入侵報警控制電路設計講解

一、系統(tǒng)組成及工作原理

1．主要元器件
LM324、74HC00、NE555各一只，語音/音樂片自選一片，喇叭一個，φ3紅外發(fā)光管LED。φ3紅外光敏三極管各三只以及電阻電容等。光敏三極管靈敏度高，適合光電遙控；光電二極管靈敏度較低、頻帶帶寬高,適合通信。一體化紅外接收頭的工作頻率固定為38kHz。本設計在單路警戒時選擇頻率為5kHz，雙路警戒時，選擇頻率為3.3kHz/5kHz，38kHz固定工作頻率不能適應多路要求，所以未選用一體化紅外接收頭。
2．工作頻率的選擇
照明用的白熾燈、熒光燈產生的干擾為低頻信號，遙控器為38-40kHz．故將報警器的工作頻率設置為5kHZ和3kHz兩種，既可遠離干擾，又有利于用普通指針式萬用表交流擋來進行測試。另外，實驗證明，光敏三極管在5kHz,頻率F，最大負載為10kΩ~20kΩ時，靈敏度較高，如果再降低頻率，負載電阻因雜散背景光的原因不能再增加，靈敏度不能繼續(xù)提高。
如果將頻率升高到20kHz，20kΩ負載的光敏三極管充放電速度跟不上，信號有衰減，必須要減小負載電阻到1kΩ~2kΩ以提高充放電速度，這樣，靈敏度就降低10倍。另外，20kHz的放大器也較難做。

3．工作原理

如下圖所示，紅外發(fā)射管發(fā)出一束光到達遠處接收管，當兩管中心相對時，產生約1mV、5kHz交流信號，經(jīng)過高通濾波放大，使50～100Hz的干擾信號比正常信號衰減1萬倍以上。再經(jīng)過低通濾波放大，使40kHz的干擾信號比正常信號衰減幾百倍以上，5kHz信號放大到近2000倍。這時，信號超過放大器線性放大范圍，被限幅為梯型波。經(jīng)過檢波輸出的直流電壓超過2V。此電壓與沒定電壓Vf比較，如果大于Vf.認為光照正常，不報警，如果小于Vf,則表示有物體擋光，啟動報警控制電路。報警的條件是：電子鑰匙不存在，鼠光照正常發(fā)生過低的過程，信號被鎖存器，驅動／音樂片報警。一旦電子鑰匙插入，信號鎖存器復位，禁止報警，適合自己人活動情況。本設計在放大倍數(shù)和起報點設定電壓上都留有余量。還可以選用不同的報警音樂片，自制不同的電子鑰匙，給讀者留有自由發(fā)揮的空間。

4．工作原理分析

(1)紅外發(fā)射器
紅外發(fā)射器電路如下圖所示。時基電路NF555接成自激振蕩器，其②腳⑥腳的三角波在1／3VCC到2/3Vcc之間變化。當②、⑥腳電壓=1.3Vcc時，Vcc通過R1、R2對C1充電，③腳輸出高電平。經(jīng)過0.693(R1+R2)C1時間后，②、⑥腳電壓升到2/3Vcc，這時，③腳輸出翻轉為低電平，⑦腳對地導通，C1通過R2放電，經(jīng)過0.693×R2C1時間，②、⑥腳電壓降至1/3Vcc，③腳又輸出高電平，如此循環(huán)。圖中可以看出，③腳輸出高電平時間長、輸出低電平時間短周期是兩者之和。本例中，R2選用11.2kn時實測頻率剛好5kHz。NE555③腳的驅動能力很強，本例中R3=510n，有15mA的低電平電流驅動LED。如果要進一步加強發(fā)射，可以把R3減至270Ω。

