一,、系統(tǒng)組成及工作原理
1．主要元器件
LM324,、74HC00、NE555各一只,，語音/音樂片自選一片,，喇叭一個，φ3紅外發(fā)光管LED,。φ3紅外光敏三極管各三只以及電阻電容等,。光敏三極管靈敏度高，適合光電遙控,；光電二極管靈敏度較低,、頻帶帶寬高,適合通信。一體化紅外接收頭的工作頻率固定為38kHz,。本設計在單路警戒時選擇頻率為5kHz,，雙路警戒時，選擇頻率為3.3kHz/5kHz,，38kHz固定工作頻率不能適應多路要求,，所以未選用一體化紅外接收頭。
2．工作頻率的選擇
照明用的白熾燈,、熒光燈產生的干擾為低頻信號,，遙控器為38-40kHz．故將報警器的工作頻率設置為5kHZ和3kHz兩種，既可遠離干擾,，又有利于用普通指針式萬用表交流擋來進行測試,。另外，實驗證明,，光敏三極管在5kHz,頻率F,，最大負載為10kΩ~20kΩ時，靈敏度較高,，如果再降低頻率,，負載電阻因雜散背景光的原因不能再增加，靈敏度不能繼續(xù)提高,。
如果將頻率升高到20kHz,，20kΩ負載的光敏三極管充放電速度跟不上，信號有衰減,，必須要減小負載電阻到1kΩ~2kΩ以提高充放電速度,，這樣，靈敏度就降低10倍,。另外,，20kHz的放大器也較難做,。
3．工作原理
如下圖所示，紅外發(fā)射管發(fā)出一束光到達遠處接收管,，當兩管中心相對時,，產生約1mV、5kHz交流信號,，經過高通濾波放大,，使50～100Hz的干擾信號比正常信號衰減1萬倍以上。再經過低通濾波放大,，使40kHz的干擾信號比正常信號衰減幾百倍以上,，5kHz信號放大到近2000倍。這時,，信號超過放大器線性放大范圍,，被限幅為梯型波。經過檢波輸出的直流電壓超過2V,。此電壓與沒定電壓Vf比較,，如果大于Vf.認為光照正常，不報警,，如果小于Vf,則表示有物體擋光,，啟動報警控制電路。報警的條件是：電子鑰匙不存在,，鼠光照正常發(fā)生過低的過程,，信號被鎖存器，驅動／音樂片報警,。一旦電子鑰匙插入,，信號鎖存器復位，禁止報警,，適合自己人活動情況。本設計在放大倍數和起報點設定電壓上都留有余量,。還可以選用不同的報警音樂片,，自制不同的電子鑰匙，給讀者留有自由發(fā)揮的空間,。
4．工作原理分析
(1)紅外發(fā)射器
紅外發(fā)射器電路如下圖所示,。時基電路NF555接成自激振蕩器，其②腳⑥腳的三角波在1／3VCC到2/3Vcc之間變化,。當②,、⑥腳電壓=1.3Vcc時，Vcc通過R1,、R2對C1充電,，③腳輸出高電平,。經過0.693(R1+R2)C1時間后，②,、⑥腳電壓升到2/3Vcc,，這時，③腳輸出翻轉為低電平,，⑦腳對地導通,，C1通過R2放電，經過0.693×R2C1時間,，②,、⑥腳電壓降至1/3Vcc，③腳又輸出高電平,，如此循環(huán),。圖中可以看出，③腳輸出高電平時間長,、輸出低電平時間短周期是兩者之和,。本例中，R2選用11.2kn時實測頻率剛好5kHz,。NE555③腳的驅動能力很強,，本例中R3=510n，有15mA的低電平電流驅動LED,。如果要進一步加強發(fā)射,，可以把R3減至270Ω。
(2)紅外接收放大器
紅外接收放大器電路如下圖所示,。VT1受光后,，輸出信號電壓1mV，C1,，R2,，R3構成第一級高通濾波器。那么,，C1,、R2、R3的參數是如何得出的呢,？是根據經驗,。對于交流信號而言，R2和R3是并聯(lián)的,，等效電阻約為250kΩ,。如果C1在某頻率下的容抗等于250k，信號就衰減到70%。若希望5kHz信號能大部分通過,，在5kHz×70%=3.5kHz頻率信號開始衰減,，你只要記住10kHZ100pF電容器的容抗160kQ，頻率÷2=5k,，電容×2=200p,，容抗不變，仍是160kΩ,。頻率再降低70%容抗加大l/70％,，約為230kΩ，頻率再低一點就能滿足要求,。設C1用200pF,，70%衰減點約在3.2kHz。R4,、R5,、C2在反饋回路中引入第二級高通。