人体接近检测与报警电路..pdf

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1、中北大学 课程设计说明书 学生姓名： 学号： 学院：信息与通信工程学院 专业： 题目：人体接近检测与报警电路 指导教师：职称 : 讲师 2013 年 1 月 18 日 中北大学 课程设计任务书 12/13 学年第一学期 学院：信息与通信工程学院 专业：电子信息科学与技术 学 生 姓 名： 学号： 题目：人体接近检测与报警电路 起迄日 期：2013 年 1 月 7 日2013年 1 月 18 日 课程设计地点： 指导教 师： 系主任： 下达任务书日期: 2013年 1 月 7 日 课 程 设 计 任 务 书 1设计目的： 通过本课程设计 , 主要训练和培养学生综合应用所学过的电路、低频、数字、高

2、频 等课程的相关知识，设计实用的电子电路方面的实际电路，包括：查阅资料、合理性的 设计、分析和解决实际问题的能力，电路设计工具PROTEL 的学习与应用，应用计算机 的能力，用简洁的文字 , 清晰的图表来表达自己设计思想的能力。 2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）： （1） 学习和练习电路设计PROTEL 软件， （2） 电路可把距离 /电容量转变为成比例的电压输出，利用这一思想设计电路时应包括 双比较器， XOR 门，LED 发光管等， （3） 当电压超过 2.5 伏时可以设为报警电压，也可以自己调节。 3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图

3、纸、 实物样品等： （1）画出电路图，并进行原理图的详细叙述， （2）尽量给出元器件的型号和数值， （3）尽量画出 PCB 图， （4）写出符合格式要求的设计报告。 课 程 设 计 任 务 书 4主要参考文献： 1 韩焱，张艳花，王康谊 . 数字电子技术基础 . 北京：电子工业出版社 2005 2 王黎明，毕满清，高文华 . 模拟电子技术基础 . 北京：电子工业出版社2005 3 赵辉 . Protel99电子线路 CAD. 北京：北京邮电大学出版社 2008 4 黄继昌，张海贵，徐巧鱼 . 数字集成电路应用 . 北京：中国电力出版社 2008 5设计成果形式及要求： 设计说明书及相关电路图

4、6工作计划及进度： 2013 年 1 月 7 日 1 月 9 日了解设计题目及熟悉资料； 1 月 10 日 1月 11 日确定各题目要求计算相关参数； 1 月 11日 1月 12日结合各题目确定具体设计方案； 1 月 12日 1 月 17 日结合要求具体设计并仿真、整理报告； 1 月 18日答辩。 系主任审查意见： 签字： 年月日 摘要 在当今社会，安全越来越成为人们关心的问题， 虽然人们的安全意识增强了， 但是入室盗，仓库被盗等人们不经常活动但存放重要物品的场所被盗的问题却屡 禁不止。针对这一问题我们可以设计一种人体接近自动报警系统，当有不速之客 靠近其感应区时，它会自动报警提醒它的主人，从

5、而达到人体接近报警的目的。 本次课程设计需要设计的人体接近检测与报警电路是一种当人体接近检测 电路时，该电路会产生相应的控制信号推动执行机构作出相应的动作(如信号指 示灯发光、报警装置报警等) ，该电路与电子狗等远距离接受人体发送的红外线 产生报警的电路不同，属近距离感应，感应的范围小于1m甚至低得多 ( 可调)， 使用效果很好，由于采用了集成运放MAX407 ，灵敏度理想。现在有多种不同的 接近检测方法，如电容感测、红外、超声波、光学等。对从5mm 到 300mm 范围的 接近检测， 电容式感测技术相对其它技术而言有许多优势：出色的可靠性、 简单 的机械设计、低功耗和低成本。 我们设计的人体

6、接近与报警电路是通过把距离/ 电容量转变成比例电压输 出，有四部分组成：标准方波发生电路，比较运算电路，直流电压放大电路， 滞回比较器。标准方波发生电路是由反相器、1MZ晶振及阻容元件组成的1MZ振 荡电路，它为整个电路提供时钟脉冲；比较运算电路利用MAX407 中的两个集成 运放组成比较器， 给其中一个运放输入标准方波信号作为比较对象，另一个运放 的输入信号受人体接近程度的影响； 直流电压放大电路是通过阻容元件的负反馈 实现对信号的放大作用； 滞回比较器由集成运放和晶体管构成，实现放大后的电 压和门限电压的比较。 最后通过 LED指示灯的亮暗来指示报警， 若把 LED换成继 电器，当人体接近

