入侵报警器的设计与制作

一、系统组成及工作原理
1．主要元器件
LM324、74HC00、NE555各一只，语音/音乐片自选一片，喇叭一个，φ3红外发光管LED。φ3红外光敏三极管各三只以及电阻电容等。光敏三极管灵敏度高，适合光电遥控；光电二极管灵敏度较低、频带带宽高,适合通信。一体化红外接收头的工作频率固定为38kHz。本设计在单路警戒时选择频率为5kHz，双路警戒时，选择频率为3.3kHz/5kHz，38kHz固定工作频率不能适应多路要求，所以未选用一体化红外接收头。
2．工作频率的选择
照明用的白炽灯、荧光灯产生的干扰为低频信号，遥控器为38-40kHz．故将报警器的工作频率设置为5kHZ和3kHz两种，既可远离干扰，又有利于用普通指针式万用表交流挡来进行测试。另外，实验证明，光敏三极管在5kHz,频率F，最大负载为10kΩ~20kΩ时，灵敏度较高，如果再降低频率，负载电阻因杂散背景光的原因不能再增加，灵敏度不能继续提高。
如果将频率升高到20kHz，20kΩ负载的光敏三极管充放电速度跟不上，信号有衰减，必须要减小负载电阻到1kΩ~2kΩ以提高充放电速度，这样，灵敏度就降低10倍。另外，20kHz的放大器也较难做。

3．工作原理
如下图所示，红外发射管发出一束光到达远处接收管，当两管中心相对时，产生约1mV、5kHz交流信号，经过高通滤波放大，使50～100Hz的干扰信号比正常信号衰减1万倍以上。再经过低通滤波放大，使40kHz的干扰信号比正常信号衰减几百倍以上，5kHz信号放大到近2000倍。这时，信号超过放大器线性放大范围，被限幅为梯型波。经过检波输出的直流电压超过2V。此电压与没定电压Vf比较，如果大于Vf.认为光照正常，不报警，如果小于Vf,则表示有物体挡光，启动报警控制电路。报警的条件是：电子钥匙不存在，鼠光照正常发生过低的过程，信号被锁存器，驱动／音乐片报警。一旦电子钥匙插入，信号锁存器复位，禁止报警，适合自己人活动情况。本设计在放大倍数和起报点设定电压上都留有余量。还可以选用不同的报警音乐片，自制不同的电子钥匙，给读者留有自由发挥的空间。

4．工作原理分析
(1)红外发射器
红外发射器电路如下图所示。时基电路NF555接成自激振荡器，其②脚⑥脚的三角波在1／3VCC到2/3Vcc之间变化。当②、⑥脚电压=1.3Vcc时，Vcc通过R1、R2对C1充电，③脚输出高电平。经过0.693(R1+R2)C1时间后，②、⑥脚电压升到2/3Vcc，这时，③脚输出翻转为低电平，⑦脚对地导通，C1通过R2放电，经过0.693×R2C1时间，②、⑥脚电压降至1/3Vcc，③脚又输出高电平，如此循环。图中可以看出，③脚输出高电平时间长、输出低电平时间短周期是两者之和。本例中，R2选用11.2kn时实测频率刚好5kHz。NE555③脚的驱动能力很强，本例中R3=510n，有15mA的低电平电流驱动LED。如果要进一步加强发射，可以把R3减至270Ω。

