本科毕业设计说明书（论文） 第 32 页 共 32 页1 绪论随着人类社会的发展，人们的物质财富不断增长，工厂的贵重设备也在增多，文艺场所像博物馆等的贵重文物也不断增多，由此吸引了许多不法分子徒劳而获的欲望，安防在现代社会显得越来越重要，在许多高新技术的应用下，类型众多的防盗报警产品进入了市场，而红外防盗报警器更以其独特的优点在市场受到了极大地欢迎。设计红外防盗报警器需要解决红外线的发射电路和接收电路，声光报警电路。1.1 课题研究的意义红外防盗报警器在社会中应用广泛，对于预防盗贼、实时监控具有重要意义，极大的减轻了人的工作负担，保障了社会的安定和谐。各国对红外线技术的研究促使红外线技术应用到很多高新科技领域，红外线技术结合单片机技术制作的红外防盗报警具有很广阔的研究前景，单片机使得报警功能越来越智能化、人性化，可以实现人们的各种防盗报警要求。太阳光线中有很多种不可见光线，而红外线是其中的一种，又称为红外线热辐射。光谱中波长自0.76400微米的一段称为红外线。红外防盗报警主要分为两种类型：主动式和被动式。主动式红外防盗报警器主要由发射和接收两个单元组成，也就是由于障碍物对由发射电路和接收电路组成的不可见光线的阻挡使得接收器接收不到红外线而产生报警信号，是外界主动的去影响红外传感器，所以称为主动式红外防盗报警器。被动式红外防盗报警器没有发射单元，主要依靠热释电人体红外传感器来接收人体辐射出的红外线产生报警信号。由物理学中光部分知，温度高于0K的物体，都会发出红外线，所发红外线的波长有所不同，人体辐射出的红外线波长一般在9.679.64m之间，热释电人体红外传感器恰可对这段波长产生反映，由此发出报警信号。两种类型的红外防盗报警器都有自身难以克服的缺点，也有其自身的优点。本设计采用主动式类型。1.2 课题研究的目的主动式红外防盗报警器主要由红外线发射电路、红外线接收电路、声光报警电路组成，本设计就是要实现用38kHz的方波对红外线进行调制发射出去，由接收电路进行红外线的接收，接收电路输出低电平，当有障碍物遮挡住这束红外线时，接收电路产生高电平送人单片机，由单片机内部程序作用产生声光报警驱动信号，并由数码管显示报警次数。由此，红外防盗报警器的功能便得以实现，完成了入侵自动报警的功能，也即是本课题的研究目的。2 总体方案系统原理框图如图2.1所示。单片机声光报警电 路红外线接收单元红外线发射单元显 示报警次 数图2.1系统方框图红外线发射单元由555定时器构成的多谐振荡电路产生38kHz的脉冲信号驱动三极管工作，使红外二极管导通，以38kHz的频率发射红外线。红外线接收单元由红外接收二极管接收红外线产生接收信号，送入单片机，单片机接收到变化脉冲即表示有入侵者，产生信号驱动声光报警电路报警。声光报警电路由发光二极管和蜂鸣器等元件组成。各单元之间环环相扣，各自完成自己的任务，组合在一起就能完成红外线的发射、接收、检测入侵信号的功能，便构成了红外防盗报警器的设计要求，实现了入侵报警功能。3 硬件电路设计硬件电路分为四部分：红外线发射电路、红外线接收电路、单片机控制电路、声光报警电路。下面分别进行介绍。3.1 红外线发射电路发射单元由555定时器构成的多谐振荡电路和红外二极管电路组成，红外发光二极管发出的红外线的距离与其发射功率成正比，且当红外发光二极管工作在脉冲状态下时，红外线的传输距离与脉冲峰值电流成正比，用38kHz对红外线进行调制可以防止日光和灯光的干扰，调制的是红外线的幅度，和电波的调制不一样，波长没变还是红外线波长，且一般公司生产的红外接收探头也都是针对38kHz的标准设计的，可以使红外线传播的更远，接收也更灵敏，所以需要用38kHz的脉冲信号对红外线进行调制。生成38kHz方波的方法很多，本设计采用廉价且高效的555集成定时器构成多谐振荡器来生成38kHz脉冲信号。3.1.1 555定时器及其构成的多谐振荡电路555集成定时器由于具有宽范围的单电源电压，能输入模拟电平，输出驱动功率较大、定时准确等特点，广泛应用于电子技术中。555集成定时器是一种将数字电路和模拟电路集成一体的电子器件，它将模拟功能和逻辑功能融为一体，能够产生精确的时间延迟和振荡，驱动555集成定时器只需使用单电源，555集成定时器可独立构成定时电路，它的最大输出电流可达到200毫安，可直接驱动发光二极管、喇叭等小功率器件。这些特点使的555的使用很灵活，只需在外部连接一些阻容元件，便能构成具有多种用途的电路，比如单稳态触发电路、多谐振荡器、施密特触发电路等。555集成定时器的内部电路结构如下图3.1所示。图3.1555集成定时器的内部电路结构555定时器1内部由3个阻值为5的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电三极管TD和缓冲反相器G4组成。虚线边沿标注的数字为管脚号。其中，1引脚是接地端；2引脚是低电平触发端，由此输入低电平触发脉冲；6引脚为高电平触发端，由此输入高电平触发脉冲；4脚为复位端，输入负脉冲可使555定时器直接复位；5脚为电压控制端，在此端外加电压可以改变比较器的参考电压，不用时，经0.01F的电容接地，以防止引入干扰；7脚为放电端，555定时器输出低电平时，放电晶体管TD导通，外接电容元件通过TD放电；3脚为输出端，输出高电压约低于电源电压1V3V，输出电流可达200mA，因此可直接驱动继电器、发光二极管、指示灯等；8脚为电源端，可在5V18V范围内使用。