7、时，继电器动作，可控制其他各种执行机构，以实现各种自动 控制功能，例如：在继电器处加一蜂鸣器，即可实现蜂鸣报警，在本次设计中我 们以 LED灯来指示报警。 关键词 振荡、比较、放大、滞回比较、报警 目录 一、概述 1、设计目的 2、设计意义 二、设计内容 1、总体设计思想 2、标准方波发生电路 3、比较运算电路 4、直流电压放大电路 5、滞回比较电路 三、结果分析 1、总体电路图 2、PCB图 四、设计心得 五、参考文献 一、设计目的 1了解此自动控制电路的构造及原理。 2熟悉此自动控制电路所用的电子器件。 3运用所学数字电子技术 、 模拟电子技术知识解决实际问题，培养动 手又动脑的能力。 4

8、掌握电子电路一般的设计方法，并学习使用protel99 、multisim软件进行 电路原理图的连接， PCB图的绘制及相关的电路仿真应用。 5培养独立分析问题和解决问题的能力以及创新能力和创新思维，及将所学 知识应用到实际中去的综合能力。 设计意义 通过这次人体接近与报警电路的课程设计，可以加深我们对电子电路基础 知识的理解， 并提高综合利用课本所学知识的能力，培养了我们查阅手册、 文献、图表的自学能力， 了解与本次课题有关的电子器件的工程技术规范， 能按设计任务书要求完成课程设计，绘制电路图并修改其错误。 二、设计内容 2.1 整体设计思想 图中的集成运放、门电路、阻容元件构成人体接近探测

9、器电路，其中反向器T1、 1MHz晶振及阻容元件组成1MHz振荡器，振荡信号经T2 整形输出方波信号。用 一块 25cm2的敷铜板构成感应器，当人体靠近敷铜板时，人体相当于另一极板， 会产生随人体靠近而增大的电容，容量为 26pF。这一电容增量会使后面的IC3 输出脉冲占空比与电容增量成比例的脉冲信号。T2输出的方波一路经R3输入比 较器 IC1B，放大后加至异或门IC3 的一个输入端 ; 另一路先经 R1 、C1延时，再 由比较器 IC1A 放大后加至异或门IC3 的另一输入端，从而使异或门IC3 输出的 方波信号的占空比正比于输入电路中R1C1的延时，再经 R6 、C4滤波后产生与人 体接

10、近距离成比例的直流电压。 在实际使用中， IC1比较器自身传输延时的微小变化可能会掩盖电容C1 的微 小变化，因此本电路采用具有相同特性参数的双比较器电路，它能分辨纳秒以下 的时间差， 还能将自身的传输延时及失调电压、温度漂移等的影响抵消， 从而使 TP点输出信号电压仅正比于R1 、C1的延时。 图中电容 C1实际包括一个 33pF固定电容、25cm2 感应板对地电容和同轴电缆 输入电容三部分， 在无人接近探测器时， 上述三种电容并联之和约为48pF，它将 产生0.69R1C1=16.5ns 的固定延时 ; 当有人靠近感应板时，电容增至5054pF， 它将产生 17.318.6ns 的延时，两

11、路方波的时间差为0.8 2.1ns ，对能分辨纳 秒以下时间差的双比较器而言，是能够保证所需的转换灵敏度的。 运放 IC2A 的作用是对 TP点的直流电压提供偏置并放大，调整电位器 R11 可 以设定对应于人体接近感应板不同距离的门限值。运放 IC2B及功率放大管 Q1 构 成滞回比较器，将IC2A 输出电压放大，通过R14 的正反馈可保证Q1 迅速可靠导 通，点亮 LED 。若把 LED换成继电器，当人体接近时，继电器动作，可控制其他 各种执行机构，以实现各种自动控制功能。 2.2 标准方波发生电路 电路组成及工作原理 因为矩形波电压只有两种状态，不是高电平， 就是低电平， 所以电压比较器

