二极管，选用R6为30kΩ。 NE555构成多谐振荡器取R4=10kΩ，R5=4kΩ，C3=100nF ，此时可以达到所要求的800HZ频率。C4的作用是为了提高NE555芯片的抗干扰能力，取C4=10nf。理论计算结果如下：

f1＝1．43／［（R4＋2R5）C］=794H z

2.2.3 蜂鸣器

蜂鸣器需要一个三极管用来驱动。其输出信号经三极管推动蜂鸣器，PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之电路停振。

2.2.4 放大电路

放大电路是个两极放大.主要由集成运算放大器LM555、耦合电容C2构成。

原理如下：交流电信号经R3流入LM555进行放大，放大倍数由R7/R3的值控制。考虑到此时LM741单电源供电，在其管脚3处接入分压偏置电阻R1、R2以减小3管

脚的输入电压从而利于放大。电信号经管脚6进入耦合电容C2滤去了供电源带来的直流信号直达三极管进行二次放大，使信号显著增强。

2.2.5 整流开关电路

整流开关电路由电阻R4和三极管Q2构成。

其原理如下：放大信号由LM555发出后经过电阻再到三极管Q2，放大后的交流信号经电容C5滤去由供电源带来的直流成份后分成两支：其正半周经二极管D3流入充电电容C4和作为开关作用的三极管Q2中，使三极管Q2导通，同时给C4充电，因为信号负半周不经过三极管Q2，会导致信号间断半个周期，所以这里充电后的电容C4就会相当于一个供电源，起一个延时的作用，给三极管Q2供电以使其导通时间延长，Q2导通则蜂鸣器会被旁路而不发声；其负半周通过二极管D2流出。蜂鸣器发声频率来源于其本身的发声频率。当有人遮挡时，则三极管Q2截止，蜂鸣器由直流供电源供电工作而发声。

最后得出图2.2.5总电路图

图（2.2.5）电路仿真总图

2.2.6 多谐振荡器的工作状态

多谐振荡器的工作波形如图2.2.6所示：电路接通电源的瞬间，因为电容C还来不及给其充电，Vc=0V，所以定时器状态为1，输出Vo就为高电平。同时，集电极输出端(即管脚7)对地断开，电源Vcc对电容C进行充电，电路就会进入暂稳态I,然后，电路周而复始地产生周期性的输出脉冲。多谐振荡器两个暂稳态的维持时间取决于RC充、放电回路的参数。暂稳态I的维持时间，也就是输出Vo的正向脉冲宽度;暂稳态Ⅱ的维持时间，即输出Vo的负向脉冲宽度。因此，输出信号的正负向脉冲宽度相等的矩形波(方波)。

图（2.2.6）多谐振荡器波形图

第三章电路仿真和结果分析

3.1 软件仿真和实物调试

在调试过程中注意以下四个关键：

一、一定要检查芯片的管脚是否接取正确，避免烧掉芯片。

二、正负极引线接电源时正负极不能接反，不然会容易击穿或烧坏二极管。

三、必须用示波器检测NE555芯片是否产生了方波，要不然会导致二极管无法满足要求正常工作，芯片输出对应仿真波形（如图3.1.1），红外光敏发射二极管两端电压如（图3.1.2），以及有光照时蜂鸣器两端电压如（图3.1.3），无光照射时蜂鸣器两端电压如（图3.1.4）所示。

四、一定要确保接收二极管的保护电阻足够大，否则也会导致击穿或烧坏二极管。

检查确保上述情况无误后，再反复调试。经过万用表测量，记录部分数据，如表3.1.5

各仿真结果如下：

图（3.1.1） NE555输出波形

图（3.1.2）红外发射二极管两端电压（图3.1.3）有光照射蜂鸣器两端电压

（图3.1.4）无光照时蜂鸣器两端电压

红外光敏发射二极管两端电

压无光照时蜂鸣

器两端电压

有光照时蜂鸣

器两端电压

红外光敏二极

管两端输出频

率

蜂鸣器两端输

出频率

1.96V 10.92V 0V 28kHz 758Hz

（表3.1.5）实际测量数据

当有光照的时候，也就是没用纸挡住的时候，蜂鸣器的电压特别小，见（图3.1.3），没有给蜂鸣器提供足够的电压使它工作，所以它不会响；但是当它无光照的时候，也就是被纸遮住的时候，给蜂鸣器提供的电压足够它工作，所以就响，报警。