555定时器2工作时过程分析如下：5脚经0.01F电容接地，比较器C1和C2的比较电压为：UR1=VCC、UR2=VCC。当VI1VCC，VI2VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器置0，G3输出高电平，放电三极管TD导通，定时器输出低电平。当VI1VCC，VI2VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器保持原状态不变，555定时器输出状态保持不变。当VI1VCC，VI2VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器两端都被置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。当VI1VCC，VI2VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。555集成定时器的引脚排列图如下图3.2所示。图3.2 555集成定时器的引脚排列图555集成定时器内部由两个电压比较器，一个电阻分压器，一个RS触发器，一个三级管放电开关和一个输出缓冲器实现了下表3.1的逻辑功能。表3.1 555集成定时器功能表输 入输 出高电平触发端低电平触发端复位输出放电管VT的状态00导通VCCVCC11截止VCCVCC10导通VCCVCC1不变不变多谐振荡器是自激振荡器，接通电源后，能自行产生具有一定频率和脉宽的矩形波发生器。本设计需要用555集成定时器产生38kHz的脉冲信号驱动红外发光二极管，设计电路图并用Proteus软件绘制电路图仿真如下图3.3所示。图3.3 38kHz方波生成电路由示波器可检测出电路输出周期约为26s的波形，实现了要求。此振荡器的原理主要是利用电容的充放电，利用比较器来实现放电管VTd的导通与截止，控制锁存器的反复自行翻转，由反相器输出脉冲信号，反相器的作用是提高电路的带负载能力，并隔离负载对定时器的影响。电路的振荡周期可通过公式估算以确定元件参数。可参考如下的公式进行估算。 振荡周期： (3.1)占空比： (3.2)取=10K =220K C=82pF生成38kHz波形也可通过边调节电阻值边观察波形得出，本设计在进行实物制作时由于没有买到82pF电容，所以实际采用的电路图为下图3.4所示。可以通过调节滑动变阻器和来改变振荡周期。图3.4 38kHz方波生成电路3.1.2 红外发光二极管电路红外发光二极管是由红外辐射效率高的材料制造而成的PN结，再外加正向偏压向PN结注入电流，从而激发出红外光。光谱功率分布为中心波长830nm950nm，半峰带宽约40nm左右，它是窄带分布，可感受的光谱范围。其最大的优点是可以完全无红暴，或仅有微弱红暴；另外，红外发光二极管还具有寿命长的特点。常用的红外线发光二极管有SE303PH303。下图3.5为红外发光二极管的实物图。图3.5 红外线发射管上图中，红外发光二极管有一长一短两个引脚，其通断性质和普通二极管相似，具有单向导通性，长引脚接电压正极，短引脚接负极。如果判断不出引脚长短可用万用表来区分，并可检测红外线二极管是否可用。方法是将万用表置于R1K挡，测量红外发光二极管两引脚的电阻，通常，正向电阻应在30K左右，反向电阻要在500K以上，这样的管子才能正常使用。并且反向电阻越大越好。红外发光二极管具有多种特性，其特性决定了使用它时应注意的方面，现简要介绍一下:(1) 电流电压特性对红外发光二极管施加正向电压可驱动它发射红外线，由于发出的是红外线，人眼不可见，所以实际上并不能用肉眼看到有光线发出，可用万能表测其两端电压，以判断是否工作。一般其正向导通时两端电压在1V2V之间为宜，电压太高将会使其烧毁。对其施加反向电压时红外二极管将截止，能承受的最大反向电压在3V6V之间。(2) 热损红外线发光二极管所消耗的功率，一部分转化为热量散发，一部分转化为红外线发射出去。功率的损其最大值与周围温度也有很大关系。(3) 发射束电流特性一般可见光的发光二极管其输出光的强度是用光度表示的，而不可见光向红外线发光二极管输出光的能量大小，是用发射束Fe来表示的，单位为瓦特。发射束的意义是在单位时间内，其所能发射、搬移光能量的多少。(4) 发光频谱发光二极管所发射的光的波长，因制作材料的不同而不同。红外线发光二极管一般用砷化镓制作，其峰值发光波长在940950 nm之间，而当波长在900 nm以上时，人眼就不可见了，这也就是我们人眼看不到红外线的原因。(5) 方向特性红外线发光二极管发出的红外线方向也是有一定规律的，各个方向的红外线强度不同，方向角度就是发射强度的相对值。当方向角度是零度时，放射强度定为100，方向角度越大，放射强度相对减少，发射强度如由光轴取其方向角度一半时，其值即为峰值的一半，这个角度称为方向半值角，角度越小就代表元件的指向性越灵敏。一般红外线发光二极管在出厂前均附有透镜，可以使它的指向性更灵敏。红外线发射强度及角度对于报警器的灵敏性及可监控范围有很大影响，安装时应注意发射管与接收管对准。(6) 包装与外型红外发光二极管的包装主要有三种类型，透镜消除型、陶瓷型及树脂分子型，如下图3.6所示。图3.6 红外线发射二极管包装构造图上图即为其包装构造图，材料不同，性能自然有很大差异，如果使用环境和用途要求严格，就使用性能较佳的陶瓷型。将红外线发光二极管接入电路时需要接限流电阻，以防止其被烧毁。下图3.7为本设计中发射红外线的