12、是它的重要组成部分； 因为产生振荡，就是要求输出的两种状态自动地相互转换， 所以电路中必须引入反馈； 因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生 周期性变化， 所以电路中要有延迟环节来切丁每种状态维持的时间。图示为矩形 波发生电路，它由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。 RC回路既作为延迟环 节，又作为反馈网络，通过RC充放电实现输出状态的自动转换。 波形分析及主要参数 由于图中所示电路电筒正向充电和反向充电的时间常数均为RC ， 而且充电的 总幅值也相等，因而在一个周期内Uo=+Uz的时间与 Uo=-Uz的时间相等， Uo为 对称的方波，所以也称为该电路为方波发生电路。电容上电压Uc（

13、即集成运放 反相输入端电位Un ）和电路输出电压Uo波形如图所示。矩形波的宽度Tk 与周 期 T 之比称为占空比，因此Uo是占空比为 1/2 的矩形波。 根据电容上电压波形可知，在1/2 周期内，电容充电的起始值俄日-Ut ，终 了值为 +Ut，时间常数为 R3C ；时间 t 趋于无穷时， Uc趋于+Uz，利用一阶 RC电 路的三要素法可列出方程 )(1 3 2/ T T TZT U CR eUUU 将（1）式代入上式，即可求出振荡周期 T= 2 3 RCln 2 1 2 1 R R 振荡频率 f=1/T 。 通过以上分析可知，调整电压比较 器的电路参数 R1和 R2可以改变 Uc的幅 值，调

14、整电阻 R1、R2 、R3和电容 C的数 值可以改变电路的振荡频率。而要调整 输出电压 Uo的振幅，则要换稳压管以改 变 Uz，此时 Uc的幅值也将随之变化。 占空比可调电路 通过对方波发生电路的分析，可以 想象，欲改变输出电压的占空比，就必 须使电容正向和反向充电的时间常数不 同，即两个充电回路的参数不同。利用 二极管的单向导电性可以引导电流流经 不同的通路， 占空比可调的矩形波发生电路如图所示，电容上电压和输出电压波 形如图所示。 当 Uo=+Uz时，Uo通过 Rw1 、D1和 R3对电容 C正向充电， 若忽略二极管导通 时的等效电阻，则时间常数 CRRw 311 当 Uo=-Uz时，Uo

15、通过 Rw2 、D2和 R3对电容 C反向充电， 若忽略二极管导通 时的等效电阻，则时间常数 CRRw 322 利用一阶 RC电路的三要素法可以解出 2 1 11 2 1ln R R T 2 1 22 2 1ln R R T T=1 T + 2 T ( w R+2 3 R)Cln 2 1 2 1 R R 上式表明改变电位器的滑动端可以改变占空比，但周期不变。占空比为 3 311 2RR RR T T q w w 电路仿真效果图如下所示 3 比较运算电路 比较运算电路：比较运算电路由IC1A、IC1B、IC2 及相应的外围元件共同构成。 IC4B输出的信号一路经R5 、C5积分延时后送入IC1B

16、正端，与负端 25V电压 比较后，输出幅值为25V的方波信号 u3；u1 另一路经 R3及由 C3、同轴电缆 对地电容、 25cm2感应板对地电容共同构成的电路(在无人体接近探测仪时，上 述三电容的和约为48pF)积分延时后， 送 IC1A 的正端，同样与其负端所接25V 恒定电压比较后输出方波信号u2。为了保证上述方波信号在无人接近时的波形 完全一致，笔者设计电路时选择C5的值也为 48pF。 下面我们对无人靠近探测仪和有人靠近的两种情况分别进行电路分析。 无人靠近时，因电路的对称性，u2与 u3的输出波形完全相同，这两信号送给异 或门 IC2 的两输入端，经运算后输出u0=0，则后续电路不

17、动作。当有人靠近时， 由 C3 、同轴电缆对地电容、 25cm2感应板对地电容共同构成的电路电容总值将增 加，经运算可知，积分电路将会使得输出信号u2 产生一个向后的延时，而u3 的波形仍然不变，故u2、u3 送 IC2 运算后，其输出 u00，人靠得越近，则u0 输出脉冲越宽。 IC2 输出信号 u0 经 R9、C7滤波后，产生与人体接近距离成比例的直流电压，运 放 IC3A 对该电压进行放大， 凋整电位器 RP可以设定对应于人体接近感应板不同 距离的门限值； 运放 IC3B 及功率放大管 VT1构成滞回比较器， 将 IC3A输出电压 放大，通过 R17的正反馈可保证 VT1迅速可靠导通，点

