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(shè)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(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，遙控器為38-40kHz．故將報警器的工作頻率設(shè)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(dāng)兩管中心相對時，產(chǎn)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(qū)動／音樂片報警。一旦電子鑰匙插入，信號鎖存器復(fù)位，禁止報警，適合自己人活動情況。本設(shè)計在放大倍數(shù)和起報點設(shè)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(dāng)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(zhuǎn)為低電平，⑦腳對地導(dǎo)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(qū)動能力很強，本例中R3=510n，有15mA的低電平電流驅(qū)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(gòu)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(shè)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(dāng)頻率很高時，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，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(gòu)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(gòu)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(wù)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(gòu)成負反饋，必須限制直流放大倍數(shù)在3以內(nèi)，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“光照正常”。發(fā)射信號被阻擋，輸出低電平約1.5V。下圖中AVce接5V。
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(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(gòu)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(dāng)“光照正常”信號消失時，(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(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”信號有沒有，都不能報警，并建立U14(12)腳為高的初始態(tài)。電子鑰匙的設(shè)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(dǎo)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。
二、裝配與調(diào)試
1．裝配
上圖是接收器的安裝圖。整個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布線，不易查錯，因信號的相互干擾大，很難調(diào)好。中間的是平面裸線布線，焊點粗糙，所占面積較大。
左邊是臺灣某公司為了驗證設(shè)計（IC為主，元件較少），請電子制作專家加急焊接并寄給筆者的，該板焊點特別漂亮、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。
制作時宜先做發(fā)射，后做接收。發(fā)射總共8個元器件，不難做。因為紅外發(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)射管緊對著接收板的VT1，則數(shù)字表交流擋可以在C1兩端測到電壓。至少要有AC0.5V電壓。如全無，改用DC擋，測VT1兩端，用手擋住外界雜散光，讀數(shù)會變化（如4.70—4.99）。如無變化，請將VT1兩極反過來試試。單獨將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)運算放大器。
2，用數(shù)字萬用表進行運放直流工作點的檢測
測量交流特性之前必須保證直流工作點正常。對于單電源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，最迅速的檢測方法是短路①、②腳測①腳，短路⑥、⑦腳測⑦腳，短路⑧、⑨腳測⑧腳。以①、②腳為例，測①腳為3.5V(高)，短路①、②腳測①腳為2.5V，不用查③腳，測②腳電壓，如讀數(shù)為0.17V，測R5兩端：0/0.17證明C2短路。如短路①、②腳測①腳仍為3.5V，先不用查②腳，測③腳電壓，讀數(shù)為4.9V，可能R3開路或C1短路。測試原理是，短路①、②腳意味著100%反饋，將運放接成跟隨器，能跟隨是一種情況，不能跟隨或跟隨錯誤是另一種情況。很快就把故障范圍縮小到幾個元件內(nèi)。
3．用數(shù)字萬用表交流擋測量接收放大器
先將發(fā)射管緊對著接收板的y＇ri，逐步移遠。測①、⑦、⑧腳輸出電壓，應(yīng)該逐級變大。當(dāng)然達到AC1.5V后不能繼續(xù)加大是正常的。如果某一級放大不足，應(yīng)檢查電容器（因為直流工作已經(jīng)正常，電阻沒有問題）。例如，C2虛焊或容量太小，第一級放大就不能達到19倍。
4．交流自激問題的解決
關(guān)閉發(fā)射，一旦測出輸出端常有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？實在不行，只能一級一級地拆。交流自激是放大器最難解決的問題。設(shè)計單級放大倍數(shù)過大、放大級數(shù)過多是主要原因，、筆者先前曾設(shè)計成放大7000倍，結(jié)果發(fā)生輸出總有信號的問題，用示波器觀測，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)計的放大倍數(shù)為2000倍，是很保險的。有一次我將發(fā)射器和接收器共用一個5v電源，自激問題一直找不出來。后來將發(fā)射器單獨供電就解決r。
三、供電問題
報警器需要長期接入電源，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)壓共三個元件就可以了。有經(jīng)驗的設(shè)計者往往會在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。
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