紅外感應(yīng)報(bào)警器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

II目錄TOC\o"1-3"\f\h\z摘要 1第1章緒論 21.1電路設(shè)計(jì)背景 21.2紅外報(bào)警器分類及原理 21.3熱釋電紅外傳感器的原理特性 31.4設(shè)計(jì)意義及要求 4第2章電路組成及框圖 5第3章單元電路設(shè)計(jì) 63.1電源電路設(shè)計(jì) 63.1.1整流濾波電路 63.1.2穩(wěn)壓電路 83.2放大電路的設(shè)計(jì) 93.2.1反相交流放大器 93.2.2同相交流放大器 103.3比較器電路設(shè)計(jì) 10第4章整機(jī)電路及工作原理 13第5章電路制作及調(diào)試 155.1電路仿真 155.1.1Multisim仿真軟件介紹 155.1.2Protel99SEPCB軟件介紹 165.1.3仿真與驗(yàn)證 175.2電路的制作與調(diào)試 185.2.1元件介紹 185.2.2集成運(yùn)放的基礎(chǔ)知識 215.2.3集成電路的檢測 225.2.4元器件的測試與篩選 235.2.5元器件的焊接要點(diǎn) 235.2.6烙鐵使用的注意事項(xiàng) 235.2.7電路測試 24總結(jié) 25參考文獻(xiàn) 26附錄1原理圖 27附錄2PCB布線圖 28附錄3PCB三維圖 29附錄4實(shí)物圖 30附錄5元件明細(xì)表 31第31頁共31頁摘要通過介紹熱釋紅外傳感器的工作原理，給出了一種被動型熱釋電紅外報(bào)警器的結(jié)構(gòu)原理及其應(yīng)用電路。這種電路把紅外線的隱蔽性很好地應(yīng)用于報(bào)警系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)了防盜報(bào)警功能，達(dá)到了安全防護(hù)之目的。該報(bào)警器能探測人體發(fā)出的紅外線，由紅外線傳感器、信號放大電路、電壓比較器、延時(shí)電路和報(bào)警指示電路等組成。當(dāng)人進(jìn)入報(bào)警器的監(jiān)視區(qū)域內(nèi)，即可發(fā)出報(bào)警信號，適用于家庭、辦公室、倉庫、實(shí)驗(yàn)室等比較重要場合防盜報(bào)警。概述了紅外輻射的知識、熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理。利用熱釋電紅外傳感器設(shè)計(jì)了一種被動式紅外報(bào)警電路,分析了該電路的功能和工作原理。熱釋電紅外傳感器具有很多的優(yōu)點(diǎn),在防盜、警戒等裝置中應(yīng)用較廣。關(guān)鍵詞被動式紅外報(bào)警器；熱釋電紅外（PIR）；傳感器；熱釋電效應(yīng)；菲涅爾透鏡

第1章緒論1.1電路設(shè)計(jì)背景近年來，隨著改革開放的深入發(fā)展，電子電器的飛速發(fā)展.人民的生活水平有了很大提高。各種高檔家電產(chǎn)品和貴重物品為許多家庭所擁有。然而一些不法分子也是越來越多。這點(diǎn)就是看到了大部分人防盜意識還不夠強(qiáng)，造成偷盜現(xiàn)象屢見不鮮。因此，越來越多的居民家庭對財(cái)產(chǎn)安全問題十分擔(dān)憂。報(bào)警器這時(shí)正為人們解決了不少問題。但是市場上的報(bào)警器大部分都是用于一些大公司及財(cái)政機(jī)構(gòu)。價(jià)格高昂，一般人們難以接受。如果設(shè)計(jì)和生產(chǎn)一種價(jià)廉、性能靈敏可靠的防盜報(bào)警器，必將在防盜和保證財(cái)產(chǎn)安全方面發(fā)揮更加有效的作用。由于紅外線是不可見光，有很強(qiáng)的隱蔽性和保密性，因此在防盜、警戒等安保裝置中得到了廣泛的應(yīng)用，此外，在電子防盜、人體探測等領(lǐng)域中，被動式熱釋電紅外探測器也以其價(jià)格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎。紅外報(bào)警器大多數(shù)采用國外的先進(jìn)技術(shù)，其功能也非常先進(jìn)。其中包括被動式熱釋電型紅外報(bào)警器，也即是本文將研究的產(chǎn)品。還有紅外監(jiān)控?zé)o線報(bào)警器，超聲波防盜報(bào)警器,紅外線防盜報(bào)警器，高靈敏紅外報(bào)警器,觸摸式延時(shí)防盜報(bào)警器,觸摸式防盜報(bào)警器，紅外報(bào)警器，紅外線聲光報(bào)警器。其外，可用紅外報(bào)警器原理控制各種電器的運(yùn)行。1.2紅外報(bào)警器分類及原理紅外報(bào)警器分為主動紅外報(bào)警和被動紅外報(bào)警，主動紅外入侵報(bào)警器是由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成，發(fā)射機(jī)是由電源、發(fā)光源和光學(xué)系統(tǒng)組成，接收機(jī)是由光學(xué)系統(tǒng)、光電傳感器、放大器、信號處理器等部分組成。