物理實驗中簡易太陽能紅外報警器設計

張 勇, 邱忠媛, 宋清弋, 齊 爽

(遼寧工業大學 理學院, 遼寧 錦州 121001)

物理實驗中簡易太陽能紅外報警器設計

張 勇, 邱忠媛, 宋清弋, 齊 爽

(遼寧工業大學 理學院, 遼寧 錦州 121001)

以提高大學生物理實驗創新能力為目的,設計了一種由分立電子元件制成的太陽能紅外報警器,應用于門窗防盜報警。紅外報警器包括供電電源、光控開關及報警電路3部分組成,并附以太陽能電源電路工作原理圖。

紅外報警器； 物理實驗; 太陽能

大學物理實驗中的電學實驗數量比較少,而且實驗內容較陳舊,不能很好地反映現代科學技術的發展[1]。我們在創新性實驗的設計中增加了太陽能紅外報警器的設計與制作實驗[2]。該新實驗使學生體驗到了現代科技的發展,為以后學生接觸科技前沿知識及融入現代科技之中打下了良好的基礎。

紅外報警器的設計與制作技術較為成熟,而且現在幾乎所有的報警器的設計都是高度集成化[3-8]。雖然高度集成化的紅外線報警器有很多設計優點,但是,對于剛剛接觸物理實驗的大學生來說,對集成電路的原理和設計思路都不是十分清晰,學習起來比較困難。要想打好電學實驗的基礎,最好的辦法就是從分立電子元件開始設計學習太陽能紅外報警器。并且太陽能技術與紅外報警器相結合,這種設計現并不多見,而且大學基礎物理實驗對其特性的研究更是非常少。該太陽能紅外報警器的設計與特性研究對培養學生的基礎物理的科研思維和動手能力都是十分有意義的。

1 太陽能紅外線報警器的組成

太陽能紅外線報警器,是以太陽能電池吸收太陽光,并把光能轉化電能儲存蓄電池中,蓄電池作為紅外線報警器電源[9]。以紅外線發光二極管和接收光敏三極管及輔助電路作為光控開關[10]。以三極管放大電路為基礎,通過電路的通斷使串聯于電路中的揚聲器或蜂鳴器發出聲響達到報警的目的[11]。

2 太陽能紅外報警器電路的設計與制作

2.1 紅外報警器電路的設計與制作

紅外報警器原理電路見圖1。光敏三極管VT1和三極管VT2、VT3等組成光控開關。當門窗閉合時,光敏器件受到強烈的近紅外輻射,內阻很小,三極管VT2和VT3均截止,由三極管VT4、三極管VT5等組成的報警電路不工作。三極管VT4、VT5分別為PNP型和NPN型三極管,兩只管直接耦合而成。由電阻R2和電容C2構成正反饋回路,組成一個結構簡單的自激式振蕩器。電阻R1接在VT3集電極上。VT3不導通時,集電極為高電位,迫使三極管VT4、VT5停止振蕩,揚聲器B不發聲,整個電路處于警戒狀態,此時耗電極小。一旦門窗打開時,光敏三極管VT1處紅外光線受阻消失,光敏管內阻增大,致使VT2和VT3管導通,接通報警電路的電源,揚聲器立即發出報警聲。調節微調電位器RP可獲得合適的報警靈敏度。

圖1 紅外線報警器原理電路

圖2為報警器在門上的安裝位置,當門打開時,門遮住光源；報警器報警；當門關閉時,接收頭接收到光源,報警器恢復監控處于無聲狀態。圖3為太陽能紅外線報警器整體實物圖,圖4為報警器電路實物圖。

圖2 紅外線報警器在門上安裝位置

圖3 太陽能紅外線報警器實物圖

圖4 報警器電路實物圖

2.2 太陽能電源電路工作原理

太陽能電源電路見圖5。

圖5 太陽能電源電路

LM393為雙電壓比較器,它的2腳和6腳是兩個反向輸入端連接在一起,基準電壓6.2 V作比較電壓，由穩壓管ZD1供給,R6和R7是輸出端1腳和7腳的反饋電阻,同相輸入端3腳和5腳得到部分反饋的輸出信號。由于信號反饋可使比較電壓的臨近值附近不會產生振蕩,這樣就形成過充電壓檢測比較控制和過放電壓檢測比較控制電路；兩個電位器起調節過充、過放電壓作用?？烧{三端穩壓器LM317提供給LM393穩定的8 V電壓。被充電電池為12 V全密封免維護鉛酸蓄電池；用一塊40 W左右的硅電池,在正常光照條件輸出18 V左右電壓；D1起防反充作用的二極管,防止硅電池在光線弱時成為自身耗電器。