當頻率很高時,，C2近似短路,，放大倍數為1+R5/R4，約22.5倍,；當頻率很低時,，C2不通，①腳l00％負反饋到②腳,，放大倍數為1,。C2的容抗是與R5相比較的，套用剛才的計算,，電容加大5倍,，取100Op，250kΩ電阻減小5倍,，取51kΩ,。實測第一級在5kHz時放大19倍，3kHz信號衰減超過50％,，100Hz信號幾乎看不到,。R6、C3構成低通濾波器,，取5kHz的1.4倍7kHz為衰減點，已知10kHZ100pF電容器的容抗為160kΩ,，7kHZ100pF電容器的容抗=160kΩ,/0.7=224kΩ,220pF電容器的容抗比100pF縮小2.2倍,，為100kΩ，所以R6、C3的值分別為100kΩ,、220pF,。R7，R8,，C4構成高通濾波,，與R4、R5,、C2完全相同,。實測一、二級在5kHz時總放大300倍,，第三級LM324放大任務是6～7倍,，總倍數達2000倍。這是一個加有C6正反饋的一個二階低通濾波器,。峰點要求5kHz,，在峰值點容抗等于阻抗，正反饋系數是1/3,。已知10kHZ100pF電容器的容抗160kΩ,，50kHZ100pF容抗加倍為320kΩ．5kHz560pF電容器的容抗乘5.6倍為57kΩ取56kΩ。R1l,，R12+R13//R14構成負反饋,，必須限制直流放大倍數在3以內，超過3會自激振蕩,。這里直流放大倍數為2.57,，實測5kHz總放大倍數為1920倍。第三級放大器輸出經過C7耦合,，D1,、D2檢波，在R16上形成直流電壓,。在沒有發(fā)射信號時,，雜音也會有檢波電壓，不過小得多,。第四級LM324接成比較器方式,，檢波電壓和R15/R17分壓電壓Vf比較，檢波電壓大大超過Vf,輸出高電平約3.5V,，表示“光照正常”,。發(fā)射信號被阻擋，輸出低電平約1.5V,。下圖中AVce接5V,。
(3)報警控制電路
電路如下圖所示,，其中DVcc與AVcc接在一起接+5v。U1_4,、U1_3構成鎖存器,，平時（即光照正常時），(13),、(12)腳都是高電平,，(11)、(10)腳為低電平,，⑧腳輸出高電平,，U1-l作反相器用，③腳輸出低電平,，U2不工作,。當“光照正常”信號消失時，(13)腳變低,，U1_4(11)腳變高,，U1_3⑧腳變低，U1_4(12)腳也為低,。也就是說,，無論此后“光照正常”信號有沒有，曾經為低的情況將被鎖存,，U1_3輸出⑧腳一直為低,，通U1-1③腳輸出高，驅動報警音樂片KD5608發(fā)出狗叫聲,。讀者也可以自由發(fā)揮,，制作出不同的報警效果。
U1_2的兩個輸入端分別接兩只光敏三極管,，一只上拉,，一只下拉。因為在暗處工作,，負載電阻可以取大一點,，以提高靈敏度。不論全有光照還是全無光照,，U1_2的輸入端總有一個為低,，其⑥腳輸出為高。最好設置背景A處為黑,，背景B處為白,，使④、⑤腳都為低,。電子鑰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無光（即將電子鑰匙插入），U1_2的④,、⑤腳均為高，⑥腳輸出低,，維持延遲O.ls后,，U1_3的⑨腳持續(xù)為低，⑧腳恒高,，不管“光照正常”信號有沒有,，都不能報警，并建立U14(12)腳為高的初始態(tài),。電子鑰匙的設計可以多種多樣,，也不局限于A,B兩個邏輯點，可以發(fā)揮創(chuàng)造力,。
D4,、D5、D6的正向壓降為3V,，正好為U2KD5608供電(3V),。注意：許多音樂片誤用SV電源供電，導致聲音不對且芯片發(fā)熱,，要注意降壓使用,。但揚聲器可以接到5V電源。
U1_3腳輸出的控制信號的高電平也是SV,，為了避免損壞U2,，故串聯(lián)了一只電阻R15。
二,、裝配與調試
1．裝配
上圖是接收器的安裝圖,。整個接收器裝在墻式電源插線盒中，如國圖所示,。通用板的裝配技能也是電子技師,、工程師的基本功。下圖(略)展示了三種樣品（不是同一線路）,。
右邊采用立體多層交錯布線,，不易查錯，因信號的相互干擾大,，很難調好,。中間的是平面裸線布線，焊點粗糙,，所占面積較大,。
