《红外报警系统》.doc

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1、高等光电技术与实验共 14 页 第 1 页高等光电技术与实验红外报警系统设计高等光电技术与实验共 14 页 第 2 页红红外外报报警警系系统统设设计计摘摘要要：介绍了一种经过调制后的红外二极管做发射光源，有光敏二极管接收的简单红外报警系统。系统由发射、接收、放大和检波报警四个部分组成。当光线被阻挡时，系统报警。关关键键词词：二极管；信号放大；报警1、引引言言光电报警系统是一种监视系统， 当不乏分子入侵防范区域时能够及时将这些信号告知主人、家人、邻居或者值勤人员并起到阻吓、防范的技术系统。目前种类繁多，本文介绍一种简单的红外报警系统，当人或者是其它异物阻断发射和接收之间的红外警戒光束时，系统当即

2、做出反应，发出报警信号。2、设设计计任任务务和和要要求求本系统的设计要求在 无透镜聚焦的条件下，用 经过信号调制后的 小功率砷化镓发光二极管 作为辐射光源，产生一条红外警戒光束。在接收端使用硅光电二极管作为 红外光的 光接收器， 并用通用运算放大器构建放大系统。当警戒线被阻断时， 发光二极管 被点亮，给出报警信号。要求系统的作用距离 大于 10 米。系统设计实验中 可以使用到的电子元器件 器件有：红外发射 /接收对管、集成电路 NE555 和 LF353、普通阻容元件。3、系系统统总总体体方方案案 设设计计分分析析本系统由图 1 所示的四 个部分组成。用砷化镓发光管组成发射系统，在发射和接收系

3、统之间有红外光束警戒线。调制电源提供GaAs 发光管确定规律变化的调制电压，使发光管发出红外调制光，在一定距离以外用光电二极管接收调 制光。接收到的信号经过转换后放大、检波，最后得到的信号将用于控制报警器中的 LED 亮灭。高等光电技术与实验共 14 页 第 3 页调制器发光管光 电 二 极 管放大器检 波 报 警接 收 系 统发射系统图 1 系统原理框图4、系系统统电电路路分分析析4.1 发发射射系系统统用 NE555 定时器构成多谐振荡器作调试电源，在这里选用常用的振荡器的连接方法，定时器电阻RA和 RB，其连接点接到 555 的 7 脚，C 是定时电容。其连接方法及波形下图2 所示。图

4、2 NE555 连接方法4.1.1 NE555 参参数数计计算算（1）充电时间 T1。电路充电过程中，的初值和终值分别为：c(0)3cc cV()cccV充电时间常数为：1()ABRRC高等光电技术与实验共 14 页 第 4 页代入计算一阶电路过渡过程的公式，得：1 () ( )3ABRRCcc c tccccVVVVe当 t=T1时，代入上式得：11 3()ln()ln22 3ccccABABccccVV TRR CRR C VV （2） 放电时间 T2。同理，放电过程中的初值和终值分别为：c( 2)3cc c TV()0c放电时间常数为：2BR C代入计算一阶电路过渡过程的公式：1( )2

5、0(0)3BR Ccc c tVe 当 t=T2时，得：(0)2 3cc cV2203lnln2 03ccBB ccVTR CR CV 故输出脉冲周期为：12(2)ln2ABTTTRR C振荡频率为：11 (2)ln2ABfTRR C输出矩形的占空比为：12()ln2 (2)ln22ABABABABTRR CRRqTRR CRR4.1.2 参参数数选选择择系统设计中，我们选择了调制频率为7KHz 的输出信号频率，并依据电路图中的设计选择了 103 电容。因此我们可以依据公式求解出电路中的电阻值。高等光电技术与实验共 14 页 第 5 页117220.57(2)ln2AB ABfkRRkTRR

6、C所以我们可以取 RA=500，RB=10k这时占空比为 10.50.51220.5ABABRRqRR这样我们就得到了系统要求的调制信号，并用于驱动二极管发光，此时我们将选取发光管的限流电阻。 用 NE555 组成振荡器来驱动发光管时，要注意发光管上一定要串联一个限流电阻。使输出电流小于或等于发光管的最大正向电流 IF 。若振荡器输出电压为 V0 ，则限流电阻 R 取值为：001.5 30FFVVVVRImA如果限流电阻值低于上述公式所得数值或未加限流电阻，则会造成发光管和定时器烧毁。 实验中限流电阻取为 750。4.2 接接收收系系统统在接收端，我们使光敏二极管处于反向偏置工作模式下。接收端

