入侵報(bào)警器的設(shè)計(jì)與制作

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(gè)，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(shè)計(jì)在單路警戒時(shí)選擇頻率為5kHz，雙路警戒時(shí)，選擇頻率為3.3kHz/5kHz，38kHz固定工作頻率不能適應(yīng)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(chǎn)生的干擾為低頻信號(hào)，遙控器為38-40kHz．故將報(bào)警器的工作頻率設(shè)置為5kHZ和3kHz兩種，既可遠(yuǎn)離干擾，又有利于用普通指針式萬用表交流擋來進(jìn)行測(cè)試。另外，實(shí)驗(yàn)證明，光敏三極管在5kHz,頻率F，最大負(fù)載為10kΩ~20kΩ時(shí)，靈敏度較高，如果再降低頻率，負(fù)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(fù)載的光敏三極管充放電速度跟不上，信號(hào)有衰減，必須要減小負(fù)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(dá)遠(yuǎn)處接收管，當(dāng)兩管中心相對(duì)時(shí)，產(chǎn)生約1mV、5kHz交流信號(hào)，經(jīng)過高通濾波放大，使50～100Hz的干擾信號(hào)比正常信號(hào)衰減1萬倍以上。再經(jīng)過低通濾波放大，使40kHz的干擾信號(hào)比正常信號(hào)衰減幾百倍以上，5kHz信號(hào)放大到近2000倍。這時(shí)，信號(hào)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(rèn)為光照正常，不報(bào)警，如果小于Vf,則表示有物體擋光，啟動(dòng)報(bào)警控制電路。報(bào)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(hào)被鎖存器，驅(qū)動(dòng)／音樂片報(bào)警。一旦電子鑰匙插入，信號(hào)鎖存器復(fù)位，禁止報(bào)警，適合自己人活動(dòng)情況。本設(shè)計(jì)在放大倍數(shù)和起報(bào)點(diǎn)設(shè)定電壓上都留有余量。還可以選用不同的報(bào)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(shí)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(dāng)②、⑥腳電壓=1.3Vcc時(shí)，Vcc通過R1、R2對(duì)C1充電，③腳輸出高電平。經(jīng)過0.693(R1+R2)C1時(shí)間后，②、⑥腳電壓升到2/3Vcc，這時(shí)，③腳輸出翻轉(zhuǎn)為低電平，⑦腳對(duì)地導(dǎo)通，C1通過R2放電，經(jīng)過0.693×R2C1時(shí)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(shí)間長(zhǎng)、輸出低電平時(shí)間短周期是兩者之和。本例中，R2選用11.2kn時(shí)實(shí)測(cè)頻率剛好5kHz。NE555③腳的驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng)，本例中R3=510n，有15mA的低電平電流驅(qū)動(dòng)LED。如果要進(jìn)一步加強(qiáng)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(hào)電壓1mV，C1，R2，R3構(gòu)成第一級(jí)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(yàn)。對(duì)于交流信號(hào)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(hào)就衰減到70%。若希望5kHz信號(hào)能大部分通過，在5kHz×70%=3.5kHz頻率信號(hào)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(diǎn)就能滿足要求。設(shè)C1用200pF，70%衰減點(diǎn)約在3.2kHz。