主動紅外報(bào)警器是一種紅外線光束遮擋型報(bào)警器，發(fā)射機(jī)中的紅外發(fā)光二極管在電源的激發(fā)下，發(fā)出一束經(jīng)過調(diào)制的紅外光束（此光束的波長約在0.8～0.95微米之間），經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的作用變成平行光發(fā)射出去。此光束被接收機(jī)接收，由接收機(jī)中的紅外光電傳感器把光信號轉(zhuǎn)換成信號，經(jīng)過電路處理后傳給報(bào)警控制器。由發(fā)射機(jī)發(fā)射出的紅外線經(jīng)過防范區(qū)到達(dá)接收機(jī)，構(gòu)成了一條警戒線。正常情況下，接收機(jī)收到的是一個(gè)穩(wěn)定的光信號，當(dāng)有人入侵該警戒線時(shí)，紅外光束被遮擋，接收機(jī)收到的紅外信號發(fā)生變化，提取這一變化，經(jīng)放大和適當(dāng)處理，控制器發(fā)出的報(bào)警信號。目前此類報(bào)警器有二光束、三光束還有多光束的紅外柵欄等。一般應(yīng)用在周界防范居多，最大的優(yōu)點(diǎn)就是防范距離遠(yuǎn)，能達(dá)到被動紅外的十倍以上探測距離。被動紅外報(bào)警器主要是根據(jù)外界紅外能量的變化來判斷是否有人在移動。人體的紅外能量與環(huán)境有差別，當(dāng)人通過探測區(qū)域時(shí)，報(bào)警器收集到的這個(gè)不同的紅外能量的位置變化，進(jìn)而通過分析發(fā)出報(bào)警。人體都有恒定的體溫，一般在37度左右，會發(fā)出特定波長10μm左右的紅外線，被動紅外報(bào)警器就是靠探測人體發(fā)射的10μm左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10μm左右的紅外線通過菲涅爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生報(bào)警信號。被動紅外報(bào)警器是以探測人體輻射為目標(biāo)的，所以熱釋電元件對波長為10μm左右的紅外輻射必須非常敏感。為了僅僅對人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲涅爾濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的控制作用。其傳感器包含兩個(gè)互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元件。而且制成的兩個(gè)電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對兩個(gè)熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是報(bào)警器無信號輸出。一旦人侵入探測區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同不能抵消，經(jīng)信號處理而報(bào)警。用它制作的防盜報(bào)警器與目前市場上銷售的許多防盜報(bào)警器材相比，具有如下特點(diǎn)：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，可流動安裝。1.3熱釋電紅外傳感器的原理特性熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基于熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器。不同的是熱釋電紅外傳感器的熱電系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱電偶，其內(nèi)部的熱電元由高熱電系數(shù)的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而變化。為了抑制因自身溫度變化而產(chǎn)生的干擾該傳感器在工藝上將兩個(gè)特征一致的熱電元反向串聯(lián)或接成差動平衡電路方式，因而能以非接觸式檢測出物體放出的紅外線能量變化并將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出。熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場效應(yīng)管的目的在于完成阻抗變換。由于熱電元輸出的是電荷信號，并不能直接使用因而需要用電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓形式該電阻阻抗高達(dá)104MΩ，故引入的N溝道結(jié)型場效應(yīng)管應(yīng)接成共漏形式即源極跟隨器來完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由傳感探測元、干涉濾光片和場效應(yīng)管匹配器三部分組成。