电工设计报告

题目感应式自动门铃设计
课程名称电工电子综合设计
院部名称智能科学与控制工程学院
专业自动化
班级 15自动化1
学生姓名徐阳东、魏铭、胡维波
课程设计地点C105
课程设计学时 2周
指导教师余振中
金陵科技学院教务处制
一、目的和意义
电工电子综合设计是通过设计一个完整的电工电子应用电路，来考察学生对大学前两年学过的电工学、电子学等课程的一个中期性总结，使学生初步掌握对专业基础知识的综合应用，初步培养学生一定的设计能力和创新能力，并提高学生的动手实践能力，为后面专业课程的学习打下扎实的分析问题、解决问题的能力。

二、课程设计任务及要求
1.利用学过的专业课程，包括大学物理、电路分析、电子技术等专业基础课程，设计一个完整的电工电子应用电路，该电路能实现弱电控制强电，并具有一定的实用性和趣味性；
2.深刻理解课题要求，可用不同方案来实现电路功能，体现一定的创新性；
3.设计初期,要求提交一份选题报告,选题报告里要体现出所选题目的基本原理、小组分工、进度安排及主要元件清单和经费预算。

4.设计结束，要求提交一份设计说明书和所作的电子电路硬件实物，并要求进行PPT的制作和现场答辩。

三、总体方案与原理说明
当有客人来到门前时，热释电传感器将检测到人体的辐射红外线转变成电信号，经IC1红外热释电传感器内部放大、鉴幅等处理后，其第二脚输出高电平信号，由晶体管VT倒相后，触发单稳态触发器IC2翻转，超低频振荡器IC3和音频振荡器IC4工作，扬声器BL发出3声“嘟——”的声音。

四、单元电路说明
1.热式电式红外探头
热式电式红外探头是一种被动式红外检测器件，能以非接触方式检测出人体发出的红外辐射，并将其转化为电信号输出。

同时，热式电红外探测头还能够有效地抑制人体辐射波长以外的红外光和可见光的干扰，具有可靠性高，使用简单方便，体积小，质量轻的特点。

热释电效应及原理。

在自然界，任何高于绝对温度（-273K）的物体都将产生红外光谱，不同温度的物体释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的，而且辐射能量的大小与物体表面温度有关。

当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。

通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。

当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度，图1表示了热释电效应形成的原理。

热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。

它由陶瓷氧化物或压电晶体组件组成，组件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有ΔT的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱电压ΔV。

能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电组件，其常用的材料有单晶(LiTaO3 等)、压电陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）。

当以LiTaO3为代表的热释电材料处于自极化状态时，吸收红外线入射波后，结晶的表面温度改变，自极化也发生改变，结晶表面的电荷变得不平衡，把这种不平衡电荷的电压变化取出来，便可测出红外线。

热释电材料只有在温度变化时才产生电压，如果红外线一直照射，则没有不平衡电压，一旦无红外线照射时，结晶表面电荷就处于不平衡状态，从而输出电压。

热释电红外线传感器因红外光线的照射与遮挡得到或失去热量，从而产生电压输出。

从原理上讲应与波长无关，但由热释电材料做成的传感器有一个透光窗，而透光窗的选材与波长有关系。

如以SiO2为窗材的传感器，它可以透过几乎全部的可见光，而有的窗材只能通过4μm附近波长的光，有的能透过6.1μm波长的光，有的能透过8μm~14μm波长的光，所以使用不同的窗材就可确认是哪个波长的光产生的热。

1.1热释电红外传感器内部结构
热释电红外传感器内部由光学滤镜、场效应管、红外感应源(热释电元件)、偏置电阻、EMI 电容等元器件组成，其内部电路框图如图2所示。

图2 热释电红外传感器内部电路框图
光学滤镜的主要作用是只允许波长在10μm左右的红外线(人体发出的红外线波长)通过，而将灯光、太阳光及其他辐射滤掉，以抑制外界的干扰。

红外感应源通常由两个串联或者并联的热释电元件组成，这两个热释电元件的电极相反，环境背景辐射对两个热释电元件几乎具有相同的作用，使其产生的热释电效应相互抵消，输出信号接近为零。

一旦外界温度变化时，红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元件接收，由于角度不同，两片热释电元件接收到的热量不同，热释电能量也不同，不能完全抵消，经处理电路处理后输出控制信号。

热释电效应同压电效应类似，是指由于温度的变化而引起晶体表面电荷的现象。

热释电红外传感器由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极，在传感器监测范围内温度有△T的变化时，热释电效应会在两个电极上产生电荷△Q，即在两电极之间产生一微弱的电压△V。

