PCB设计实例(内含Sch原理图/PCB文件)——红外报警电路

嵌入式 TOMORROW 7个月前 (05-28) 1597次浏览 23个评论 扫描二维码

 

这是一个电子线路设计里的一个PCB设计实例——人体红外报警电路的详细过程,包括原理图设计、电路分析、Multisim 仿真、PCB布线等等的内容。并且附件里还附带 Sch 格式的原理图文件、PCB文件、Multisim 仿真文件以及报告文档。文中有些图片可能不太清晰,可以通过下载附件来察看。

附件:

注意:本段内容须成功“回复本文”后“刷新本页”方可查看!

 

1背景

随着社会的发展,技术的进步,人们对人身财产安全提出了新的要求,要求实时监测家居等生活环境。而人体红外报警系统是能够满足人们当前的安保需求的产品之一,并且已经被广泛应用。

红外线是不可见光,有很强的隐秘性,可以在防盗和警戒安保中起到很大的作用。同时,人体热释红外传感器技术已经非常成熟,稳定性好和成本低廉。

2红外报警电路总体方案

2.1 总体框架

本设计是以热释红外传感器为核心设计的,由信号检测电路、信号放大电路、电压比较电路以及报警电路组成。其电路设计框图如图2-1所示。

PCB 设计实例(内含 Sch 原理图/PCB 文件)——红外报警电路

图2-1 红外报警电路框图

2.2 工作流程

本设计的红外报警电路工作流程如图2-2所示。红外报警器上电时立即进入到检测模式,不停循环检测有没有人,如果有人的话就发出报警,然后持续报警一分钟,一分钟之后重新检测是否有人,如此重复。

 

PCB 设计实例(内含 Sch 原理图/PCB 文件)——红外报警电路

图 2-2 红外报警电路工作流程图

3电路设计

3.1 信号检测电路

信号检测电路以红外传感器为核心,将人体红外信号转换为电信号,传送给信号调理电路进行处理。

图 3-1 是信号检测电路。红外传感器选用的是应用较为广泛和成熟的人体热释红外传感器 RE200B。该传感器有三个引脚 1 引脚是接电源;2 引脚是信号输出,电路中将其下拉到地,当检测到人体热释红外信号时输出高电平;3 引脚是接地端。

PCB 设计实例(内含 Sch 原理图/PCB 文件)——红外报警电路

图 3-1 信号检测电路

3.2 信号放大电路

由于热释红外传感器的输出信号十分微弱,不能直接驱动报警电路进行工作。因此需要利用信号放大电路来对输出信号进行放大。本模块电路设计成了两级的放大电路,第一级放大电路是基于 9014 三极管设计的,而第二级放大电路则是选用了 TI 公司的 LM358 放大器,LM358 可以使用 3-32V 单电源供电,可以简化电源电路。LM358 内部集成了两个运算放大器,在本模块电路中只应用其中一个。经过两级放大电路处理后,信号已经达到了驱动电路的要求。

PCB 设计实例(内含 Sch 原理图/PCB 文件)——红外报警电路

图 3-2 信号放大电路

3.3 电压比较电路

信号经过信号放大电路处理之后输入到电压比较电路。电压比较电路如图 3-2 所示。其由集成运放 LM358 设计实现,此时运放工作于开环状态下,同样选择单电源供电,正相输入端作为比较器的电压基准端,通过调节变阻器 R17 可以改变其基准电压;反相输入端接的是信号放大电路的输出信号。这样就形成了一个可以调节红外报警电路的灵敏度的电压比较电路。

PCB 设计实例(内含 Sch 原理图/PCB 文件)——红外报警电路

图 3-3 电压比较电路

3.4 延时电路

延时电路主要由充电电容和一个比较器组成。如图 3-4 所示。其中比较器选用的是 TI 公司的 LM393,这是一个集成了两个差动比较器,并且可以由 2-36V 的单电源供电进行工作。当热释红外传感器检测到人时,其输出信号经过处理后传输到延时电路使得电容 C6 经过整流二极管迅速放电,使得 LM393 电压比较器正相输入端的电压比反相输入端的电压高,从而使其输出高电平驱动报警电路。当检测不到人时,输入到延时电路的信号重新变成高电平,整流二极管反向截止,电容 C6 开始充电,一段时间后,LM393 的正相输入端的电压比反相输入端的电压低,使其输出低电平。该延时电路的延时时间大概为一分钟。