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將高熱電材料制成一定厚度的薄片，并在它的兩面鍍上金屬電極，然后加電對其進(jìn)行極化，這樣便制成了熱釋電探測元。由于加電極化的電壓是有極性的，因此極化后的探測元也是有正、負(fù)極性的。雙探測元熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)。使用時(shí)D端接電源正極，G端接電源負(fù)極，S端為信號輸出。該傳感器將兩個(gè)極性相反、特性一致的探測元串接在一起，目的是消除因環(huán)境和自身變化引起的干擾。它利用兩個(gè)極性相反、大小相等的干擾信號在內(nèi)部相互抵消的原理來使傳感器得到補(bǔ)償。對于輻射至傳感器的紅外輻射，熱釋電傳感器通過安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個(gè)探測元上，從而使傳感器輸出電壓信號。制造熱釋電紅外探測元的高熱電材料是一種廣譜材料，它的探測波長范圍為0．2～20μm。為了對某一波長范圍的紅外輻射有較高的敏感度，該傳感器在窗口上加裝了一塊干涉濾波片。這種濾波片除了允許某些波長范圍的紅外輻射通過外，還能將燈光、陽光和其它紅外輻射拒之門外。1.4設(shè)計(jì)意義及要求通過對紅外線報(bào)警器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析，用集成運(yùn)放LM324、紅外傳感器、二極管等器件設(shè)計(jì)電路，可監(jiān)視幾米到幾十米范圍內(nèi)運(yùn)動的人體，當(dāng)有人在該范圍走動時(shí)發(fā)出報(bào)警信號。并且運(yùn)用multisim軟件對電路進(jìn)行仿真和Protel99se軟件畫原理圖以及制作電路板，制作實(shí)物并調(diào)試、展示功能。

第2章電路組成及框圖隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展和日益普及，電子報(bào)警器已經(jīng)在各企業(yè)事業(yè)單位和人們的日常生活中得到廣泛的應(yīng)用，紅外線報(bào)警器可監(jiān)視幾米到幾十米范圍內(nèi)移動的人體，當(dāng)有人在該范圍內(nèi)走動時(shí)，發(fā)出報(bào)警。其電路的組成框圖如圖2-1所示。比較器比較器傳感器電源基準(zhǔn)電壓指示電路放大濾波圖2-1報(bào)警器電路的組成圖1．電源：通過交流電經(jīng)變壓器的變壓、橋式二極管的整流、電容的濾波、穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓得到5V的直流電壓。2．傳感器：傳感器主要是用來采集人體的紅外線信號并將該信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件。3．放大濾波：是由集成運(yùn)算放大器LM324和電容構(gòu)成對傳感器的信號進(jìn)行放大和濾波供下一級電路使用。4．比較器：這里采用的是雙限電壓比較器，把電路中的基準(zhǔn)電壓U1和U2作為參考電壓（U1>U2）與比較器輸出的電壓作比較控制指示電路指示是否有人進(jìn)入的情況。

第3章單元電路設(shè)計(jì)3.1電源電路設(shè)計(jì)直流電源（DCpower）有正、負(fù)兩個(gè)電極，當(dāng)兩個(gè)電極與電路連通后，能夠使電路兩端之間維持恒定的電位差，從而在外電路中形成由正極到負(fù)極的電流來為電路工作提供能量。在設(shè)計(jì)采用的是5V的芯片，所以電路設(shè)計(jì)為5V的電源。3.1.1整流濾波電路1．整流電路晶體二極管是由兩種具有不同導(dǎo)電性能的n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體結(jié)合形成的pn結(jié)構(gòu)成的，如圖3-1（a）所示，pn結(jié)具有單向?qū)щ姷奶匦?，常用符號表示如圖3-1（b）。圖3-1二極管的pn結(jié)構(gòu)及符號圖3-2二極管的特性曲線當(dāng)pn結(jié)加上正向電壓（p區(qū)接正、n區(qū)接負(fù)）時(shí)，外電場使pn結(jié)的阻擋層變薄，形成比較大的電流，二極管的正向電阻很??；當(dāng)pn結(jié)加上反向電壓時(shí)，外電場使pn結(jié)的阻擋層變厚，形成極小的反向電流，表現(xiàn)為反向電阻非常大。晶體二極管的正反向特性曲線如圖3-2所示，即二極管具有單向?qū)щ娦?。利用二極管的單向?qū)щ娦?，可將交流電變成脈沖直流電，其過程稱為整流。如圖3-3是橋式整流濾波電路，其整流過程如下：當(dāng)交流電為正半周時(shí)，M點(diǎn)電壓高于N點(diǎn)電壓，D2、D4截止，而D2、D5導(dǎo)通，電流將從交流電源依次通過D2、RL、D5回到電源；當(dāng)交流電為負(fù)半周時(shí)，N點(diǎn)電壓高于M點(diǎn)電壓，D2、D5截止，而D3、D4導(dǎo)通，電流將從交流電源依次通過D3、RL、D4回到電源。