工作原理:當陽光照射到太陽能電池板上,光伏電池組件把光能轉化成電能,即轉化成直流電流，通過J1-1的常閉觸點和電阻R1使LED1發光,等待對12 V全密封免維護蓄電池進行充電；開關K關閉,三端穩壓器輸出8 V電壓,整個電路進入工作狀態,過充、過放電壓檢測比較控制電路同時對12 V全密封免維護蓄電池兩端電壓進行檢測比較。當蓄電池端兩端電壓低于預設過充電壓14.5 V的時候,A1的6腳電位高于5腳電位,7腳輸出低電位使三極管Q1截止,三極管Q2導通,LED2亮起發出充電指示,J1啟動,其接點J1-1位置轉換,光伏電池組件通過防反充二極管D1對12 V全密封免維護蓄電池充電。蓄電池充滿電后,當其兩端電壓比預設的過沖電壓值大時,A1的5腳高于6腳電位,7腳高電位,三極管T1導通,三極管T2截止,LED2熄滅,J1釋放,J1-1斷開,LED1發光,指示充電停止。

當蓄電池電壓大于11.5 V時,A2的3腳高于2腳電位,1腳高電位輸出,三極管T3導通,三極管T4截止,LED3熄滅,J2釋放。其常閉觸點J2-1閉合,LED4發光,負載指示進入正常工作狀態。負載工作時蓄電池放電,電池兩端電壓會漸漸降低,當端電壓降至小于預設的過放電壓值時,A2的3腳電位低于2腳電位,1腳輸出低電位使三極管T3截止,三極管T4導通,LED3發光過放指示,J2動作,其接點J2-1斷開,正常指示燈LED4熄滅。切斷電路回路,防止蓄電池繼續放電閉合開關K,蓄電池又開始充電。

3 紅外線報警器所需實驗元件及實驗結果

VT1光敏三極管3DU；VT2三極管9011；VT3,VT5三極管9013；VT4三極管3AX83；R1電阻為47 kΩ；R2電阻為1 kΩ；RP微調電位器為100 kΩ；C1電解電容為100 μF/10 V；C2電容為0.033 μF；B揚聲器8 Ω；G太陽能供電電源12 V。調節電阻RP=100 kΩ,50 kΩ,10 kΩ,觀察報警器的靈敏程度,實驗結果見表1。

表1 報警器聲音高低的效果實驗結果

4 注意事項

接好紅外報警器電路,通電前先檢查已焊接好的電路板有無虛焊、假焊等電路故障，排除故障后通電進行檢測調試。實驗時,觀察揚聲器發音情況,如有聲音可知整個報警器電路的正常工作，如揚聲器沒有聲音表示報警器電路工作不正常?？稍诒ＷC電源電壓正常情況下,可由前一級電路向后一級電路逐級檢測電壓信號有無變化,就可以知道以電路中各級的好壞。如果有哪級出現故障,就在哪級排除故障。

5 結束語

設計時,首先給學生布置設計任務書、主要技術指標和要求,給定原始參數條件,由學生進行方案設計和原理圖設計,最后進行實驗操作[12]。此設計作為大學生創新實驗及實驗教學改革項目,取得了良好的效果,得到了實際的應用,提高了學生的創新能力。

References)

[1] 劉軍山,邢紅宏,蘇學軍,等.以能力培養為導向改革大學物理實驗教學[J].實驗技術與管理,2014,31(4):189-191.

[2] 遼寧工業大學物理實驗室.大學物理實驗[M].4版.沈陽:東北大學出版社,2014.

[3] 楊宏偉.太陽能光伏應用創新性實驗的實踐[J].實驗技術與管理,2013,30(9):22-24.

[4] 何曉波,蔡俊濤,潘俊峰,等.一種太陽能報警器系統設計[J].山西電子技術,2011(2):44-45.

[5] 楊友平.一種簡易的太陽能熱水器水位顯示報警器[J].太陽能,2011(19):36-37.

[6] 嚴煌.紅外報警器的設計[J].計算機光盤軟件與應用,2014(8):273-274.

[7] 王義平,孫源.一種新型電子式太陽能熱水器溢流報警器設計[J].河南科技,2014(9):142-143.

[8] 王會.節能斷電報警器的設計[J].當代農機,2014(9):69-70.

[9] 周志成.一種簡單紅外報警器的設計[J].山東工業技術,2014(18):127.

[10] 徐璐,余仕求,鄧攀登.紅外報警電路的實驗教學項目研制[J].電子世界,2013(24):161-162.

[11] 杜永峰.基于單片機的紅外報警系統[J].電子世界,2014(7):41-42.

[12] 牛小玲,王軍,倉瑋燁.太陽能水溫水位控制器設計[J].實驗技術與管理,2014,31(1):74-78.

Design of simple solar infrared alarm in physical experiments

Zhang Yong, Qiu Zhongyuan, Song Qingyi, Qi Shuang

(College of Science,Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China)

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.

infrared alarm; physical experiment; solar energy

2015- 02- 04 修改日期：2015- 03- 30

遼寧工業大學教改項目(2014082)；遼寧省大學生創新創業訓練計劃項目(201410154039)；遼寧工業大學大學生創新創業訓練計劃項目(2014095，2014094)

張勇(1974—)，男(滿族)，遼寧黑山，碩士，高級實驗師，從事大學物理實驗創新設計及教學改革研究.

E-mail：yzhang1974@126.com

TP277;O4-33

A

1002-4956(2015)9- 0092- 03