PCB 设计实例(内含 Sch 原理图/PCB 文件)——红外报警电路

图 3-4 延时电路图

3.5 报警电路

报警电路主要由三极管、蜂鸣器和红色 LED 组成。其电路图如图 3-5 所示。输入高电平使得三极管导通,从而使得 LED 和蜂鸣器导通发出报警。输入低电平时,三极管截止,报警停止。其中三极管选用的是常见的小功率 NPN 型三极管 8050。

PCB 设计实例(内含 Sch 原理图/PCB 文件)——红外报警电路

图 3-5 报警电路

3.6 电源电路

综合以上各模块电路,所用到的电源只有一个直流 6V。因此,电源直接设计为通过一个 DC5.5 插座由外部供给。其电路如图 3-6 所示。

PCB 设计实例(内含 Sch 原理图/PCB 文件)——红外报警电路

3-6 电源电路

4 PCB设计

4.1 完整电路原理图

最终设计的完整的红外报警电路原理图如图 4-1 所示。

PCB 设计实例(内含 Sch 原理图/PCB 文件)——红外报警电路

图 4-1 红外报警电路完整原理图

4.2 PCB 尺寸及板层

根据焊盘数量 87 以及封装选择,设定PCB外形尺寸为 30mm*40mm。因为电路并不 复杂,单位密度并不高,所以PCB板层选择为成本较低较常见的双层板。

PCB 设计实例(内含 Sch 原理图/PCB 文件)——红外报警电路

图 4-2 PCB 外形尺寸

PCB 设计实例(内含 Sch 原理图/PCB 文件)——红外报警电路

图 4-3 PCB 层叠设计

4.3 元件布局

PCB 的元件布局如图 4-4 所示。所有元件都放置在顶层。其中 DC5.5 插座 P1、红外传感器 U1、变阻器 R17、蜂鸣器 B1 以及 LED1 都尽量靠近边缘摆放。

PCB 设计实例(内含 Sch 原理图/PCB 文件)——红外报警电路

图 4-4 元件布局

4.4 布线

PCB 顶层布线图如图 4-5 所示;底层布线图如图 4-6 所示。其中,普通信号线都选择为 10mil 线宽;部分驱动电路的线则选择为 20mil 线宽;6V 电源线选择的是 30mil 的线宽,并对其进行局部加粗。

PCB 设计实例(内含 Sch 原理图/PCB 文件)——红外报警电路

图 4-5 顶层布线图

PCB 设计实例(内含 Sch 原理图/PCB 文件)——红外报警电路

图 4-6 底层布线图

4.5 敷铜

敷铜后 PCB 的效果如图 4-7 和 4-8 所示。

PCB 设计实例(内含 Sch 原理图/PCB 文件)——红外报警电路

图 4-7 敷铜后的顶层

PCB 设计实例(内含 Sch 原理图/PCB 文件)——红外报警电路

图 4-8 敷铜后的底层

5 电路仿真

本设计采用 Multisim 软件对所设计的电路进行仿真验证。由于仿真软件的局限性,无法对完整的电路进行仿真,所以仿真电路与最终的电路有较大的出入。

5.1 测试信号

本次仿真电路的测试信号选择为峰峰值为 20mV,频率为 10Hz 的正弦信号作为输入信号。其波形如图 5-1 所示。

PCB 设计实例(内含 Sch 原理图/PCB 文件)——红外报警电路

图 5-1 测试信号的波形图

5.2 完整的仿真电路原理图

完整的仿真电路原理图如图 5-2 所示。

PCB 设计实例(内含 Sch 原理图/PCB 文件)——红外报警电路

图 5-2 完整仿真电路原理图

5.3 信号放大电路的输出

当将仿真电路中的示波器 A 通道接到输入信号,B 通道接到信号放大电路的输出(LM358AD 的 6 号管脚处),运行仿真电路,得到输出波形如图 5-3 所示。其中红色波形为输入信号波形,绿色为信号放大电路的输出波形。