這樣通過RL的電流方向是固定的，UA始終大于UB，且UAB隨交流電的起伏而波動。如果將RL兩端接入示波器會觀察到如圖3-4的整流波形②。整流電路是把交流電變成直流電的電路，電路是二極管的單向?qū)щ娦杂伤膫€(gè)二極管構(gòu)成橋式整流電路，如圖3-3所示。圖3-3橋式整流圖3-4交流、整流及濾波波形2．濾波電路電容（或電容量,Capacitance）指的是在給定電位差下的電荷儲藏量；記為C，國際單位是法拉（F）。一般來說，電荷在電場中會受力而移動，當(dāng)導(dǎo)體之間有了介質(zhì)，則阻礙了電荷移動而使得電荷累積在導(dǎo)體上；造成電荷的累積儲存，最常見的例子就是兩片平行金屬板，也是電容器的俗稱。在負(fù)載RL兩端并接上電容值較大的電解電容，如圖3-3所示，可將脈沖直流電過濾成較平穩(wěn)的直流電，稱為濾波。波形②將會變得較為平滑或成一條直線③。濾波的基本原理：電容C兩端的初始電壓為0。接入交流電源U后，當(dāng)U為正半周時(shí)，D2、D5導(dǎo)通，U通過D2、D5對電容充電；當(dāng)U為負(fù)半周時(shí)，D3、D4導(dǎo)通，U通過D3、D4對電容充電。由于充電回路等效電阻很小，所以充電很快，電容C迅速被充到交流電壓的最大值Umax。此時(shí)二極管的電壓始終小于或等于0，故二極管均截止，電容不可能放電，故輸出電壓恒為Umax。綜上所述，交流電通過整流、濾波可以變成直流電，這就是一般穩(wěn)壓電源的基本原理。3.1.2穩(wěn)壓電路LM317是美國國家半導(dǎo)體公司的三端可調(diào)正穩(wěn)壓器集成電路。LM317的輸入最同電壓為30多伏，輸出電壓1.5--32V電流1.5A不過在用的時(shí)候要注意功耗問題注意散熱問題。LM317有三個(gè)引腳，一個(gè)輸入一個(gè)輸出一個(gè)電壓調(diào)節(jié)。輸入引腳輸入正電壓,輸出引腳接負(fù)載,電壓調(diào)節(jié)引腳一個(gè)引腳接電阻(200左右)在輸出引腳,另一個(gè)接可調(diào)電阻(幾K)接于地。輸入和輸出引腳對地要接濾波電容。圖3-5穩(wěn)壓電路圖典型線性調(diào)整率0.01%，典型負(fù)載調(diào)整率0.1%。80dB紋波抑制比，輸出短路保護(hù)，過流、過熱保護(hù)，調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)，標(biāo)準(zhǔn)三端晶體管封裝。穩(wěn)壓電路的原理圖如圖3-5所示。當(dāng)外部電容應(yīng)用于任何集成電路穩(wěn)壓時(shí)，有時(shí)必須加保護(hù)二極管以防止電容在低電流點(diǎn)向穩(wěn)壓器放電，LM317的引腳如圖3-6所示。圖3-6LM317引腳如圖3-6所示1腳為調(diào)節(jié)腳、2腳為輸出腳、3腳為輸入腳，其中2腳與散熱片的表面是連接的。電源指示電路是由一個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成，利用發(fā)光二極管的發(fā)光作用，指示電路的工作情況，當(dāng)發(fā)光時(shí)說明電路正常工作，不發(fā)光時(shí)說明電路不工作，如果電路電流過大會把發(fā)光二極管燒毀這是就可以檢查電源電路是否用開路或者短路的情況。電源指示電路如圖3-5所示。3.2放大電路的設(shè)計(jì)3.2.1反相交流放大器此放大器可代替晶體管進(jìn)行交流放大,可用于擴(kuò)音機(jī)前置放大等,電路無需調(diào)試。圖3-7反相交流放大器放大器采用單電源供電,由R1、R2組成U+偏置,C1是消振電容。如圖3-7所示：放大器電壓放大倍數(shù)Av僅由外接電阻Ri、Rf決定:。負(fù)號表示輸出信號與輸入信號相位相反。按圖中所給數(shù)值,Av=-10。此電路輸入電阻為Ri。一般情況下先取Ri與信號源內(nèi)阻相等,然后根據(jù)要求的放大倍數(shù)在選定Rf。Co和Ci為耦合電容。3.2.2同相交流放大器同相交流放大器的特點(diǎn)是輸入阻抗高。其中的R1、R2組成U+分壓電路,通過R3對運(yùn)放進(jìn)行偏置。電路的電壓放大倍數(shù)Av也僅由外接電阻決定:,電路輸入電阻為R3、R4的阻值范圍為幾千歐姆到幾十千歐姆，如圖3-8示。圖3-8同相交流放大器3.3比較器電路設(shè)計(jì)單限比較器只能檢測一個(gè)電平，若要檢測Ui是否處于U1和U2兩個(gè)電平之間，則需采用雙限電壓比較器（又稱窗口比較器）。雙限電壓比較器常用于工業(yè)系統(tǒng)控制中，當(dāng)被監(jiān)測的對象（如溫度、液位）超出要求時(shí)的范圍時(shí)，便可以發(fā)出指示信號。當(dāng)去掉運(yùn)放的反饋電阻時(shí),或者說反饋電阻趨于無窮大時(shí)(即開環(huán)狀態(tài)),理論上認(rèn)為運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)也為無窮大(實(shí)際上是很大,如LM324運(yùn)放開環(huán)放大倍數(shù)為100dB，既10萬倍)。