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河南城建学院本科课程设计
摘要
摘 要
报警器是一种为防止或预防某事件发生所造成的后果，以声音、光、气压等形式来提醒或警示我们应当采取某种行动的电子产品。报警器(alarm)，分为机械式报警器和电子报警器。随着科技的进步，机械式报警器越来越多地被先进的电子报警器代替，经常应用于系统故障、安全防范、交通运输、医疗救护、应急救灾、感应检测等领域，与社会生产密不可分。如今，光电报警器已经广泛应用到工农业生产、自动化仪表、医疗电子设备等领域本实验的设计借助于模拟电路和数字逻辑电路，采用模块化的设计思想，使设计变得简单、方便、灵活性强。电路简单容易实现，工作稳定，因此得到了广泛的应用。
本次设计的光电报警器是报警器和光耦结合的小小的结合，但它可以运用到各种生产线上，如纺纱工业的监测各个丝线的有无断点，并加以提示，也可以稍加改进，让其能够计数，记录生产进度，安全性能高，节约了人力资源，并且不易出错，还能运用到人力不能监测的环境。可见光电报警器的运用能延伸到各个行业。
关键词：报警器，机械式报警器，光电报警器
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第一章．课程设计内容.........................................................1 1.1课程设计概述.........................................................1 第二章．光电越限报警器设计内容...............................................2 2.1总体方框图和总体设计方案.............................................2 2.2电路各模块及原理.....................................................3 2.2.1振荡电路...........................................................3 2.2.2功放电路...........................................................4 2.2.3光电转换器电路.....................................................5 2.3电路整体设计.........................................................7 2.4电路设计遇到的困难...................................................7 第三章.实际运用.............................................................8 心得体会....................................................................11 基本注释：..................................................错误！未定义书签。参考资料....................................................................12
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第一章．课程设计内容
1.1课程设计概述
• 设计时间及地点： 1.时间：第15周 2.地点：9#A407 3.人数：83 • 任务选择： 光电越限报警器
• 背景：
越限报警为遥测量超过了预先设定的数值，一般为了便于监视设备的运行工况，而设定一个运行上限或下限值。在后台机发出越限报警后，应根据报警的内容及时进行调整。在这此场所若安装光电越限报警器，当有人超越规定的界限时，立即发出报警，就能引起人们的注意，有利于保护文物或减少事故。实用的光电报警器，需要有适合的光学系统，本课题仅要求设计电路系统，至于光学器件仅做模拟实验即可。
本课程设计所设计的光电越限报警器主要用于博物馆的文物保护，其主要用于小型文物保护，其设计也为小器件，宽*高：102*157mm，主要安装在玻璃柜内部。
（1）设计要求及技术指标
设计一个光电报警器，具有一下两种功能之一：
有光照时，在一个1/4W，8欧姆的喇叭上发出音频（1000HZ左右）报警信号，无光照时不发出信号；（本电路设备光照是由电路中电流大小决定光照强弱，其光电耦合成器一般使用为红外线）
无光照时发出音频警信号，有光照时不发出信号。（2）要求完成的任务
设计电路，并进行安装调试 河南城建学院本科课程设计
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第二章．光电越限报警器设计内容
2.1总体方框图和总体设计方案
光电报警系统是一种重要的监视系统。目前其种类日益增多。有对飞机、导弹等军事目标入侵进行的报警系统；也有对机场、重要设施或危禁区域防范进行报警的系统。红外报警系统是各种报警器中使用最多的一种,光电探测系统。本设计需要的有：振荡器，放大器，光电管，为产生所需音频信号须有振荡器；为了产生所需的闪烁信号，就必须有一个振荡器；为了有足够的功率去推动喇叭，就必须有一个功率放大器；为了用光照来进行控制，就必须用一个光电管以及与之有关的一些线路。可以用光电管线路来控制振荡器的输出是否加到功率放大器上去,这种设计下可得到的方框图。
图2-1 光电越限报警器原理框图 河南城建学院本科课程设计
