主动式红外防盗报警电路的设计（温州大学物理与电子信息学院05电信2班 浙江温州 325000）摘 要：本文主要介绍了主动式红外防盗报警电路的设计与实现，该电路主要包括报警信号的产生、处理以及输出等三个方面的具体实现电路，通过分析得出这个报警电路具有很好的稳定性。另外，因该电路有较强的实用性，适用于较多的场合，实际运用方便，故设计意义很重要。关键词：红外;报警;主动;防盗当前，防盗，安全等话题已成为我们越来越关注的一个话题。红外光电报警是一种重要的监视系统，可应用于机场、库房、军事重地以及高温、高寒、高危等恶劣环境下，同时也适用于农村场院、畜禽棚舍的警戒，以及其它需要设防的场合。红外光电报警分为主动式和被动式两种。其中，主动式红外光电报警器采用了红外调制，所以不受白天黑夜及气候的限制，无论何时何地都有其特有的使用价值，并且因具有造价低廉、性能稳定可靠及可携带等特点，颇受人们喜爱。该方式报警器组合了红外发射器、接收器和放大电路三大主要部分。红外发射器和接收器相互对射，即在两者之间，利用光电原理形成一束红外线“路障”，当人体或移动目标通过时，红外线被遮挡，引起光电探测器件信号的突然变化，产生一个不同的电信号，系统将这个电信号经过放大电路部分除去燥声并放大处理后开启报警装置，发出报警信号。该装置通常安装在大门的两侧，或者安装于一座大楼的防盗系统中，其作用距离较大，通用性强。一、总体介绍本文设计的红外光电报警器是一种红外直射式主动报警器，它主要由发射、接收和报警等三部分组成，其方框图如图1所示。D1 , D2分别为红外发射和接收二极管。整个的电路由以下图示几个部分构成。其中第一个模块的供电电压为5v，其余各个模块的供电电压均为正负15v，发射部分安装在一块电路板上，后面的接收部分在另一块电路板上，但功放和报警装置为独立一个模块电路板。下面介绍各个模块的工作原理。报警装置滤波与功放前置放大器方波发生器驱动级 发射部分 接收部分及放大部分图1 报警器总体方框图二、发射板电路介绍如图2所示，发射电路由多谐振荡器、射级跟随器、红外发光二极管等三个单元组成，多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳状态，而且无需外来脉冲触发，电路能自动交替翻转，使两个暂稳态轮流出现，输出矩形波或方波。由于输出的矩形脉冲波含有丰富的谐波，故称它为多谐振荡器。在本系统中，多谐振荡器为系统提供一个稳定的方波信号，它由集成电路NE555,R,C等器件构成，。其振荡频率由R,C决定，周期T=0.693(R1+2R2 )C。用示波器观测a点的波形及电压，应为方波，占空比为50，其静态电压Vpp10V。频率(1000 50 )Hz1。 图2中，R1=27K, R2= 2K, R3=24K, R4=2K, R5=5. 1K, R6=0. 5K, R7100, C1=0.022uF, C2 = 0.01uF, C3 = 100uF，三极管3DG130及相关电阻组成射极跟随器，对方波信号进行电流放大，为红外发光二极管提供足够大的辐射能量。其工作电流iD在30 mA-40 mA之间。发射管 图2 多谐振荡器驱动电路三、接收板电路主要由一个前置放大器组成，前置放大器由红外接收二极管D2、电阻及741集成电路组成如图3所示，前置放大器是一个反向比例放大电路，红外接收二极管将接收到的光信号转化为电信号，这个微弱的电信号U，经过电阻R1加到集成运放的反向输人端，反馈电阻R3，跨接在输出端与反向输人端之间，使电路处于闭环状态，它是反向输人运算电路的基本形式之一。 由于输人端接收的是微弱的红外光信号，要求前置放大器要有很低的噪声系数，但在实际中，噪声不可避免，而系统中，这一级放大器性能的优劣直接影响到整个系统的品质。所以尽管不同系统对放大器的技术指标的要求会各不相同，但对前置放大器的低噪声设计都必须是优先考虑的，该电路可满足此项要求。当有“光”照射时，红外接收二极管D2内阻减小，前置放大器有信号输入，集成电路741的6端有输出，输出电压Vpp10V1。图3中:R1=15K, R2=100K, R3=1K，R4=4.7K, R51K, R6=1.3K, R7=50K, R8=500,C110uF,C2=0.1uF，C3 = 47uF，三极管3DG130及相关电阻组成射极跟随器，对方波信号进行电流放大，为红外发光二极管提供足够大的辐射能量。其工作电流应在30mA-40mA之间。接收管图3 前置放大电路四、功放及报警信号输出电路功放及报警信号输出电路是一个合成的电路，这是一个利用LM324放大器组成的一个电路，里面集成了差分式放大电路，多级放大和电压比较器。