红外线报警器论文第五篇：物理实验中简易太阳能红外报警器设计
摘要：以提高大学生物理实验创新能力为目的,设计了一种由分立电子元件制成的太阳能红外报警器,应用于门窗防盗报警。红外报警器包括供电电源、光控开关及报警电路3部分组成,并附以太阳能电源电路工作原理图。
关键词：红外报警器; 物理实验; 太阳能;
Design of simple solar infrared alarm in physical experiments
Zhang Yong Qiu Zhongyuan Song Qingyi Qi Shuang
College of Science,Liaoning University of Technology
Abstract：To improve physical experimental innovation ability of the college students,a solar infrared alarm composed of discrete electronic components is designed for doors and windows alarming.The infrared alarm includes the power supply,the light-operated switch and the alarm circuit,and the circuit principle diagram of solar power supply is provided.
大学物理实验中的电学实验数量比较少,而且实验内容较陈 旧,不能很好 地反映现 代科学技 术的发展[1]。我们在创新性实验的设计中增加了太阳能红外报警器的设计与制作实验[2]。该新实验使学生体验到了现代科技的发展,为以后学生接触科技前沿知识及融入现代科技之中打下了良好的基础。
红外报警器的设计与制作技术较为成熟,而且现在几乎所有的报警器的设计都是高度集成化[3,4,5,6,7,8]。虽然高度集成化的红外线报警器有很多设计优点,但是,对于刚刚接触物理实验的大学生来说,对集成电路的原理和设计思路都不是十分清晰,学习起来比较困难。要想打好电学实验的基础,最好的办法就是从分立电子元件开始设计学习太阳能红外报警器。并且太阳能技术与红外报警器相结合,这种设计现并不多见,而且大学基础物理实验对其特性的研究更是非常少。该太阳能红外报警器的设计与特性研究对培养学生的基础物理的科研思维和动手能力都是十分有意义的。
1 太阳能红外线报警器的组成
太阳能红外线报警器,是以太阳能电池吸收太阳光,并把光能转化电能储存蓄电池中,蓄电池作为红外线报警器电源[9]。以红外线发光二极管和接收光敏三极管及辅助电路作为光控开关[10]。以三极管放大电路为基础,通过电路的通断使串联于电路中的扬声器或蜂鸣器发出声响达到报警的目的[11]。
2 太阳能红外报警器电路的设计与制作
2.1 红外报警器电路的设计与制作
红外报警器原理电路见 图1。光敏三极管VT1和三极管VT2、VT3等组成光 控开关。当门窗闭 合时,光敏器件受到强烈的近红外辐射,内阻很小,三极管VT2和VT3均截止,由三极管VT4、三极管VT5等组成的报警电 路不工作。三极管VT4、VT5分别为PNP型和NPN型三极管,两只管直接耦合而成。由电阻R2和电容C2构成正反馈回路,组成一个结构简单的自激式振 荡器。 电阻R1接在VT3集电极上。VT3不导通时,集电极为 高电位,迫使三极 管VT4、VT5停止振荡,扬声器B不发声,整个电路处于警戒状态,此时耗电 极小。 一旦门窗 打开时,光敏三极 管VT1处红外光线受阻消失,光敏管内阻增大,致使VT2和VT3管导通,接通报警电路的电源,扬声器立即发出报警声。调节微调电位器RP可获得合适的报警灵敏度。
图1 红外线报警器原理电路
图2为报警器在门上的安装位置,当门打开时,门遮住光源;报警器报警;当门关闭时,接收头接收到光源,报警器恢复监控处于无声状态。图3为太阳能红外线报警器整体实物图,图4为报警器电路实物图。
图2 红外线报警器在门上安装位置
图3 太阳能红外线报警器实物图
图4 报警器电路实物图
2.2 太阳能电源电路工作原理
太阳能电源电路见图5。
图5 太阳能电源电路
LM393为双电压比较器,它的2脚和6脚是两个反向输入端连接在一起,基准电压6.2V作比较电压,由稳压管ZD1供给,R6和R7是输出端1脚和7脚的反馈电阻,同相输入端3脚和5脚得到部分反馈的输出信号。由于信号反馈可使比较电压的临近值附近不会产生振荡,这样就形成过充电压检测比较控制和过放电压检测比较控制电路;两个电位器起调节过充、过放电压作用。可调三端稳压器LM317提供给LM393稳定的8V电压。被充电电池为12V全密封免维护铅酸蓄电池;用一块40 W左右的硅电池,在正常光照条件输出18V左右电压;D1起防反充作用的二极管,防止硅电池在光线弱时成为自身耗电器。
工作原理:当阳光照射到太阳能电池板上,光伏电池组件把光能转化成电能,即转化成直流电流,通过J1-1的常闭触点和电阻R1使LED1发光,等待对12V全密封免维护蓄电池进行充电;开关K关闭,三端稳压器输出8V电压,整个电路进入工作状态,过充、过放电压检测比较控制电路同时对12V全密封免维护蓄电池两端电压进行检测比较。当蓄电池端两端电压低于预设过充电压14.5V的时候,A1的6脚电位高于5脚电位,7脚输出低电位使三极管Q1截止,三极管Q2导通,LED2亮起发出充电指示,J1启动,其接点J1-1位置转换,光伏电池组件通过防反充二极管D1对12V全密封免维护蓄电池充电。蓄电池充满电后,当其两端电压比预设的过冲电压值大时,A1的5脚高于6脚电位,7脚高电位,三极管T1导通,三极管T2截止,LED2熄灭,J1释放,J1-1断开,LED1发光,指示充电停止。
当蓄电池电压大于11.5V时,A2的3脚高于2脚电位,1脚高电位输出,三极管T3导通,三极管T4截止,LED3熄灭,J2释放。 其常闭触 点J2-1闭合,LED4发光,负载指示进入正常工作状态。负载工作时蓄电池放电,电池两端电压会渐渐降低,当端电压降至小于预设的过放电压值时,A2的3脚电位低于2脚电位,1脚输出低电位使三极管T3截止,三极管T4导通,LED3发光过放 指示,J2动作,其接点J2-1断开,正常指示灯LED4熄灭。切断电路回路,防止蓄电池继续放电闭合开关K,蓄电池又开始充电。
3 红外线报警器所需实验元件及实验结果
VT1光敏三极管3DU;VT2三极管9011;VT3,VT5三极管9013;VT4三极管3AX83;R1电阻为47kΩ;R2电阻为1kΩ;RP微调电位器为100kΩ;C1电解电容为100μF/10V;C2电容为0.033μF;B扬声器8Ω;G太阳能供电电源12V。调节电阻RP=100kΩ,50kΩ,10kΩ,观察报警器的灵敏程度,实验结果见表1。
表1 报警器声音高低的效果实验结果
4 注意事项
接好红外报警器电路,通电前先检查已焊接好的电路板有无虚焊、假焊等电路故障,排除故障后通电进行检测调试。实验时,观察扬声器发音情况,如有声音可知整个报警器电路的正常工作,如扬声器没有声音表示报警器电路工作不正常。可在保证电源电压正常情况下,可由前一级电路向后一级电路逐级检测电压信号有无变化,就可以知道以电路中各级的好坏。如果有哪级出现故障,就在哪级排除故障。
5 结束语
设计时,首先给学生布置设计任务书、主要技术指标和要求,给定原始参数条件,由学生进行方案设计和原理图设计,最后进行实验操作[12]。此设计作为大学生创新实验及实验教学改革项目,取得了良好的效果,得到了实际的应用,提高了学生的创新能力。