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2.2电路各模块及原理
2.2.1振荡电路
振荡器：是用来产生重复电子讯号（通常是正弦波或方波）的电子元件。其构成的电路叫振荡电路。能将直流电转换为具有一定频率交流电信号输出的电子电路或装置。种类很多，按振荡激励方式可分为自激振荡器、他激振荡器；按电路结构可分为阻容振荡器、电感电容振荡器、晶体振荡器、音叉振荡器等；按输出波形可分为正弦波、方波、锯齿波等振荡器。广泛用于电子工业、医疗、科学研究等方面。由运放构成正弦振荡电路，可以产生一定频率的正弦波，正弦波振荡电路产生的音频信号可以送到后端的功放进行放大并发声报警
图2-2振荡电路图
电感的感抗RL=2πfL，电容的容抗Rc＝1/2πfC。
式中交流电的频率f的单位为Hz（赫兹），电感的单位为H（亨），电容的单位为f（法拉）。河南城建学院本科课程设计
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当电感的感抗等于电容的容抗时，该交流电的频率就是LC振荡电路的振荡频率，即：
RL=2πfL＝Rc＝1/2πfC，整理后可得到公式 f^2＝1/（4π^2CL)，即LC振荡电路的频率： LC振荡电路的频率公式是 f＝1/（2π√（CL))f=1/[2π √(LC)] 分母是周期
电感越大，频率越小，当然是在其他条件不变的情况下。
2.2.2功放电路
功率放大器：简称“功放”，是指在给定失真率条件下，能产生最大功率输出以驱动某一负载（例如扬声器）的放大器。功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的β倍，β是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的β倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流（或电压）是原先的β倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流放大，就完成了功率放大。用三极T3构成功率放大器用于放大音频喇叭发声
图2-3功放电路图
功率放大电路在多级放大电路中处于最后一级，又称输出级，其任务是输出足够大的功率去驱动负载，如扬声器、伺服电动机、指示仪表等。从能量控制的观点来看，功率放大电路与电压放大电路没有本质的区别，但由于功率放大电路的任务是输出功率，通常在大信号状态下工作，所以功率放大电路与电压放大电路相比，功率放大电路又有一些新的特点：
1.输出功率大 河南城建学院本科课程设计
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为了获得大的功率输出，功放管的输出电压和电流的幅度足够大，往往在接近极限状态下工作。
2.效率高
由于输出功率大，因此直流电源消耗的功率也大，这就存在一个效率问题。所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值。
3.非线性失真
功率放大电路是在大信号下工作，通常工作在在饱和区与截止区的边沿，所以不可避免地会产生非线性失真。
4.三极管的散热
功率放大器在输出功率的同时，三极管消耗的能量亦较大，为了充分利用允许的管耗而使三极管输出足够大的功率，三极管的散热就成为一个重要问题。
5.性能指标
以分析功率为主，主要计算输出功率、管子消耗功率、电源供给的功率和效率。
此外，在分析方法上，由于三极管处于大信号下工作，通常采用图解法。
2.2.3光电转换器电路
光电传感器：将被测量的变化通过光信号的变化转化成电信号
光电管：基于外光电效应的基本光电转换器件。光电管可使光信号转换成电信号。光电管分为真空光电管和充气光电管两种。光电管的典型结构是将球形玻璃壳抽成真空，在内半球面上涂一层光电材料作为阴极，球心放置小球形或小环形金属作为阳极。若球内充低压惰性气体就成为充气光电管。光电子在飞向阳极的过程中与气体分子碰撞而使气体电离，可增加光电管的灵敏度。用作光电阴极的金属有碱金属、汞、金、银等，可适合不同波段的需要。光电管灵敏度低、体积大、易破损，已被固体光电器件所代替。光电转换器件可采用普通的光电管在参考电路中用的是光电耦合器，可用开关s控制是否有光照，不用另置光源，这样实验方便 河南城建学院本科课程设计
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图2-4光电转换电路图
光电转换器件可采用普通光电管，在参考电路中用的是光电耦合器。可用纸张遮挡控制是否有光照，不用另置光源，这样实验比较方便
在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。
光电耦合器主要由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。光的发射部分主要由发光器件构成，发光器件一般都是发光二极管，发光二极管加上正向电压时，能将电能转化为光能而发光，发光二极管可以用直流、交流、脉冲等电源驱动，但发光二极管在使用时必须加正向电压。光的接收部分主要由光敏器件构成，光敏器件一般都是光敏晶体管，光敏晶体管是利用 PN 结在施加反向电压时，在光线照射下反向电阻由大变小的原理来工作的。
光的信号放大部分主要由电子电路等构成。发光器件的管脚为输入端，而光敏器件的管脚为输出端。工作时把电信号加到输入端，使发光器件的芯体发光，而光敏器件受光照后产生光电流并经电子电路放大后输出，实现电→光→电的转换，从而实现输入和输出电路的电器隔离。由于光电耦合器输入与输出电路间互相隔离，且电信号在传输时具有单向性等优点，因而光电耦合器具有良好的抗电磁波干扰能力和电绝缘能力。河南城建学院本科课程设计
