紅外報警電路的實驗教學項目研制

【摘要】分析紅外報警電路的原理及特點，設計簡易紅外報警電路，根據(jù)教學的實際需要，選用適合實驗教學的電子器件組合硬件電路，并進行Protues仿真測試。實驗教學結(jié)果表明，所設計的紅外報警電路安全可靠，有利于實驗教學。

【關鍵詞】紅外報警；實驗教學；Protues

1.引言

隨著人們自身安全意識的提高，越來越多的需要報警與監(jiān)控系統(tǒng)來保障居住以及公共場所的安全。紅外線是不可見光，具有很強的保密性和隱蔽性。因此，紅外報警電路以其簡單高效安全的特點，廣泛應用于各類安防系統(tǒng)中。而報警電路是模擬電子技術課程的必修課，培養(yǎng)電子專業(yè)學生利用模擬電路知識進行實際應用設計的能力，是電子電工實驗教學的主要目的。

結(jié)合紅外報警裝置需求量大的實際情況，設計簡易的紅外報警電路進行電子實驗教學，有利于提高學生的學習實踐能力，將所學的知識運用到實際當中?？紤]到成本以及教學學時的限制，先基于Protues進行電路仿真測試，再采用常用實驗電子器件搭建硬件平臺，不僅使學生學習了軟件仿真方法，而且提高了硬件設計的能力。

實驗教學的目的主要是學習掌握紅外收發(fā)對管的工作特性，學習由運放構(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.紅外報警電路設計

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設計

如圖1所示，紅外報警電路主要包括兩個模塊，光檢測電路模塊和警鈴驅(qū)動電路模塊。光檢測電路用于檢測區(qū)域內(nèi)是否有障礙物，警鈴驅(qū)動電路主要是根據(jù)檢測的結(jié)果判斷是否進行報警。

2.2 光檢測電路設計

光檢測模塊主要由紅外收發(fā)對管、分壓電阻、集成運放、以及穩(wěn)壓電路構(gòu)成，具體電路如圖2所示。

當沒有障礙物進入監(jiān)視區(qū)時，即紅外對管D1、D2間無障礙物時，D2可以接收到D1發(fā)出的紅外光，D2反相導通，RD2很小，相應U1i+很小，運放U1滿足U1i+>U1i-，U1o=-12V。穩(wěn)壓管D3正向?qū)?，U2i+約為-0.7V。

當障礙物進入監(jiān)視區(qū)時，紅外線被遮擋，D2無法接收到D1發(fā)出的紅外光，D2反相截止，U1i+增大至約為4V，此時運放U1滿足U1i+

光檢測電路主要實現(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)動電路工作。

2.3 警鈴驅(qū)動電路設計

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

當沒有障礙物進入監(jiān)視區(qū)時，即穩(wěn)壓管D3正向?qū)?，U2i+約為-0.7V時，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。

當障礙物進入監(jiān)視區(qū)時，即穩(wěn)壓管D3反相導通，U2i+約為+4.4V時，經(jīng)過運放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)，從而實現(xiàn)報警的功能。

3.紅外報警電路器件選取及原理

3.1 紅外收發(fā)對管

紅外發(fā)光管：發(fā)出波長約為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。管體頂端有一個小斜切平面，帶有這個斜切平面的一側(cè)引腳為負極。接收管應反相連接在電路中，它在接受和不接受紅外線時電阻會發(fā)生明顯的變化。

3.2 運算放大器

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

紅外報警電路設計時利用運放的非線性特性，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。

有障礙物進入監(jiān)視區(qū)時，U1i+>U1i-，則U1o輸出正飽和電壓；無障礙物進入監(jiān)視區(qū)時，U1i+

電壓跟隨器的顯著特點就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低。在電路中利用LM741運放構(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放的反相輸入端，使比例系數(shù)等于1，且集成運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，可以用它的動態(tài)電阻r來表示：

顯然，對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，動態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓管性能就越好。穩(wěn)壓管的動態(tài)電阻是隨工作電流變化的，工作電流越大，動態(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)動電路

電路設計中使用的是有源蜂鳴器，接通一個大約5V的直流電源就可以工作。三極管起開關作用，基極高電平使三極管飽和導通，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。實驗使用的是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)動電路圖如圖8所示。

4.仿真結(jié)果及硬件平臺

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

為便于學生獨立設計電路，采用基于面包板的硬件平臺搭建，方便實驗教學。硬件圖如圖10所示。

5.總結(jié)

紅外報警電路簡單安全，方便學生自己進行設計與仿真，提高了實驗教學的效率。將模擬電路知識與實際應用相結(jié)合，很好的激發(fā)了學生的學習興趣，有助于實驗教學進程的推進。紅外報警電路應用廣泛，聯(lián)系知識緊密，很好提高了動手能力，經(jīng)過實驗教學試驗，得到良好的效果。

參考文獻

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[4]葉繼英.Protues在模電實驗教學中的應用[J].科技資訊，2008（14）：140-141.

作者簡介：

徐璐（1990—），女，碩士研究生，主要研究方向：電子技術與變頻調(diào)速。

余仕求（1963—），男，碩士生導師，現(xiàn)供職于長江大學電子信息學院，主要從事變頻調(diào)速方面的教學與研究。

鄧攀登（1990—），男，碩士研究生，主要研究方向：檢測技術與自動化裝置。