隨著人們自身安全意識(shí)的提高，越來(lái)越多的需要報(bào)警與監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)保障居住以及公共場(chǎng)所的安全。紅外線是不可見光，具有很強(qiáng)的保密性和隱蔽性。因此，紅外報(bào)警電路以其簡(jiǎn)單高效安全的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類安防系統(tǒng)中。而報(bào)警電路是模擬電子技術(shù)課程的必修課，培養(yǎng)電子專業(yè)學(xué)生利用模擬電路知識(shí)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)的能力，是電子電工實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要目的。

　　【摘要】分析紅外報(bào)警電路的原理及特點(diǎn)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易紅外報(bào)警電路，根據(jù)教學(xué)的實(shí)際需要，選用適合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的電子器件組合硬件電路，并進(jìn)行Protues仿真測(cè)試。實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的紅外報(bào)警電路安全可靠，有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

　　【關(guān)鍵詞】紅外報(bào)警,實(shí)驗(yàn)教學(xué),Protues

　　1.引言

　　結(jié)合紅外報(bào)警裝置需求量大的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易的紅外報(bào)警電路進(jìn)行電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)實(shí)踐能力，將所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際當(dāng)中。考慮到成本以及教學(xué)學(xué)時(shí)的限制，先基于Protues進(jìn)行電路仿真測(cè)試，再采用常用實(shí)驗(yàn)電子器件搭建硬件平臺(tái)，不僅使學(xué)生學(xué)習(xí)了軟件仿真方法，而且提高了硬件設(shè)計(jì)的能力。

　　實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的主要是學(xué)習(xí)掌握紅外收發(fā)對(duì)管的工作特性，學(xué)習(xí)由運(yùn)放構(gòu)造電壓比較器的方法，了解穩(wěn)壓管的工作原理及特性，掌握蜂鳴器的使用方法。

　　2.紅外報(bào)警電路設(shè)計(jì)

　　2.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　如圖1所示，紅外報(bào)警電路主要包括兩個(gè)模塊，光檢測(cè)電路模塊和警鈴驅(qū)動(dòng)電路模塊。光檢測(cè)電路用于檢測(cè)區(qū)域內(nèi)是否有障礙物，警鈴驅(qū)動(dòng)電路主要是根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果判斷是否進(jìn)行報(bào)警。

　　2.2光檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

　　光檢測(cè)模塊主要由紅外收發(fā)對(duì)管、分壓電阻、集成運(yùn)放、以及穩(wěn)壓電路構(gòu)成，具體電路如圖2所示。

　　當(dāng)沒有障礙物進(jìn)入監(jiān)視區(qū)時(shí)，即紅外對(duì)管D1、D2間無(wú)障礙物時(shí)，D2可以接收到D1發(fā)出的紅外光，D2反相導(dǎo)通，RD2很小，相應(yīng)U1i+很小，運(yùn)放U1滿足U1i+>U1i-，U1o=-12V。穩(wěn)壓管D3正向?qū)�通，U2i+約為-0.7V。

　　當(dāng)障礙物進(jìn)入監(jiān)視區(qū)時(shí)，紅外線被遮擋，D2無(wú)法接收到D1發(fā)出的紅外光，D2反相截止，U1i+增大至約為4V，此時(shí)運(yùn)放U1滿足U1i+光檢測(cè)電路主要實(shí)現(xiàn)將D1、D2間是否出現(xiàn)障礙物的情況反映到電壓U2i+上，方便警鈴驅(qū)動(dòng)電路工作。

　　2.3警鈴驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　警鈴驅(qū)動(dòng)電路主要包括電阻、運(yùn)放、三極管以及蜂鳴器等構(gòu)成，具體電路如圖3所示。

　　當(dāng)沒有障礙物進(jìn)入監(jiān)視區(qū)時(shí)，即穩(wěn)壓管D3正向?qū)�通，U2i+約為-0.7V時(shí)，U2i+經(jīng)電壓跟隨器到三極管Q1的基極，三極管發(fā)射結(jié)反相偏置，Q1工作在截止區(qū)，蜂鳴器不工作。

　　當(dāng)障礙物進(jìn)入監(jiān)視區(qū)時(shí)，即穩(wěn)壓管D3反相導(dǎo)通，U2i+約為+4.4V時(shí)，經(jīng)過運(yùn)放U2構(gòu)成的電壓跟隨器，將電壓全部引到三極管Q1的基極，使Q1工作在飽和狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作發(fā)聲。U2構(gòu)成的電跟隨器具有阻抗匹配和隔離作用。