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2.3电路整体设计
图2-5电路整体设计图
由运放构成正弦波震荡电路，可以产生一定频率的正弦波；光电转换器件可采用普通的光电管，在参考电路中用的是光电耦合器。另外，可用开关s控制是否有光照实验比较方便。有三极管 T3 构成功率放大器放大音频信号，使喇叭发声。工作时，如开关断开，相当于无光照，t1 t2同时截止，正弦振荡器产生音频信号则使喇叭发声报警；开关闭合相当于有光照则t1t2同时饱和导通，正弦波振荡电路产生的音频信号就不能送到后端进行放大，也就不能发生报警。
2.4电路设计遇到的困难
电路设计从一开始的毫无头绪到后来借鉴他人，明白了自己在这方面还存在着许多的问题，在基础知识储备不足，很多地方都无法设计只能参考他人，此次设计时,遇到许多问题：首先，在电路图的连接中,因为对于电路原理不很掌握，所以在连接时有时会连接错误。其次，对芯片某些引脚的功能了解的不够透彻,导致在设计电路时出现了接线错误。除此之外在对电阻电容的挑选上,有时会因阻值、容值的选择不当，而出现错误，从而使整个设计不够完美。但这些问题都即时的得以解决。河南城建学院本科课程设计
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第三章.实际运用
可以根据此电路图应用到实际中去，红外发射管都用那种远程的功率大，距离远，还可以扩展到多路的数字显示，应用广泛，报警电路也可以改进发出不同的声音。可以说是十分有利用价值。
例如用在博物馆里，最多的其实还是红外线报警器，这种报警器比较特别，我们从名字就知道和我们家里所用的报警器是不一样。红外线报警器是依靠红外线来报警，他的功能也是防盗报警，与一般的报警器无异。只要有人进入了红外线的扫描区的话，红外线就会感应到，这时候防盗报警系统就会自动的运行了，鸣笛声就会响起，这是提示人们有人进入了。
红外报警器分主动式和被动式两种。主动式红外线报警器，是报警器主动发出红外线，红外线碰到障碍物，就会反弹回来，被报警器的探头接收。如果探头监测到，红外线是静止不动的，也就是不断发出红线线又不断反弹的，那么报警器就不会报警。当有会动的物体触犯了这根看不见的红线的时候，探头就会检测到有异常，就会报警。
博物馆常用的防盗报警设备有闭路电视系统、监听系统、光栅报警系统、感温报警系统、超声报警系统、微波报警系统等，此外尚有附装在门窗、橱柜或直接目的物上的电容报警、电线断路报警等装置。博物馆的保卫防范是根据博物馆的性质、藏品的珍贵程度，以及馆区内各部位不同防范要求，分别制定的。以收藏历史文物的大型博物馆为例，在既要确保重点要害部位，又要照顾一般的前提下，可以将防范要求规定为：不得漏报，监视器通过录像系统及时监视罪犯行动，并即时制作成录音录像；或要求报警器不得漏报，监视器通过摄像机监视罪犯在现场的行动；或只要求报警准确率在90%以上，或在70%以上等。博物馆监控室的电子计算机通过自动打印机及时记录报警器每次报警时间及报警器编号，随后输入人工处理情况的记录，作为保卫防 河南城建学院本科课程设计
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范资料入档保存。
为了提高保卫报警的有效率和准确性，防止报警系统被破坏，博物馆应根据不同防范要求，选用两种或两种以上的防范报警系统，以备一种系统失效另一系统能继续准确报警。但是运用任何最先进的防盗报警设备,都必须要有合理的保安制度和严密的保安组织配合，才能确保博物馆的安全。
图3-1简易安装示图 河南城建学院本科课程设计
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图3-2现场效果图 河南城建学院本科课程设计
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心得体会
平常需要认真对待每堂课，电路实验，作为一门实实在在的实验学科，是电路知识的基础和依据。它可以帮助我们进一步理解巩固电路学的知识，激发我们对电路的学习兴趣。在大一上学期将要结束之际，我们进行了一系列的电路实验，从简单的戴维南定理到示波器的使用，再到回转路-----，一共五个实验，通过这五个实验，我对电路实验有了更深刻的了解，体会到了电路的神奇与奥妙。
不过说实话在做这次试验之前，我以为不会难做,就像以前做的实验一样，操作应该不会很难，做完实验之后两下子就将实验报告写完，直到做完这次电路实验时，我才知道其实并不容易做。它真的不像我想象中的那么简单，天真的以为自己把平时的理论课学好就可以很顺利的完成实验，事实证明我错了，当我走上试验台，我意识到要想以优秀的成绩完成此次所有的实验，难度很大，但我知道这个难度是与学到的知识成正比的，因此我想说，虽然我在实验的过程中遇到了不少困难，但最后的成绩还是不错的，因为我毕竟在这次实验中学到了许多在课堂上学不到的东西，终究使我在这次实验中受益匪浅。
另外从这次实验又再一次复习了一些电路知识，并通过课程设计明白了任何设备的实际运用都离不开实验，只能从基本的基础开始设计，并开始将理论知识与设计图相结合，使其符合设备环境要求，然后开始投入实验当中，并不断从试验中，寻找出设备的不足之处并加以改正。另外明白了一个设备的运用离不开与环境的相结合，不能一味的追求设备的优越性，在某些方面我们需要舍弃掉设备的外观，多余的功能等一些可能导致设备可靠性降低的方面。河南城建学院本科课程设计
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参考资料
1.2.3.4.张乃禄 安全检测技术[M] 西安电子科技大学出版社出版 2007年 华成英 模拟电子技术基础[M] 高等教育出版社出版 2005年 陈黎敏 传感器及应用[M] 机械工业出版社出版 2009年 王毓银 脉冲与数字电路[M] 中国铁道出版社出版 1992年