18、亮发光管VD2 。整机电路 如附图所示。 附图所示电路是对信号指示灯VD2的通断进行控制， 若将 VD2换成 继电器，用继电器去控制其他各种执行机构，就可以实现各种自动控制功能。 4 直流电压放大电路 运放 IC2A 对 TP1 点直流电压提供偏置并放大，该电压对应于手和感应板之间的 距离，手移向感应板时会引起TP1 点和 TP2 点电压的增高。采用负反馈电路，改 变共模抑制比，从而对电路进行放大，运放是一个开环放大倍数极大的放大器， 两个输入端“”、 “”之间只要有微小的电压差异，就会使输出端截止或者饱 和。而输入端的输入电阻非常大，可以认为不需要输出电流。 如果将运放接成闭 环电路，则运放

19、的放大倍数等于（Rf+R2)/R2. 因为可以理解运放的“”端的电 压永远等于“”端的，而“”端的电压等于Vi（R1 上无电流，也就无压降） ， 而 “”端的电压又等于 Vo在 Rf 和 R2 上的分压，所以有：ViV0R2/(Rf+R2) ， 即：VoVi(Rf+R2)/R2 5 滞回比较电路 滞回比较器又称施密特触发器, 迟滞比较器。 这种比较器的特点是当输入信号u i 逐渐增大或逐渐减小时，它有两个阈值，且不相等，其传输特性具有“滞回” 曲线的形状。 滞回比较器也有反相输入和同相输入两种方式。 UR是某一固定电压，改变UR值能改变阈值及回差大小。 1，正向过程 正向过程的阈值为 形成电压

20、传输特性的abcd 段 2，负向过程 负向过程的阈值为 形成电压传输特性上defa 段。由于它与磁滞回线形状相似，故称之为滞回电压 比较器。 利用求阈值的临界条件和叠加原理方法，不难计算出图4(b) 所示的同相滞回比 较器的两个阈值 两个阈值的差值 UTH=UTH1UTH2 称为回差。 由上分析可知，改变R2值可改变回差大小，调整UR可改变 UTH1和 UTH2 ，但不 影响回差大小。即滞回比较器的传输特性将平行右移或左移，滞回曲线宽度不 变。 在本次设计中的滞回比较电路部分如下图所示： 三、结果分析 1、总体电路仿真图如下： 2、PCB 图如下： Topoverlay 四、设计心得 通过查找

21、资料， 结合书本中所学的知识， 完成了课程设计的内容。 把书中所学的 理论知识和具体的实践相结合， 有利于我们对课本中所学知识的理解，并加强了 我们的动手能力。 在课程设计之前， 我们通过各个渠道查找资料后分析验证，经 过多次的修改和整理， 作了如上的设计思路。 虽然这次设计一开始是按照设计要 求去完成的，但由于在实际操作中， 出现了比较大的问题， 导致以上的准备资料， 在实际操作中都未能派上用场。在这次的课程设计过程中， 我懂得了很多， 课程 设计不光是让我们去“设计” ，更重要的是培养我们的能力！通过本次课程设计 使我对通信电子线路又有了进一步的了解，增加了对所学知识的应用。 在设计时 我

22、们根据课题要求， 复习了相关的知识， 还查阅了相当多的资料， 这也在一定程 度上拓宽了我们的视野， 丰富了我们的知识。 通过这次人体接近与报警电路的课 程设计，可以加深我们对电子电路基础知识的理解，并提高综合利用课本所学知 识的能力，培养了我们查阅手册、文献、图表的自学能力，了解与本次课题有关 的电子器件的工程技术规范。 五、参考文献 1 韩焱，张艳花，王康谊 . 数字电子技术基础 . 北京：电子工业出版社2005 2 王黎明，毕满清，高文华. 模拟电子技术基础 . 北京：电子工业出版社2005 3 赵辉 . Protel99电子线路 CAD. 北京：北京邮电大学出版社 2008 4 黄继昌，张海贵，徐巧鱼. 数字集成电路应用 . 北京：中国电力出版社 2008