(2)红外接收放大器
红外接收放大器电路如下图所示。VT1受光后，输出信号电压1mV，C1，R2，R3构成第一级高通滤波器。那么，C1、R2、R3的参数是如何得出的呢？是根据经验。对于交流信号而言，R2和R3是并联的，等效电阻约为250kΩ。如果C1在某频率下的容抗等于250k，信号就衰减到70%。若希望5kHz信号能大部分通过，在5kHz×70%=3.5kHz频率信号开始衰减，你只要记住10kHZ100pF电容器的容抗160kQ，频率÷2=5k，电容×2=200p，容抗不变，仍是160kΩ。频率再降低70%容抗加大l/70％，约为230kΩ，频率再低一点就能满足要求。设C1用200pF，70%衰减点约在3.2kHz。R4、R5、C2在反馈回路中引入第二级高通。当频率很高时，C2近似短路，放大倍数为1+R5/R4，约22.5倍；当频率很低时，C2不通，①脚l00％负反馈到②脚，放大倍数为1。C2的容抗是与R5相比较的，套用刚才的计算，电容加大5倍，取100Op，250kΩ电阻减小5倍，取51kΩ。实测第一级在5kHz时放大19倍，3kHz信号衰减超过50％，100Hz信号几乎看不到。R6、C3构成低通滤波器，取5kHz的1.4倍7kHz为衰减点，已知10kHZ100pF电容器的容抗为160kΩ，7kHZ100pF电容器的容抗=160kΩ,/0.7=224kΩ,220pF电容器的容抗比100pF缩小2.2倍，为100kΩ，所以R6、C3的值分别为100kΩ、220pF。R7，R8，C4构成高通滤波，与R4、R5、C2完全相同。实测一、二级在5kHz时总放大300倍，第三级LM324放大任务是6～7倍，总倍数达2000倍。这是一个加有C6正反馈的一个二阶低通滤波器。峰点要求5kHz，在峰值点容抗等于阻抗，正反馈系数是1/3。已知10kHZ100pF电容器的容抗160kΩ，50kHZ100pF容抗加倍为320kΩ．5kHz560pF电容器的容抗乘5.6倍为57kΩ取56kΩ。R1l，R12+R13//R14构成负反馈，必须限制直流放大倍数在3以内，超过3会自激振荡。这里直流放大倍数为2.57，实测5kHz总放大倍数为1920倍。第三级放大器输出经过C7耦合，D1、D2检波，在R16上形成直流电压。在没有发射信号时，杂音也会有检波电压，不过小得多。第四级LM324接成比较器方式，检波电压和R15/R17分压电压Vf比较，检波电压大大超过Vf,输出高电平约3.5V，表示“光照正常”。发射信号被阻挡，输出低电平约1.5V。下图中AVce接5V。

(3)报警控制电路
电路如下图所示，其中DVcc与AVcc接在一起接+5v。U1_4、U1_3构成锁存器，平时（即光照正常时），(13)、(12)脚都是高电平，(11)、(10)脚为低电平，⑧脚输出高电平，U1-l作反相器用，③脚输出低电平，U2不工作。当“光照正常”信号消失时，(13)脚变低，U1_4(11)脚变高，U1_3⑧脚变低，U1_4(12)脚也为低。也就是说，无论此后“光照正常”信号有没有，曾经为低的情况将被锁存，U1_3输出⑧脚一直为低，通U1-1③脚输出高，驱动报警音乐片KD5608发出狗叫声。读者也可以自由发挥，制作出不同的报警效果。
U1_2的两个输入端分别接两只光敏三极管，一只上拉，一只下拉。因为在暗处工作，负载电阻可以取大一点，以提高灵敏度。不论全有光照还是全无光照，U1_2的输入端总有一个为低，其⑥脚输出为高。最好设置背景A处为黑，背景B处为白，使④、⑤脚都为低。电子钥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无光（即将电子钥匙插入），U1_2的④、⑤脚均为高，⑥脚输出低，维持延迟O.ls后，U1_3的⑨脚持续为低，⑧脚恒高，不管“光照正常”信号有没有，都不能报警，并建立U14(12)脚为高的初始态。电子钥匙的设计可以多种多样，也不局限于A,B两个逻辑点，可以发挥创造力。
D4、D5、D6的正向压降为3V，正好为U2KD5608供电(3V)。注意：许多音乐片误用SV电源供电，导致声音不对且芯片发热，要注意降压使用。但扬声器可以接到5V电源。
U1_3脚输出的控制信号的高电平也是SV，为了避免损坏U2，故串联了一只电阻R15。