此時(shí)運(yùn)放便形成一個(gè)電壓比較器，其輸出如不是高電平（V+），就是低電平（V-或接地）。當(dāng)正輸入端電壓高于負(fù)輸入端電壓時(shí)，運(yùn)放輸出低電平。當(dāng)ui>U2>U1時(shí)，A2輸出+Uo(sat),A1輸出為-Uo(sat)，故二極管VD2導(dǎo)通，VD1截止，uo則近似等于+Uo(sat)；當(dāng)ui<U1<U2時(shí)，A2輸出為-Uo(sat)，A1輸出為+Uo(sat)，二極管VD2截止，VD1導(dǎo)通，uo也近似等于+Uo(sat)；只有當(dāng)U1<ui<U2時(shí)，A1和A2的輸出均為-Uo(sat)，二極管VD1,VD2都截止，uo為0。其電壓傳輸特性如圖3-10示。如圖3-9使用兩個(gè)運(yùn)放組成一個(gè)電壓上下限比較器，電阻R1、R1ˊ組成分壓電路，為運(yùn)放A1設(shè)定比較電平U1；電阻R2、R2ˊ組成分壓電路，為運(yùn)放A2設(shè)定比較電平U2。輸入電壓U1同時(shí)加到A1的正輸入端和A2的負(fù)輸入端之間，當(dāng)Ui>U1時(shí)，運(yùn)放A1輸出高電平；當(dāng)Ui<U2時(shí)，運(yùn)放A2輸出高電平。運(yùn)放A1、A2只要有一個(gè)輸出高電平，晶體管BG1就會導(dǎo)通，發(fā)光二極管LED就會點(diǎn)亮。圖3-9雙限電壓比較器雙限電壓比較器的電壓傳輸特性如圖3-10示。圖3-10雙限電壓比較器的電壓傳輸特性若選擇U1>U2，則當(dāng)輸入電壓Ui越出[U2，U1]區(qū)間范圍時(shí)，LED點(diǎn)亮，這便是一個(gè)電壓雙限指示器。若選擇U2>U1，則當(dāng)輸入電壓在[U2，U1]區(qū)間范圍時(shí)，LED點(diǎn)亮，這是一個(gè)“窗口”電壓指示器。此電路與各類傳感器配合使用，稍加變通，便可用于各種物理量的雙限檢測、短路、斷路報(bào)警等。第4章整機(jī)電路及工作原理通過對電路的分析設(shè)計(jì)完成了整機(jī)電路的總體設(shè)計(jì)原理圖如附錄1所示其中包括電源部分和報(bào)警電路部分，電源部分主要是通過對交流電的變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓輸出一個(gè)+5V的直流電壓為后面的報(bào)警電路的正常工作提供電壓；報(bào)警電路主要是由熱釋電紅外傳感器、LM324集成運(yùn)算放大器、發(fā)光二極管、電阻電容構(gòu)成。傳感器主要的工作就是把采集到的人體紅外線轉(zhuǎn)換成電壓信號，由于此時(shí)的電壓比較微弱所以要經(jīng)過LM324的放大后的電壓輸入到電壓比較器進(jìn)行比較來控制相應(yīng)的發(fā)光二極管指示燈工作。下面是報(bào)警電路的工作流程與及電路的參數(shù)計(jì)算過程:在電路中采用KP506B型熱釋電人體紅外線傳感器，當(dāng)人體進(jìn)入該傳感器的監(jiān)視范圍時(shí)，傳感器就會產(chǎn)生一個(gè)交流電壓（幅度約為1mV），該電壓的頻率與人體的移動速度有關(guān)。在正常行走速度下，其頻率約為6Hz。電路中，R3、C4、C5構(gòu)成退耦電路，R1為傳感器的負(fù)債，C2為濾波電容，以濾掉高頻干擾信號。傳感器的輸出信號加到運(yùn)算放大器A1的同相端，A1構(gòu)成同相輸入式放大電路，其放大倍數(shù)取決于R4和R2，其大小為:Auf1=A1放大后的信號經(jīng)電容C6耦合至放大器A2反相輸入端，A2構(gòu)成反相輸入式放大電路。電阻R6、R7將A2同相端偏置于電源電壓的一半,A2的增益取決于R8、R5，其大小為Auf2=因此，傳感器信號經(jīng)兩級運(yùn)放總共放大了Auf1×Auf2=112×QUOTE×（-42）=-4704倍，當(dāng)傳感器產(chǎn)生一個(gè)幅度為1mV交流信號時(shí)，A2的理論輸出值為-4.704V。A3和A4構(gòu)成雙限電壓比較器，A3的參考電位為:U3=×5=3VA4的參考電位為:U4=×5QUOTE4747+47+22×5=2V在傳感器無信號輸出時(shí)，A1靜態(tài)輸出電壓為0.4～1V之間；A2在靜態(tài)時(shí)，由于同相端電位為2.5V，其直流輸出電平為2.5V。由于UB<2.5V<UA,故A3輸出低電平，A4輸出低電平。因此，在靜態(tài)時(shí)，LED1和LED2均不發(fā)光。當(dāng)人體進(jìn)入監(jiān)視范圍時(shí)，雙限比較器的輸入發(fā)生變化，當(dāng)人體進(jìn)入時(shí)U3>3V,因此A3輸出高電平，LED1亮；當(dāng)人體退出時(shí)，U3<2V，因此A4輸出高電平，LED2亮。當(dāng)人體在監(jiān)視范圍內(nèi)走動時(shí)，LED1和LED2交替閃爍。電路中的C7、C9為退耦電容。C1、C3、C8用于保證電路對高頻干擾信號有較強(qiáng)的衰減作用，對于低頻信號有較強(qiáng)的放大作用，當(dāng)按圖中取值時(shí)，在0.1Hz～8Hz的頻段內(nèi)具有較好的頻率響應(yīng)曲線，以滿足對熱釋電傳感器輸出的放大要求。另外，若利用Uo信號去控制報(bào)警器，還可以實(shí)現(xiàn)音響報(bào)警；若利用Uo信號去控制繼電器或電磁閥，還可以實(shí)現(xiàn)自動門、制動水龍頭的自動控制。

