红外报警电路的实验教学项目研制

【摘 要】分析红外报警电路的原理及特点,设计简易红外报警电路,根据教学的实际需要,选用适合实验教学的电子器件组合硬件电路,并进行Protues仿真测试.实验教学结果表明,所设计的红外报警电路安全可靠,有利于实验教学.

【关 键 词】红外报警；实验教学；Protues

1.引言

随着人们自身安全意识的提高,越来越多的需要报警与监控系统来保障居住以及公共场所的安全.红外线是不可见光,具有很强的保密性和隐蔽性.因此,红外报警电路以其简单高效安全的特点,广泛应用于各类安防系统中.而报警电路是模拟电子技术课程的必修课,培养电子专业学生利用模拟电路知识进行实际应用设计的能力,是电子电工实验教学的主要目的.

结合红外报警装置需求量大的实际情况,设计简易的红外报警电路进行电子实验教学,有利于提高学生的学习实践能力,将所学的知识运用到实际当中.考虑到成本以及教学学时的限制,先基于Protues进行电路仿真测试,再采用常用实验电子器件搭建硬件平台,不仅使学生学习了软件仿真方法,而且提高了硬件设计的能力.

实验教学的目的主要是学习掌握红外收发对管的工作特性,学习由运放构造电压比较器的方法,了解稳压管的工作原理及特性,掌握蜂鸣器的使用方法.

2.红外报警电路设计

2.1系统整体结构设计

如图1所示,红外报警电路主要包括两个模块,光检测电路模块和警铃驱动电路模块.光检测电路用于检测区域内是否有障碍物,警铃驱动电路主要是根据检测的结果判断是否进行报警.

2.2光检测电路设计

光检测模块主要由红外收发对管、分压电阻、集成运放、以及稳压电路构成,具体电路如图2所示.

当没有障碍物进入监视区时,即红外对管D1、D2间无障碍物时,D2可以接收到D1发出的红外光,D2反相导通,RD2很小,相应U1i+很小,运放U1满足U1i+>U1i-,U1o等于-12V.稳压管D3正向导通,U2i+约为-0.7V.

当障碍物进入监视区时,红外线被遮挡,D2无法接收到D1发出的红外光,D2反相截止,U1i+增大至约为4V,此时运放U1满足U1i+

光检测电路主要实现将D1、D2间是否出现障碍物的情况反映到电压U2i+上,方便警铃驱动电路工作.

2.3警铃驱动电路设计

警铃驱动电路主要包括电阻、运放、三极管以及蜂鸣器等构成,具体电路如图3所示.

当没有障碍物进入监视区时,即稳压管D3正向导通,U2i+约为-0.7V时,U2i+经电压跟随器到三极管Q1的基极,三极管发射结反相偏置,Q1工作在截止区,蜂鸣器不工作.

当障碍物进入监视区时,即稳压管D3反相导通,U2i+约为+4.4V时,经过运放U2构成的电压跟随器,将电压全部引到三极管Q1的基极,使Q1工作在饱和状态,驱动蜂鸣器工作发声.U2构成的电跟随器具有阻抗匹配和隔离作用.

警铃驱动电路的作用主要是将U2i+的电压变化反映到蜂鸣器的工作状态,从而实现报警的功能.

3.红外报警电路器件选取及原理

3.1红外收发对管

红外发光管：发出波长约为940mm的红外光,正向电压下工作,正向特性与普通二极管相同.

红外接收管：主要用于接收红外发光管产生的红外线光波.通常采用黑色树脂封装.管体顶端有一个小斜切平面,带有这个斜切平面的一侧引脚为负极.接收管应反相连接在电路中,它在接受和不接受红外线时电阻会发生明显的变化.

3.2运算放大器

LM741是一种应用非常广泛的通用运算放大器,红外报警电路设计中主要利用集成运放的非线性特性.集成运放工作在非线性区时,输出电压不再随输入电压线性增长,而是达到饱和.LM741引脚图如图4所示.

红外报警电路设计时利用运放的非线性特性,构造了电压比较器和电压跟随器,分别如图5和图6所示.

有障碍物进入监视区时,U1i+>U1i-,则U1o输出正饱和电压；无障碍物进入监视区时,U1i+

电压跟随器的显著特点就是,输入阻抗高,而输出阻抗低.在电路中利用LM741运放构成的电压跟随器起隔离的作用,电路将输出电压全部引入到集成运放的反相输入端,使比例系数等于1,且集成运放的净输入电压和净输入电流均为0,U2o等于U2i+.

3.3稳压二极管

稳压管是利用反向击穿区的稳压特性进行工作的,因此稳压管在电路中要反向连接.稳压管的反向击穿电压称为稳定电压,不同类型稳压管的稳定电压也不一样.红外报警电路中使用4.7V的稳压管.由稳压管构成的稳压电路如图7所示.

稳压管稳压性能的好坏,可以用它的动态电阻r来表示：

显然,对于同样的电流变化量ΔI,稳压管两端的电压变化量ΔU越小,动态电阻越小,稳压管性能就越好.稳压管的动态电阻是随工作电流变化的,工作电流越大,动态电阻越小.因此,为使稳压效果好,工作电流要选得合适.电路中使用的是IN4732A稳压管：最大功耗为1W,稳定电压为4.7V,可以算出最大电流为：

3.4蜂鸣器及其驱动电路

电路设计中使用的是有源蜂鸣器,接通一个大约5V的直流电源就可以工作.三极管起开关作用,基极高电平使三极管饱和导通,使蜂鸣器发声；而基极低电平则使三极管截止,蜂鸣器停止发声.实验使用的是9013三极管,9013是一种NPN型硅小功率的三极管它是非常常见的晶体三极管,蜂鸣器驱动电路图如图8所示.

4.仿真结果及硬件平台

通过电路设计以及器件的选型,利用Pro-tues虚拟仿真软件进行电路仿真,得到结果与分析一致,具体仿真电路图如图9所示.

为便于学生独立设计电路,采用基于面包板的硬件平台搭建,方便实验教学.硬件图如图10所示.

5.总结

红外报警电路简单安全,方便学生自己进行设计与仿真,提高了实验教学的效率.将模拟电路知识与实际应用相结合,很好的激发了学生的学习兴趣,有助于实验教学进程的推进.红外报警电路应用广泛,联系知识紧密,很好提高了动手能力,经过实验教学试验,得到良好的效果.