R4、R5、C2在反饋回路中引入第二級(jí)高通。當(dāng)頻率很高時(shí)，C2近似短路，放大倍數(shù)為1+R5/R4，約22.5倍；當(dāng)頻率很低時(shí)，C2不通，①腳l00％負(fù)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(jì)算，電容加大5倍，取100Op，250kΩ電阻減小5倍，取51kΩ。實(shí)測(cè)第一級(jí)在5kHz時(shí)放大19倍，3kHz信號(hào)衰減超過50％，100Hz信號(hào)幾乎看不到。R6、C3構(gòu)成低通濾波器，取5kHz的1.4倍7kHz為衰減點(diǎn)，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(gòu)成高通濾波，與R4、R5、C2完全相同。實(shí)測(cè)一、二級(jí)在5kHz時(shí)總放大300倍，第三級(jí)LM324放大任務(wù)是6～7倍，總倍數(shù)達(dá)2000倍。這是一個(gè)加有C6正反饋的一個(gè)二階低通濾波器。峰點(diǎn)要求5kHz，在峰值點(diǎn)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(gòu)成負(fù)反饋，必須限制直流放大倍數(shù)在3以內(nèi)，超過3會(huì)自激振蕩。這里直流放大倍數(shù)為2.57，實(shí)測(cè)5kHz總放大倍數(shù)為1920倍。第三級(jí)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(hào)時(shí)，雜音也會(huì)有檢波電壓，不過小得多。第四級(jí)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“光照正常”。發(fā)射信號(hào)被阻擋，輸出低電平約1.5V。下圖中AVce接5V。

(3)報(bào)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(gòu)成鎖存器，平時(shí)（即光照正常時(shí)），(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(dāng)“光照正常”信號(hào)消失時(shí)，(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“光照正常”信號(hào)有沒有，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(qū)動(dòng)報(bào)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(bào)警效果。
U1_2的兩個(gè)輸入端分別接兩只光敏三極管，一只上拉，一只下拉。因?yàn)樵诎堤幑ぷ?，?fù)載電阻可以取大一點(diǎn)，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(gè)為低，其⑥腳輸出為高。最好設(shè)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“光照正常”信號(hào)有沒有，都不能報(bào)警，并建立U14(12)腳為高的初始態(tài)。電子鑰匙的設(shè)計(jì)可以多種多樣，也不局限于A,B兩個(gè)邏輯點(diǎn)，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(dǎo)致聲音不對(duì)且芯片發(fā)熱，要注意降壓使用。但揚(yáng)聲器可以接到5V電源。
U1_3腳輸出的控制信號(hào)的高電平也是SV，為了避免損壞U2，故串聯(lián)了一只電阻R15。

二、裝配與調(diào)試
1．裝配
上圖是接收器的安裝圖。整個(gè)接收器裝在墻式電源插線盒中，如國圖所示。通用板的裝配技能也是電子技師、工程師的基本功。下圖(略)展示了三種樣品（不是同一線路）。
右邊采用立體多層交錯(cuò)布線，不易查錯(cuò)，因信號(hào)的相互干擾大，很難調(diào)好。中間的是平面裸線布線，焊點(diǎn)粗糙，所占面積較大。
左邊是臺(tái)灣某公司為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)（IC為主，元件較少），請(qǐng)電子制作專家加急焊接并寄給筆者的，該板焊點(diǎn)特別漂亮、布線整齊規(guī)則。安裝所用的線是美國“OKIndustriesInc”