第5章電路制作及調(diào)試5.1電路仿真5.1.1Multisim仿真軟件介紹Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。啟動界面如圖5-1。圖5-1multisim啟動界面工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，能夠快速、輕松、高效地對電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，并對電路進(jìn)行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。Multisim仿真軟件的特點(diǎn)：1．通過直觀的電路圖捕捉環(huán)境,輕松設(shè)計(jì)電路。2．通過交互式SPICE仿真,迅速了解電路行為。3．借助高級電路分析,理解基本設(shè)計(jì)特征。4．通過一個(gè)工具鏈,無縫地集成電路設(shè)計(jì)和虛擬測試。5．通過改進(jìn)、整合設(shè)計(jì)流程,減少建模錯(cuò)誤并縮短上市時(shí)間。5.1.2Protel99SEPCB軟件介紹Protel99SE是應(yīng)用于Windows9X/2000/NT操作系統(tǒng)下的EDA設(shè)計(jì)軟件，采用設(shè)計(jì)庫管理模式，可以進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)交換能力和開放性及3D模擬功能，是一個(gè)32位的設(shè)計(jì)軟件，可以完成電路原理圖設(shè)計(jì)，印制電路板設(shè)計(jì)和可編程邏輯器件設(shè)計(jì)等工作，可以設(shè)計(jì)32個(gè)信號層，16個(gè)電源--地層和16個(gè)機(jī)加工層。啟動圖標(biāo)如圖5-2所示。圖5-2啟動圖標(biāo)Protel99SE的系統(tǒng)組成部分按照系統(tǒng)功能來劃分，Protel99se主要包含以下倆大部分和6個(gè)功能模塊。1．電路設(shè)計(jì)部分（1）電路原理設(shè)計(jì)部分（AdvancedSchematic99）：電路原理圖設(shè)計(jì)部分包括電路圖編輯器（簡稱SCH編輯器）、電路圖零件庫編輯器（簡稱Schlib編輯器）和各種文本編輯器。本系統(tǒng)的主要功能是：繪制、修改和編輯電路原理圖；更新和修改電路圖零件庫；查看和編輯有關(guān)電路圖和零件庫的各種報(bào)表。（2）印刷電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)（AdvancedPCB99）：印刷電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括印刷電路板編輯器（簡稱PCB編輯器）、零件封裝編輯器（簡稱PCBLib編輯器）和電路板組件管理器。本系統(tǒng)的主要功能是：繪制、修改和編輯電路板；更新和修改零件封裝；管理電路板組件。（3）自動布線系統(tǒng)（AdvancedRoute99）：在系統(tǒng)包含一個(gè)基于形狀（Shape-based）的無柵格自動布線器，用于印刷電路板的自動布線，以實(shí)現(xiàn)PCB設(shè)計(jì)的自動化。2．電路仿真與PLD部分電路模擬仿真系統(tǒng)（AdvancedSIM99）、可編程邏輯設(shè)計(jì)系統(tǒng)（AdvancedPLD99）、高級信號完整性分析系統(tǒng)（AdvancedIntegrity99）Protel99SE的功能特點(diǎn)：（1）開放式集成化的設(shè)計(jì)管理體系。（2）超強(qiáng)功能的、修改與編輯功能。（3）強(qiáng)大的設(shè)計(jì)自動化功能。5.1.3仿真與驗(yàn)證通過對電路的分析完成了電路的初步設(shè)計(jì)，但是也不能看見電路具體的設(shè)計(jì)功能，這時(shí)就需要對電路進(jìn)行模擬仿真以觀察電路的性能參數(shù)，打開multisim軟件在軟件里畫好仿真圖，點(diǎn)擊仿真按鈕，觀察電路的現(xiàn)象是否符合設(shè)計(jì)要求，如果不符合要求就要檢查仿真電路是否有錯(cuò)，如果沒有錯(cuò)誤就要考慮電路原理設(shè)計(jì)是否有誤，更改后在進(jìn)行電路模擬仿真，重復(fù)以上步驟直到電路仿真與設(shè)計(jì)要求相符合。電源電路的仿真效果圖如圖5-3。圖5-3電源電路仿真紅外線熱釋電傳感器未采集到信號時(shí)(即開關(guān)斷開)，表示情況正常。