由于它的输出阻抗极高，在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。

热释电效应所产生的电荷△Q 会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，△T=O，传感器无输出
2.控制电路
控制电路是由555时基电路IC2构成的但稳态触发器。

当热式电传感器检测到人体红外线辐射时，触发单稳态触发器翻转为暂态，IC2输出脉宽约为6s的高电平，使后续声音电路IC3,IC4工作。

6s过后，IC2恢复到稳态，输出为”0”，声音电路停止工作。

555时基电路引脚解析
凡是时基电路555，电路内部结构相同，性能都是相同的。

时基电路555有很多厂家型号，如MC555、CA555、XR555、LM555等；国产型号有SL555、FX555、5G1555等，典型的、也是最常用的是NE555。

555前的字母只表示生产厂家。

555时基电路是一种用途较广的精密定时器，可用来发生脉冲、作方波发生器、自激振荡器、定时电路、延时电路、脉宽调制电路、脉宽缺少指示电路、监视电路等。

其工作电压为5～18V，常用10～15V，最大输出电流200mA，可驱动功率开关管、继电器、发光管、指示灯、，做振荡器
时，最高频率可达300kHz。

555时基电路比较简单，内部集成了21个晶体三极管、4个晶体二极管和16个电阻组成了两个电压比较器、一个R-S触发器、一个放电晶体管和一个由3只电阻组成的分压器。

图中上比较器A1和下比较器A2是由两个高增益的电压比较器，VT为放电三极管，3个电阻R1、R2、R3阻值都是5kΩ，是3个5组成，时基电路555名称由此而来。

555的8脚是集成电路工作电压输入端，电压为5～18V，以UCC表示；从分压器上看出，上比较器A1的５脚接在R1和R2之间，所以5脚的电压固定在2UCC/3上；下比较器A2接在R2与R3之间，A2的同相输入端电位被固定在UCC/3上。

1脚为地。

2脚为触发输入端；3脚为输出端，输出的电平状态受触发器控制，而触发器受上比较器6脚和下比较器2脚的控制。

当触发器接受上比较器A1从R脚输入的高电平时，触发器被置于复位状态，3脚输出低电平；
2脚和6脚是互补的，2脚只对低电平起作用，高电平对它不起作用，即电压小于1Ucc/3，此时3脚输出高电平。

6脚为阈值端，只对高电平起作用，低电平对它不起作用，即输入电压大于2 Ucc/3，称高触发端，3脚输出低电平，但有一个先决条件，即2脚电位必须大于1Ucc/3时才有效。

3脚在高电位接近电源电压Ucc，输出电流最大可打200mA。

4脚是复位端，当4脚电位小于0.4V时，不管2、6脚状态如何，输出端3脚都输出低电平。

5脚是控制端。

7脚称放电端，与3脚输出同步，输出电平一致，但7脚并不输出电流，所以3脚称为实高（或低）、7脚称为虚高。

3.声音电路
声音电路由两个555时基电路IC3和IC4构成间歇音频信号源。

其中，IC3构成超低频振荡器，输出周期为2s的方波信号；IC4构成音频振荡器，输出频率为800Hz的音频信号。

这两个振荡器都是门控多谐振荡器。

它们震荡与否都受前一级电路输出状态控制。

从电路图中可以看到，555时基电路IC4 的复位端（第4脚）受IC3输出端（第3脚）的控制，IC3的复位端（第4脚）又受IC2输出端（第3脚）的控制。

所以，当电路被触发一次时，便会在6s.时间内发出3声“嘟——”的门铃声。

五、元件清单
设计心得与体会
经过两周的电工设计，完成了这次实体器件设计操作。

在如今理论课很多的情况下，课程设计是我们的实践课，不但能在这个课程上复习很多理论知识还能对之前的知识有着更透彻的认识与理解，更重要的是学到很多工程技术上的知识，包括焊接、器件等问题。

通过这次设计焊接，我们发现焊接电路确实有些辛苦，器件的接口都很小，而且在焊接过程中要注意不能与其他线相触碰，这个要求我们必须要集中精力并对焊笔控制的更精准一些。

参考文献
[1]门宏.实用电工电路300例图解.北京：电子工业出版社，2014.1
[2]康华光.数字电子技术.高等教育出版社,2009
[3]王勤.电工电子技术应用与实践教程.高等教育出版社,2008
附件：电路图。