AWG30(美制線規(guī))單芯氟塑料被覆安裝線。
制作時(shí)宜先做發(fā)射，后做接收。發(fā)射總共8個(gè)元器件，不難做。因?yàn)榧t外發(fā)射看不見，要用萬用表交流擋（如果指針表要在紅筆中串入一只0.1LLF的電容器）測(cè)IC1③腳和①腳（地線，接黑筆）間有5.7V交流電，R3兩端有5.2V交流電。如只有前者沒有后者，請(qǐng)將紅外LED反過來試試。如果5.7V也沒有，說明不起振，往往是R1、R2、C1回路有問題。發(fā)射調(diào)好后，用發(fā)射管緊對(duì)著接收板的VT1，則數(shù)字表交流擋可以在C1兩端測(cè)到電壓。至少要有AC0.5V電壓。如全無，改用DC擋，測(cè)VT1兩端，用手擋住外界雜散光，讀數(shù)會(huì)變化（如4.70—4.99）。如無變化，請(qǐng)將VT1兩極反過來試試。單獨(dú)將VT1插入萬用表晶體管擋NPNC、E，光照hFE有讀數(shù)為VT1極性正確，接E的極接地，接C的極接圖3的電容器C1。光敏晶體管調(diào)好后，要花主要力量調(diào)運(yùn)算放大器。
2，用數(shù)字萬用表進(jìn)行運(yùn)放直流工作點(diǎn)的檢測(cè)
測(cè)量交流特性之前必須保證直流工作點(diǎn)正常。對(duì)于單電源5V的LM324來說，只有①、⑦、⑧腳輸出電壓在電源一半左右才能正常工作。實(shí)際量電源是4.8V，輸出電壓約2.4V。如果不是，肯定電路有問題。到底是輸入端斷路還是輸出端有短路，最迅速的檢測(cè)方法是短路①、②腳測(cè)①腳，短路⑥、⑦腳測(cè)⑦腳，短路⑧、⑨腳測(cè)⑧腳。以①、②腳為例，測(cè)①腳為3.5V(高)，短路①、②腳測(cè)①腳為2.5V，不用查③腳，測(cè)②腳電壓，如讀數(shù)為0.17V，測(cè)R5兩端：0/0.17證明C2短路。如短路①、②腳測(cè)①腳仍為3.5V，先不用查②腳，測(cè)③腳電壓，讀數(shù)為4.9V，可能R3開路或C1短路。測(cè)試原理是，短路①、②腳意味著100%反饋，將運(yùn)放接成跟隨器，能跟隨是一種情況，不能跟隨或跟隨錯(cuò)誤是另一種情況。很快就把故障范圍縮小到幾個(gè)元件內(nèi)。
3．用數(shù)字萬用表交流擋測(cè)量接收放大器
先將發(fā)射管緊對(duì)著接收板的y＇ri，逐步移遠(yuǎn)。測(cè)①、⑦、⑧腳輸出電壓，應(yīng)該逐級(jí)變大。當(dāng)然達(dá)到AC1.5V后不能繼續(xù)加大是正常的。如果某一級(jí)放大不足，應(yīng)檢查電容器（因?yàn)橹绷鞴ぷ饕呀?jīng)正常，電阻沒有問題）。例如，C2虛焊或容量太小，第一級(jí)放大就不能達(dá)到19倍。
4．交流自激問題的解決
關(guān)閉發(fā)射，一旦測(cè)出輸出端常有AC1.5V，就是自激。如果發(fā)生自激，檢查電源退耦電容C9接好沒有？R1l/R12是否大子27布線是否太亂？實(shí)在不行，只能一級(jí)一級(jí)地拆。交流自激是放大器最難解決的問題。設(shè)計(jì)單級(jí)放大倍數(shù)過大、放大級(jí)數(shù)過多是主要原因，、筆者先前曾設(shè)計(jì)成放大7000倍，結(jié)果發(fā)生輸出總有信號(hào)的問題，用示波器觀測(cè)，是一種噪聲干擾經(jīng)過選頻，正好5kHz過來了，不像自激又類似自激。最后將發(fā)大倍數(shù)降到3000倍就好了。這次設(shè)計(jì)的放大倍數(shù)為2000倍，是很保險(xiǎn)的。有一次我將發(fā)射器和接收器共用一個(gè)5v電源，自激問題一直找不出來。后來將發(fā)射器單獨(dú)供電就解決r。
三、供電問題
報(bào)警器需要長(zhǎng)期接入電源，因此必須考慮發(fā)熱、體積和節(jié)能等問題。
小功率變壓器效率低，體積較大，優(yōu)選用類似手機(jī)充電器那樣的小功率開關(guān)電源作為接收電源，而且有現(xiàn)成的手機(jī)線充可以用。發(fā)射部分電流消耗是恒定的，一旦調(diào)好與人接觸少，可以考慮電容采用降壓方案（調(diào)試要注意安全）。用0.22μF630V耐壓的電容降壓、橋式整流及9V0.5W穩(wěn)壓管穩(wěn)壓共三個(gè)元件就可以了。有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者往往會(huì)在0.22uF電容上并聯(lián)一只1MΩ的泄放電阻，串聯(lián)一只0.5Wl00Ω的限流電阻。