其仿真效果圖如圖5-4所示。圖5-4未采集到信號紅外線熱釋電傳感器采集到信號(即開關(guān)閉合)后，表示有人闖入即發(fā)出報(bào)警信號，其仿真效果如圖5-5所示。圖5-5報(bào)警效果圖紅外線熱釋電傳感器采集到信號過一斷時(shí)間(即開關(guān)先閉合再斷開)后，表示有人闖入后離開即發(fā)出報(bào)警信號，其仿真效果如圖5-6所示。圖5-6報(bào)警效果圖5.2電路的制作與調(diào)試5.2.1元件介紹1.KP506B紅外傳感器KP506B紅外傳感器實(shí)物如圖5-7所示。紅外線傳感器對人體的敏感程度還和人的運(yùn)動方向關(guān)系很大。紅外線傳感器對于徑向移動反應(yīng)最不敏感,而對于橫切方向(即與半徑垂直的方向)移動則最為敏感。在現(xiàn)場選擇合適的安裝位置是避免紅外探頭誤報(bào)、求得最佳檢測靈敏度極為重要的一環(huán)，如圖5-8。如果只看實(shí)物可能分不出紅外傳感器的引腳，常用的紅外傳感器金屬裝封的，有個(gè)窗口，接地的引腳是和外殼相通的，這較好分別，另外兩個(gè)引腳與地引腳電阻都很大，很難分別。如果是自己安裝這個(gè)元件安裝時(shí)引腳要盡量短，遠(yuǎn)離其它發(fā)熱元件，除了窗口，其它的元件最好用厚紙隔開，否則你裝好后誤差也大，就是受干憂大，常誤觸發(fā)。常見的引腳位置如圖5-9。KP506B內(nèi)部功能圖如圖5-10所示。圖5-7紅外傳感器感應(yīng)方向圖5-8KP506B紅外傳感器實(shí)物圖5-9KP506B引腳說明圖5-10KP506B內(nèi)部功能圖KP506B的基片材料是硅材料，采用的是T0-5封裝，尺寸參數(shù)為：1.靈敏元面積為：2.0mm1.1mmGap0.9mm Dual，雙元2.基片厚度為：0.5mm3.窗口尺寸為：5.23.8mm4.工作波長為：5～14um5.平均過透率為：>75％6.輸出信號為：>2.2V7.靈敏度為：3300V/W8.探測率為：1.5108cmHz1/2/W9.噪聲（Vp-p）為：<200mV(25℃)10.平度度為：<20％11.工作電壓為：2.2～15V12.工作電流為：8.5～24uA(25℃)13.原極電壓為：0.4～1.1V(25℃)14.工作溫度為：-20℃～+70℃15.保存溫度為：-30℃～+80℃16.視場為：邊緣角55°51°2.LM324集成運(yùn)放LM324系列器件為價(jià)格便宜的帶有真差動輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。圖5-11LM324引腳圖該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運(yùn)算放大器可用圖5-12所示的符號來表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖5-11?？晒ぷ髟趩坞娫聪拢妷悍秶?.0V～32V或+16V。LM324的特點(diǎn)：1．短跑保護(hù)輸出。2．真差動輸入級。3．可單電源工作：3V～32V。4．低偏置電流：最大100nA（LM324A）。5．每封裝含四個(gè)運(yùn)算放大器。6．具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ堋?．共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源。8．行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列。9．輸入端具有靜電保護(hù)功能。LM324是四運(yùn)放集成電路,它采用14腳雙列直插塑料封裝。圖5-12集成運(yùn)算放大器圖5-13LM324封裝引腳圖它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器,除電源共用外,四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用圖5-12所示的符號來表示,它有5個(gè)引出腳,其中“+”、“-”為兩個(gè)信號輸入端,“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端,“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號輸入端中,Vi-（-）為反相輸入端,表示運(yùn)放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反;Vi+（+）為同相輸入端,表示運(yùn)放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳封裝見圖5-13。由于LM324四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬,靜態(tài)功耗小,可單電源使用,價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。