二、装配与调试
1．装配
上图是接收器的安装图。整个接收器装在墙式电源插线盒中，如国图所示。通用板的装配技能也是电子技师、工程师的基本功。下图(略)展示了三种样品（不是同一线路）。
右边采用立体多层交错布线，不易查错，因信号的相互干扰大，很难调好。中间的是平面裸线布线，焊点粗糙，所占面积较大。
左边是台湾某公司为了验证设计（IC为主，元件较少），请电子制作专家加急焊接并寄给笔者的，该板焊点特别漂亮、布线整齐规则。安装所用的线是美国“OKIndustriesInc”
AWG30(美制线规)单芯氟塑料被覆安装线。
制作时宜先做发射，后做接收。发射总共8个元器件，不难做。因为红外发射看不见，要用万用表交流挡（如果指针表要在红笔中串入一只0.1LLF的电容器）测IC1③脚和①脚（地线，接黑笔）间有5.7V交流电，R3两端有5.2V交流电。如只有前者没有后者，请将红外LED反过来试试。如果5.7V也没有，说明不起振，往往是R1、R2、C1回路有问题。发射调好后，用发射管紧对着接收板的VT1，则数字表交流挡可以在C1两端测到电压。至少要有AC0.5V电压。如全无，改用DC挡，测VT1两端，用手挡住外界杂散光，读数会变化（如4.70—4.99）。如无变化，请将VT1两极反过来试试。单独将VT1插入万用表晶体管挡NPNC、E，光照hFE有读数为VT1极性正确，接E的极接地，接C的极接图3的电容器C1。光敏晶体管调好后，要花主要力量调运算放大器。
2，用数字万用表进行运放直流工作点的检测
测量交流特性之前必须保证直流工作点正常。对于单电源5V的LM324来说，只有①、⑦、⑧脚输出电压在电源一半左右才能正常工作。实际量电源是4.8V，输出电压约2.4V。如果不是，肯定电路有问题。到底是输入端断路还是输出端有短路，最迅速的检测方法是短路①、②脚测①脚，短路⑥、⑦脚测⑦脚，短路⑧、⑨脚测⑧脚。以①、②脚为例，测①脚为3.5V(高)，短路①、②脚测①脚为2.5V，不用查③脚，测②脚电压，如读数为0.17V，测R5两端：0/0.17证明C2短路。如短路①、②脚测①脚仍为3.5V，先不用查②脚，测③脚电压，读数为4.9V，可能R3开路或C1短路。测试原理是，短路①、②脚意味着100%反馈，将运放接成跟随器，能跟随是一种情况，不能跟随或跟随错误是另一种情况。很快就把故障范围缩小到几个元件内。
3．用数字万用表交流挡测量接收放大器
先将发射管紧对着接收板的y＇ri，逐步移远。测①、⑦、⑧脚输出电压，应该逐级变大。当然达到AC1.5V后不能继续加大是正常的。如果某一级放大不足，应检查电容器（因为直流工作已经正常，电阻没有问题）。例如，C2虚焊或容量太小，第一级放大就不能达到19倍。
4．交流自激问题的解决
关闭发射，一旦测出输出端常有AC1.5V，就是自激。如果发生自激，检查电源退耦电容C9接好没有？R1l/R12是否大子27布线是否太乱？实在不行，只能一级一级地拆。交流自激是放大器最难解决的问题。设计单级放大倍数过大、放大级数过多是主要原因，、笔者先前曾设计成放大7000倍，结果发生输出总有信号的问题，用示波器观测，是一种噪声干扰经过选频，正好5kHz过来了，不像自激又类似自激。最后将发大倍数降到3000倍就好了。这次设计的放大倍数为2000倍，是很保险的。有一次我将发射器和接收器共用一个5v电源，自激问题一直找不出来。后来将发射器单独供电就解决r。
三、供电问题
报警器需要长期接入电源，因此必须考虑发热、体积和节能等问题。
小功率变压器效率低，体积较大，优选用类似手机充电器那样的小功率开关电源作为接收电源，而且有现成的手机线充可以用。发射部分电流消耗是恒定的，一旦调好与人接触少，可以考虑电容采用降压方案（调试要注意安全）。用0.22μF630V耐压的电容降压、桥式整流及9V0.5W稳压管稳压共三个元件就可以了。有经验的设计者往往会在0.22uF电容上并联一只1MΩ的泄放电阻，串联一只0.5Wl00Ω的限流电阻。