差分式放大电路可以抑制电路中白噪声，保留有效信号，放大电路将电路中的有效信号放大，电压比较器的比较电压可以自己设置，用来调节报警的参考电压值，即报警灵敏度，防止无人时由于噪声报警或者有人通过时不报警，增强设备在不同条件下的可用性。另外，本电路所采用输出的报警信号为方波，在可以扩展模拟电路的同时也可以扩展数字报警模块，例如把方波调节成为5V和0V时，就可以用单片机来扩展出更多的功能出来，完成一些智能的报警动作。如图4所示。图4 功放及报警信号输出原理图下面对图4的电路逐步进行分析，分析这个电路各个方面的性能。对于本电路可以分为三个主要部分。（一）差分式放大电路第一部分为差分式放大电路，可以抑制电路中的共模信号，放大有用的前置放大传递过来的报警信号(差模信号)，根据电路中设置的参数，本试验中差分电路的差模信号放大倍数在34倍之间，共模信号的放大倍数趋近于0。具体效果如下图5所示。 对差模信号的放大 对共模信号的放大图5 差分电路对同样大小的差模信号和共模信号的放大作用（二）中间放大级第二级放大级是由中间的两个反向放大器构成，形成两级反向放大，其综合效果为同向放大，放大倍数可以通过改变两个反向放大器的的反馈电阻来实现，对于负反馈，放大倍数的表达式是所以中间级放大部分的总的放大倍数是通过第二级前后的信号的相位和信号的大小关系如图6.输出信号输入信号 图6 通过第二级前后信号的相位和幅度关系 图7 模拟信号经过电压比较器后的波形（三）电压比较级第三个部分就是电压比较器部分，通过电压比较器，实现了两个作用：（1）去除了噪声信号对报警器的干扰，调节灵敏度。电路中总是会存在着各种噪声信号，当外界的条件不同时，噪声信号的大小也是有所不同的，当噪声信号足够大的时候，就会被电路当作一种有效信号存在于电路里影响电路的报警，当设置一个比较电压后，把超过这个电压的部分当作是报警信号，输出一个有效的信号，即报警信号，把小于这个电压的信号认为是噪声信号，同时也不会使报警部分发出报警动作。（2）实现与数字器件的连接。因为这个报警器放大部分是用模拟电路完成的，处理的都是模拟信号，而实际的生活中的智能报警控制电路往往是用数字器件制作的，所以，当模拟信号通过电压比较器以后就变成了方波信号，然后通过一些方法对方波进行处理，使方波的高电压为5v，低电压为0v，就变成了数字芯片（例如单片机等）可以接收处理的标准数字信号，实现与数字器件的连接。第二级出来的争先模拟信号经过一个0.5v的参考电压比较后得到图7的波形。由上面的分析可以知道一个微弱的报警信号经过这个功放电路的处理后，可以变成一个很容易处理和识别的大信号，从而实现了电路的报警信号输出功能。当输入为一个2mv的报警信号时，此报警电路的各个功能级连接处的信号如图8所示： 输入信号 差分电路输出信号 放大级放大后的信号 通过电压比较器后的信号图8 各级输出信号波形（四）总体性能对于一个稳定的电路来说，有多个指标，下面分析这个电路的通频带宽等。图9为测试电路的相位，幅度与频率的关系时软件的设置与结果（本图测试输出接点13）：由图9的结果中可以看出：当输入的报警信号的频率小于10k的时候，输出的信号不会产生明显的失真现象，可以有效的放大和处理报警信号。同时通过红外对管接收到的报警信号频率在10k以下，所以这个电路完全可以用来处理红外光电接收器发送过来的报警信号，实现电路的功能。图10为总的输入与输出的相位关系。 图9 测试电路的相位，幅度与频率的关系时软件的设置与结果图10 输入信号（正弦）和输出报警信号（方波）五、扩展同时，为了更好的增加这个电路的实用性，最后一级输出报警信号具有扩展功能，可以扩展到数字器件对输出信号进行处理，方法是把最后一级的LM324的供电电压变为5v和0v，那么方波就会变成5v高电平和0v低电平的数字信号波，可以传送给单片机或者其他数字器件来处理报警信号。图11是最后一级LM324接5v和0v时输出信号经过稍微修正后的波形。图11 扩展后的输出方波信号波形六、总结本次设计可以完成报警并且实现报警信号的输出，实现所期待的功能，实现本次试验的目的，并且可以扩展到数字器件。缺点是试验中用到的电源的电压种类比较多，例如有5v，15v，和15v等，在供电方面比较复杂一些，可以试着用分压的方法来供电，以减少供电电源的接口数目。前置放大电路输送过来的报警信号相对较大，可以通过电阻分压的方法与功放电路接入或者改变放大电路的参数来改变放大倍数等。参考文献1 刘长文,赵玮等.红外光电报警器的研究A.光学技术,2006年8月,第32卷增刊,269-270页2 许胜辉.电子技能实训M.人民邮电出版社.2005年2月3 何希才.常用电子电路应用365例M.电子工业出版社.2006年9月4 康华光.电子技术基础模拟部分M.第四版.高等教育出版社.1999年6月5 康华光.电子技术基础数字部分M.第四版.高等教育出版社.1999年6月1