5.2.2集成運(yùn)放的基礎(chǔ)知識集成電路是采用一定的工藝，把電路中所需要的管子、電阻、電容等元件器件及電路的連線都集成制作在一塊半導(dǎo)體基片上，再封裝在一個(gè)管殼內(nèi)，成為具有所需功能的模塊。自20世紀(jì)60年代以來，集成電路得到了迅速發(fā)展，被廣泛的應(yīng)用在各種電子線路中。集成電路按性能和用途的不同?？梢苑譃閿?shù)字集成電路和模擬集成電路兩大類。集成運(yùn)算放大器就屬于模擬集成電路的一種。LM324集成電路電路結(jié)構(gòu)集成運(yùn)算放大器（簡稱集成運(yùn)放）是用集成電路工藝制成的，具有很高電壓增益的直接耦合多級放大器，它的基本結(jié)構(gòu)是由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路四個(gè)部分組成。如圖5-14其構(gòu)成方框圖。輸入級輸入級中間級輸出級偏置電路圖5-14集成運(yùn)放組成框圖5.2.3集成電路的檢測集成電路是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝，把一個(gè)電路中所需的晶體管、二極管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上，然后封裝在一個(gè)管殼內(nèi)，成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu)。集成電路常用的檢測方法有在線測量法、非在線測量法和代換法：1.非在線測量：非在線測量潮在集成電路未焊入電路時(shí)，通過測量其各引腳之間的直流電阻值與已知正常同型號集成電路各引腳之間的直流電阻值進(jìn)行對比，以確定其是否正常。2.在線測量：在線測量法是利用電壓測量法、電阻測量法及電流測量法等，通過在電路上測量集成電路的各引腳電壓值、電阻值和電流值是否正常，來判斷該集成電路是否損壞。3.代換法：代換法是用已知完好的同型號、同規(guī)格集成電路來代換被測集成電路，可以判斷出該集成電路是否損壞。運(yùn)算放大器集成電路的檢測：用萬用表直流電壓檔，測量運(yùn)算放大器輸出端與負(fù)電源端之間的電壓值（在靜態(tài)時(shí)電壓值較高）。用手持金屬鑷子依次點(diǎn)觸運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端（加入干擾信號），若萬用表表針有較大幅度的擺動，則說明該運(yùn)算放大器完好；若萬用表表針不動，則說明運(yùn)算放大器已損壞。外觀質(zhì)量檢測：電子元器件應(yīng)完整無損。各種型號、規(guī)格、標(biāo)志應(yīng)清晰、牢固。標(biāo)志符號不能模糊不清或脫落。5.2.4元器件的測試與篩選1.用萬用表分別檢測電阻、二極管、電容和集成電路。2.元器件的引線成型及插裝。3.按技術(shù)要求和焊盤間距對元器件的引腳成形。4.在印制電路板上插裝元器件。插裝時(shí)應(yīng)注意一下事項(xiàng)。5.電阻和滌綸電容無極性之分，但插裝時(shí)一定要注意電阻值和電容值，不能插裝錯(cuò)。6.電解電容和發(fā)光二極管有正負(fù)極之分，插裝是要看清楚極性。7.插裝集成電路和傳感器時(shí)要注意管腳。5.2.5元器件的焊接要點(diǎn)用電烙鐵焊接元件是基本的裝配工藝，它對保證電子產(chǎn)品的質(zhì)量起著關(guān)鍵的作用。下面介紹一些元器件的焊接要點(diǎn)。1.焊接最好是松香、松香油或無酸性焊劑。不能用酸性焊劑，否則會把焊接的地方腐蝕掉。2.焊接前，把需要焊接的地方先用小刀刮凈，使它顯出金屬光澤，涂上焊劑，再涂上一層焊錫。3.焊接時(shí)電烙鐵應(yīng)有足夠的熱量，才能保證焊接質(zhì)量，防止虛焊和日久脫焊。4.在焊接晶體管等怕高溫器件時(shí)，最好用小平嘴鉗或鑷子夾住晶體管的引出腳，焊接時(shí)還要掌握時(shí)間。5.烙鐵在焊接處停留的時(shí)間不宜過長,元器件的焊接時(shí)最好控制在2～3秒。6.烙鐵離開焊接處后，被焊接的零件不能立即移動，否則因焊錫尚未凝固而使零件容易脫焊。7.半導(dǎo)體元件的焊接最好采用較細(xì)的低溫焊絲，焊接時(shí)間要短。8.對接的元件接線最好先絞和后再上錫。9.焊接完成后，剪掉多余的引腳。5.2.6烙鐵使用的注意事項(xiàng)1.新買的烙鐵在使用之前必須先給它蘸上一層錫（給烙鐵通電，然后在烙鐵加熱到一定的時(shí)候就用錫條靠近烙鐵頭），使用久了的烙鐵將烙鐵頭部銼亮，然后通電加熱升溫，并將烙鐵頭蘸上一點(diǎn)松香，待松香冒煙時(shí)在上錫，使在烙鐵頭表面先鍍上一層錫。2.電烙鐵使用一段時(shí)間后，可能在烙鐵頭部留有錫垢，在烙鐵加熱的條件下，我們可以用濕布輕檫。如有出現(xiàn)凹坑或氧化塊，應(yīng)用細(xì)紋銼刀修復(fù)或者直接更換烙鐵頭。3.電烙鐵通電后溫度高達(dá)250攝氏度以上，不用時(shí)應(yīng)放在烙鐵架上，但較長時(shí)間不用時(shí)應(yīng)切斷電源，防止高溫“燒死”烙鐵頭（被氧化）。要防止電烙鐵燙壞其他元器件，尤其是電源線，若其絕緣層被烙鐵燒壞而不注意便