左邊是臺灣某公司為了驗證設計（IC為主,，元件較少），請電子制作專家加急焊接并寄給筆者的,，該板焊點特別漂亮,、布線整齊規(guī)則。安裝所用的線是美國“OKIndustriesInc”
AWG30(美制線規(guī))單芯氟塑料被覆安裝線,。
制作時宜先做發(fā)射,，后做接收。發(fā)射總共8個元器件,，不難做,。因為紅外發(fā)射看不見，要用萬用表交流擋（如果指針表要在紅筆中串入一只0.1LLF的電容器）測IC1③腳和①腳（地線,，接黑筆）間有5.7V交流電,，R3兩端有5.2V交流電。如只有前者沒有后者,，請將紅外LED反過來試試,。如果5.7V也沒有，說明不起振,，往往是R1,、R2、C1回路有問題,。發(fā)射調好后,，用發(fā)射管緊對著接收板的VT1，則數字表交流擋可以在C1兩端測到電壓,。至少要有AC0.5V電壓,。如全無，改用DC擋,，測VT1兩端,，用手擋住外界雜散光，讀數會變化（如4.70—4.99）,。如無變化,，請將VT1兩極反過來試試。單獨將VT1插入萬用表晶體管擋NPNC,、E,，光照hFE有讀數為VT1極性正確，接E的極接地,，接C的極接圖3的電容器C1,。光敏晶體管調好后，要花主要力量調運算放大器,。
2,，用數字萬用表進行運放直流工作點的檢測
測量交流特性之前必須保證直流工作點正常,。對于單電源5V的LM324來說，只有①,、⑦,、⑧腳輸出電壓在電源一半左右才能正常工作。實際量電源是4.8V,，輸出電壓約2.4V,。如果不是，肯定電路有問題,。到底是輸入端斷路還是輸出端有短路，最迅速的檢測方法是短路①,、②腳測①腳,，短路⑥、⑦腳測⑦腳,，短路⑧,、⑨腳測⑧腳。以①,、②腳為例,，測①腳為3.5V(高)，短路①,、②腳測①腳為2.5V,，不用查③腳，測②腳電壓,，如讀數為0.17V,，測R5兩端：0/0.17證明C2短路。如短路①,、②腳測①腳仍為3.5V,，先不用查②腳，測③腳電壓,，讀數為4.9V,，可能R3開路或C1短路。測試原理是,，短路①,、②腳意味著100%反饋，將運放接成跟隨器,，能跟隨是一種情況,，不能跟隨或跟隨錯誤是另一種情況。很快就把故障范圍縮小到幾個元件內,。
3．用數字萬用表交流擋測量接收放大器
先將發(fā)射管緊對著接收板的y＇ri,，逐步移遠,。測①、⑦,、⑧腳輸出電壓,，應該逐級變大。當然達到AC1.5V后不能繼續(xù)加大是正常的,。如果某一級放大不足,，應檢查電容器（因為直流工作已經正常，電阻沒有問題）,。例如,，C2虛焊或容量太小，第一級放大就不能達到19倍,。
4．交流自激問題的解決
關閉發(fā)射,，一旦測出輸出端常有AC1.5V，就是自激,。如果發(fā)生自激,，檢查電源退耦電容C9接好沒有？R1l/R12是否大子27布線是否太亂,？實在不行,，只能一級一級地拆。交流自激是放大器最難解決的問題,。設計單級放大倍數過大,、放大級數過多是主要原因，,、筆者先前曾設計成放大7000倍,，結果發(fā)生輸出總有信號的問題，用示波器觀測,，是一種噪聲干擾經過選頻,，正好5kHz過來了，不像自激又類似自激,。最后將發(fā)大倍數降到3000倍就好了,。這次設計的放大倍數為2000倍，是很保險的,。有一次我將發(fā)射器和接收器共用一個5v電源,，自激問題一直找不出來。后來將發(fā)射器單獨供電就解決r,。
三,、供電問題
報警器需要長期接入電源，因此必須考慮發(fā)熱、體積和節(jié)能等問題,。
小功率變壓器效率低,，體積較大，優(yōu)選用類似手機充電器那樣的小功率開關電源作為接收電源,，而且有現成的手機線充可以用,。發(fā)射部分電流消耗是恒定的，一旦調好與人接觸少,，可以考慮電容采用降壓方案（調試要注意安全）,。用0.22μF630V耐壓的電容降壓、橋式整流及9V0.5W穩(wěn)壓管穩(wěn)壓共三個元件就可以了,。有經驗的設計者往往會在0.22uF電容上并聯(lián)一只1MΩ的泄放電阻,，串聯(lián)一只0.5Wl00Ω的限流電阻。