3.2 实物制作与实测波形

所有前期准备做好后，开始了制作，电路图焊接，实物图正面如（图3.2.1），实物图反面如（图3.2.2），以及实际波形图如（图3.2.3）所示。

图3.2.1 实物图正面

图3.2.2 实物图反面

图3.2.3 实测波形图

3.3 实验调试

等了几天终于拿到元器件，清点了一下元器件后就立马开始焊接。同组人一个负责发射电路部分，一个负责接收电路部分，另一个负责检查电路。当日则根据万能板的大小尺寸和所选电路图，按照电路模块先在草稿纸上进行了大概的布局，然后就开始焊接了。为了能很好的实现报警功能，焊接完红外线接收电路所有元器件用了大多时间，因为都是女生，所以焊接时会更小心翼翼。焊接好后对照电路图仔细检查了各个焊点和连线，没有发现有虚焊、脱焊现象的存在，各个连线也没有开路及短路，现象，电路也完全按电路图布局的。

当连接上5V直流电源后用万用表测试各电路模块，功能基本正常。但是，当启用同组人设计的正常红外线发射电路时，发现未达到报警功能，于是大家又再次检查了一下电路图，果然发现红外光敏二极管焊反了，于是取下该管，另去库房领了个新的远红外接收管焊了上去，再测试，发现可以达到两外之外报警，但蜂鸣器声音还是不对。于是在未接收红外线照射时检查蜂鸣器的输入电压，发现电压太小。最后再测试，发现效果良好，信号放大效果好，蜂鸣器也响亮了，各项设计参数及功能指标均正常。

第四章结论与心得

在选课设的时候我们组纠结了很多，因为都是女生动手能力什么的可能没有男生那么好，所以开始选定波形变换时，因为仿真时遇见好多问题，电路也比自己想象中复杂，后来又想改透明报警，拿给老师检查的时候，老师很细心的帮我们分析并且给了我们两个以前做出概率高的课题，终于我们敲定了这个，红外控制报警器。在做本次课程设计的过程中，作者感触最深的当属查阅了很多次设计书和指导书，还有学会了基础的multisim运用。如何把平时所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢？一开始看着题目是无从着手，在一次次的参看资料和书籍后才开始有了眉目，在课程设计过中进一步的加强和了解了课上学的理论基础知识，了解到多更多的元件，初步体会到了要设计一个电路去完成某项工作的过程是如此的繁琐，怎样进行对一个工程设计，它需要很高的逻辑思维能力和创新能力，是一个将理论上升为实践的过程，同时也发现了很多在学习理论知识中出现的问题，课堂上有部分知识不太清楚，于是又不得不边学边用，在参数的设定也存在很大的问题，还有，在焊接方面开始也是一窍不通的，但通过这次课程设计后，懂了很多！所以平时时刻巩固所学知识是很有必要，由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。通过不懈的努力，也养成了独立思考的习惯，极大地培养锻炼了自己的动手能力。同时也懂得了团结合作的重要性。如何把平时所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢？一开始看着题目是无从着手，在一次次的参看资料和书籍后才开始有了眉目，在课程设计过中进一步的加强和了解了课上学的理论基础知识，了解到多更多的元件，初步体会到了要设计一个电路去完成某项工作的过程是如此的繁琐，怎样进行对一个工程设计，它需要很高的逻辑思维能力和创新能力，是一个将理论上升为实践的过程，同时也发现了很多在学习理论知识中出现的问题，课堂上有部分知识不太清楚，于是又不得不边学边用，在参数的设定也存在很大的问题，还有，在焊接方面开始也是一窍不通的，但通过这次课程设计后，懂了很多！所以平时时刻巩固所学知识是很有必要，由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。

通过不懈的努力，也养成了独立思考的习惯，极大地培养锻炼了自己的动手能力。同时也懂得了团结合作的重要性。