(2)紅外接收放大器
紅外接收放大器電路如下圖所示。VT1受光后，輸出信號電壓1mV，C1，R2，R3構成第一級高通濾波器。那么，C1、R2、R3的參數(shù)是如何得出的呢？是根據(jù)經(jīng)驗。對于交流信號而言，R2和R3是并聯(lián)的，等效電阻約為250kΩ。如果C1在某頻率下的容抗等于250k，信號就衰減到70%。若希望5kHz信號能大部分通過，在5kHz×70%=3.5kHz頻率信號開始衰減，你只要記住10kHZ100pF電容器的容抗160kQ，頻率÷2=5k，電容×2=200p，容抗不變，仍是160kΩ。頻率再降低70%容抗加大l/70％，約為230kΩ，頻率再低一點就能滿足要求。設C1用200pF，70%衰減點約在3.2kHz。R4、R5、C2在反饋回路中引入第二級高通。當頻率很高時，C2近似短路，放大倍數(shù)為1+R5/R4，約22.5倍；當頻率很低時，C2不通，①腳l00％負反饋到②腳，放大倍數(shù)為1。C2的容抗是與R5相比較的，套用剛才的計算，電容加大5倍，取100Op，250kΩ電阻減小5倍，取51kΩ。實測第一級在5kHz時放大19倍，3kHz信號衰減超過50％，100Hz信號幾乎看不到。R6、C3構成低通濾波器，取5kHz的1.4倍7kHz為衰減點，已知10kHZ100pF電容器的容抗為160kΩ，7kHZ100pF電容器的容抗=160kΩ,/0.7=224kΩ,220pF電容器的容抗比100pF縮小2.2倍，為100kΩ，所以R6、C3的值分別為100kΩ、220pF。R7，R8，C4構成高通濾波，與R4、R5、C2完全相同。實測一、二級在5kHz時總放大300倍，第三級LM324放大任務是6～7倍，總倍數(shù)達2000倍。這是一個加有C6正反饋的一個二階低通濾波器。峰點要求5kHz，在峰值點容抗等于阻抗，正反饋系數(shù)是1/3。已知10kHZ100pF電容器的容抗160kΩ，50kHZ100pF容抗加倍為320kΩ．5kHz560pF電容器的容抗乘5.6倍為57kΩ取56kΩ。R1l，R12+R13//R14構成負反饋，必須限制直流放大倍數(shù)在3以內，超過3會自激振蕩。這里直流放大倍數(shù)為2.57，實測5kHz總放大倍數(shù)為1920倍。第三級放大器輸出經(jīng)過C7耦合，D1、D2檢波，在R16上形成直流電壓。在沒有發(fā)射信號時，雜音也會有檢波電壓，不過小得多。第四級LM324接成比較器方式，檢波電壓和R15/R17分壓電壓Vf比較，檢波電壓大大超過Vf,輸出高電平約3.5V，表示“光照正?！?。發(fā)射信號被阻擋，輸出低電平約1.5V。下圖中AVce接5V。

(3)報警控制電路
電路如下圖所示，其中DVcc與AVcc接在一起接+5v。U1_4、U1_3構成鎖存器，平時（即光照正常時），(13)、(12)腳都是高電平，(11)、(10)腳為低電平，⑧腳輸出高電平，U1-l作反相器用，③腳輸出低電平，U2不工作。當“光照正?！毙盘栂r，(13)腳變低，U1_4(11)腳變高，U1_3⑧腳變低，U1_4(12)腳也為低。也就是說，無論此后“光照正?！毙盘栍袥]有，曾經(jīng)為低的情況將被鎖存，U1_3輸出⑧腳一直為低，通U1-1③腳輸出高，驅動報警音樂片KD5608發(fā)出狗叫聲。讀者也可以自由發(fā)揮，制作出不同的報警效果。
U1_2的兩個輸入端分別接兩只光敏三極管，一只上拉，一只下拉。因為在暗處工作，負載電阻可以取大一點，以提高靈敏度。不論全有光照還是全無光照，U1_2的輸入端總有一個為低，其⑥腳輸出為高。最好設置背景A處為黑，背景B處為白，使④、⑤腳都為低。電子鑰匙可以做成打孔透光型，也可以涂白涂黑反光型，一旦A有光B無光（即將電子鑰匙插入），U1_2的④、⑤腳均為高，⑥腳輸出低，維持延遲O.ls后，U1_3的⑨腳持續(xù)為低，⑧腳恒高，不管“光照正?！毙盘栍袥]有，都不能報警，并建立U14(12)腳為高的初始態(tài)。電子鑰匙的設計可以多種多樣，也不局限于A,B兩個邏輯點，可以發(fā)揮創(chuàng)造力。
D4、D5、D6的正向壓降為3V，正好為U2KD5608供電(3V)。注意：許多音樂片誤用SV電源供電，導致聲音不對且芯片發(fā)熱，要注意降壓使用。但揚聲器可以接到5V電源。
U1_3腳輸出的控制信號的高電平也是SV，為了避免損壞U2，故串聯(lián)了一只電阻R15。