　　警鈴驅(qū)動(dòng)電路的作用主要是將U2i+的電壓變化反映到蜂鳴器的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)報(bào)警的功能。

　　3.紅外報(bào)警電路器件選取及原理

　　3.1紅外收發(fā)對(duì)管

　　紅外發(fā)光管：發(fā)出波長(zhǎng)約為940mm的紅外光，正向電壓下工作，正向特性與普通二極管相同。

　　紅外接收管：主要用于接收紅外發(fā)光管產(chǎn)生的紅外線光波。通常采用黑色樹脂封裝。管體頂端有一個(gè)小斜切平面，帶有這個(gè)斜切平面的一側(cè)引腳為負(fù)極。接收管應(yīng)反相連接在電路中，它在接受和不接受紅外線時(shí)電阻會(huì)發(fā)生明顯的變化。

　　3.2運(yùn)算放大器

　　LM741是一種應(yīng)用非常廣泛的通用運(yùn)算放大器，紅外報(bào)警電路設(shè)計(jì)中主要利用集成運(yùn)放的非線性特性。集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)，輸出電壓不再隨輸入電壓線性增長(zhǎng)，而是達(dá)到飽和。LM741引腳圖如圖4所示。

　　紅外報(bào)警電路設(shè)計(jì)時(shí)利用運(yùn)放的非線性特性，構(gòu)造了電壓比較器和電壓跟隨器，分別如圖5和圖6所示。

　　有障礙物進(jìn)入監(jiān)視區(qū)時(shí)，U1i+>U1i-，則U1o輸出正飽和電壓；無(wú)障礙物進(jìn)入監(jiān)視區(qū)時(shí)，U1i+電壓跟隨器的顯著特點(diǎn)就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低。在電路中利用LM741運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器起隔離的作用，電路將輸出電壓全部引入到集成運(yùn)放的反相輸入端，使比例系數(shù)等于1，且集成運(yùn)放的凈輸入電壓和凈輸入電流均為0，U2o=U2i+。

　　3.3穩(wěn)壓二極管

　　穩(wěn)壓管是利用反向擊穿區(qū)的穩(wěn)壓特性進(jìn)行工作的，因此穩(wěn)壓管在電路中要反向連接。穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓稱為穩(wěn)定電壓，不同類型穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓也不一樣。紅外報(bào)警電路中使用4.7V的穩(wěn)壓管。由穩(wěn)壓管構(gòu)成的穩(wěn)壓電路如圖7所示。

　　穩(wěn)壓管穩(wěn)壓性能的好壞，可以用它的動(dòng)態(tài)電阻r來(lái)表示：

　　顯然，對(duì)于同樣的電流變化量ΔI，穩(wěn)壓管兩端的電壓變化量ΔU越小，動(dòng)態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓管性能就越好。穩(wěn)壓管的動(dòng)態(tài)電阻是隨工作電流變化的，工作電流越大，動(dòng)態(tài)電阻越小。因此，為使穩(wěn)壓效果好，工作電流要選得合適。電路中使用的是IN4732A穩(wěn)壓管：最大功耗為1W，穩(wěn)定電壓為4.7V，可以算出最大電流為：

　　3.4蜂鳴器及其驅(qū)動(dòng)電路

　　電路設(shè)計(jì)中使用的是有源蜂鳴器，接通一個(gè)大約5V的直流電源就可以工作。三極管起開關(guān)作用，基極高電平使三極管飽和導(dǎo)通，使蜂鳴器發(fā)聲；而基極低電平則使三極管截止，蜂鳴器停止發(fā)聲。實(shí)驗(yàn)使用的是9013三極管，9013是一種NPN型硅小功率的三極管它是非常常見的晶體三極管，蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路圖如圖8所示。

　　4.仿真結(jié)果及硬件平臺(tái)

　　通過電路設(shè)計(jì)以及器件的選型，利用Pro-tues虛擬仿真軟件進(jìn)行電路仿真，得到結(jié)果與分析一致，具體仿真電路圖如圖9所示。

　　為便于學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)電路，采用基于面包板的硬件平臺(tái)搭建，方便實(shí)驗(yàn)教學(xué)。硬件圖如圖10所示。

　　5.總結(jié)

　　紅外報(bào)警電路簡(jiǎn)單安全，方便學(xué)生自己進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。將模擬電路知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，很好的激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有助于實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)程的推進(jìn)。紅外報(bào)警電路應(yīng)用廣泛，聯(lián)系知識(shí)緊密，很好提高了動(dòng)手能力，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)教學(xué)試驗(yàn)，得到良好的效果。

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