根据波形可以得出输出波形的峰峰值约为 2.526V,从而算得放大倍数为 127。也就是说输入信号经过两级放大电路后得到了放大了 127 倍的信号,并存在 480mV 左右的零点漂移,以及小角度的相位滞后。

PCB 设计实例(内含 Sch 原理图/PCB 文件)——红外报警电路

图 5-3 信号放大电路的输出波形图

5.4 最终输出的控制信号

当将仿真电路中的示波器 A 通道接到仿真电路输入端,B 通道接到仿真电路的最终输出端(LM393DG 的 1 号管脚处),运行仿真电路,得到输出波形如图 5-4 所示。其中红色波形为输入端信号波形,绿色为最终输出端的波形。

从图(a)可以知道,当仿真电路输入信号为低电平时,最终的输出信号也为低电平;当仿真电路输入信号为测试信号(10Hz,20mV 峰峰值的正弦信号)时,最终的输出信号为高电平。仿真电路的输入信号在 2.5s 时变成低电平,并且最终输出信号维持为高电平。

从图(b)可以知道,仿真电路输入信号变成低电平后,最终的输出信号维持为高电平直到 44s 时才变为低电平。因此可知延时时间约为 42s。

PCB 设计实例(内含 Sch 原理图/PCB 文件)——红外报警电路

(a)

PCB 设计实例(内含 Sch 原理图/PCB 文件)——红外报警电路

(b)

图 5-4 最终输出控制信号波形图

 

附录:BOM

Comment

Description

Designator

Footprint

Quantity

Value

Company

Bell 蜂鸣器 B1 SOT

1

Cap Capacitor C1 0603

1

10nF
Cap Pol3 Polarized   Capacitor (Surface Mount) C2, C3, C6 C3528_B

3

47uF/16V
Cap Pol3 Polarized   Capacitor (Surface Mount) C4, C5 C3528_B

2

22uF/16V
Diode 1N4001 1 Amp General   Purpose Rectifier D1 Dioxide_DIP_2

1

LED 发光二极管-红色 LED1 0805

1

DC5.5 DC5.5插座 P1 DC5.5

1

9014 NPN General   Purpose Amplifier Q1 DIP_3_Transistor

1

8050 NPN General   Purpose Amplifier Q2 DIP_3_Transistor

1

Res2 Resistor R1, R19 0603

2

1k
Res2 Resistor R2, R18 0603

2

300k
Res2 Resistor R3 0603

1

1M
Res2 Resistor R4 0603

1

4.7k
Res2 Resistor R5, R7, R9, R11,   R12, R14 0603

6

100k
Res2 Resistor R6 0603

1

47k
Res2 Resistor R8 0603

1

10k
Res2 Resistor R10 0603

1

100
Res2 Resistor R13 0603

1

470k
Res2 Resistor R16 0603

1

2.4k
Res Adj2 蓝白卧式可调电阻 R17 蓝白卧式可调电阻

1

100k
RE200B 人体红外传感器 U1 RE200B

1

LM358 运算放大器 U2 SOIC-8

1

TI
LM393 电压比较器 U3 SOIC-8

1

TI

 


TOMORROW 星辰 , 版权所有丨如未注明 , 均为原创丨本网站采用BY-NC-SA协议进行授权
转载请注明原文链接:PCB 设计实例(内含 Sch 原理图/PCB 文件)——红外报警电路
喜欢 (8)
TOMORROW
关于作者:
TOMORROW星辰第一作者。如有疑问或者发现错误,请留言作者。
兴奋的月饼发表我的评论  如需接收评论回复通知,请填写正确的 个人信息
取消评论
表情 加粗 斜体 签到
(23)个小伙伴在吐槽
  1. 真好
    健壮的奇异果2018-12-11 23:51 (5天前)回复 Linux | Chrome 53.0.2785.134
  2. 谢谢分享,非常感谢,这篇文章特别棒
    joke9202018-12-06 09:53 回复 Windows 7 | Chrome 57.0.2987.133
  3. HAO
    包容的大山2018-11-28 19:34 回复 Windows 10 | 搜狗浏览器 2.X
1 2