7、系统电路部分如图 3 所示D1 Photo Sen200KR4 Res2 200KR5 Res2+12-128456 7BU1B LF353N C1103图 3 接收系统电路在图中，光敏二极管工作于反片模式下，在接收到的信号中，我们接入高等光电技术与实验共 14 页 第 6 页一个 103 电容，主要就是取到了隔直流通交流的作用， 以滤除信号中的直流成分，随后又通过运算放大器构成的电压跟随器输出接收到微弱信号。电路中我们取R4=R5=200k，电容为 103 独石电容 。4.3 信信号号放放大大滤滤波波光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱, 而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中 , 因

8、此, 要对这样的微弱信号进行处理 。这里先对信号进行前置放大处理，将放大后的信号进行滤波处理以将大部 的分噪声滤掉,将此信号再放大到后续处理 所要求的电压幅度。这样 , 就需要通过放大电路、滤波电路 使输出幅度合适、滤 掉大部分噪声的待检测信号 。4.3.1 放放大大电电路路放大电路用集成运放 LF353 构成，它的主要作用是对红外探测器输出的微弱信号进行放大。 LF353 为双运算放大器集成芯片，它的主要参数如下：最大电源电压： 18V，电压增益： 100dB，输入阻抗： 1012，共模抑制比： 100dB，增益带宽： 4MHz，等效输入噪声电压：Hz / nV16。实验设计中使用一般的反相

9、放大电路，电路如图4 所示。我们在设计中第一级的放大倍数为 100 倍，最后一级的放大倍数定为470 倍。高等光电技术与实验共 14 页 第 7 页23184AU2A LF353N1KR3Res21KR4 Res2100KR5Res2图 4 基本反相放大电路4.3.2 滤滤波波电电路路通过前面放大的信号中有着许多的噪声，这就要求我们需要将信号之外的噪声滤除。由于我们选定了发射光的频率，设计中我们选用了二阶有源带通滤波器，如图 5 所示，中心频率为 0=7kHz，品质因数 Q=25，增益为G=5。下面是滤波器的参数选择计算：高等光电技术与实验共 14 页 第 8 页8456 7BU2B LF35

10、3N10KR6Res2430R7 Res2100KR8Res2C2103C3103图 5 二阶有源带通滤波器（1） 0281002QRkf C（2）2 0740022QRQGf C（3）88610262RRGRkRG（4）电容全部为 103 独石电容在滤波器的设计中，如果中心频率与我们调制信号的频率不一样时，信号将会造成很大的衰减。因此我们将电路中的电阻R7 改用为滑动变阻器，这样就可以调节中心频率。改后的电路图如图6 所示。高等光电技术与实验共 14 页 第 9 页8456 7BU2B LF353N10KR6Res2430R7 Res2100KR8Res2C2103C31031KR14 Re

11、s Adj2图 6 改进后滤波器4.4 检检波波输输出出系系统统检波系统电路如图 7 所示。8456 7BU3B LF353NC4 103 20KR12 Res2 2KR13 Res210KR14 Res22KR15Res2DS2 LED0D1Diode 1N914+12图 7 检波输出电路信号经过放大滤波处理后，经过二极管D1 检波，在经过 R12、C4 后滤波得到直流电压信号，我们在放大器的同相端接入固定电压偏置，实验中我们取偏置电压为 2V。这样就将得到的信号电压也偏置电压进行比较输出，高等光电技术与实验共 14 页 第 10 页当信号端电压大于参考电压时没有输出，当警戒光线被阻挡时，只

12、有同相端电压输入，此时输出高电平， LED 发光。在滤波电路中，时间常数越大，输出电压的脉动越小，直流分量越大。工程实践中，一般取 2 5/ 2RCT电路中我们选取 103 独石电容， R=20k，此时2002/ 2140RCsTs满足设计要求。5、系系统统电电路路总总图图由于电路中会出现自激，我们在芯片的供电电源上接上去耦合电路，以消除自激给电路造成的干扰。 图 8 为系统设计电路总体图。1KR2 Res21KR1 Res2750R3Res2C1 103C2 103DS1 LED0+5NE555P12345678D1 Photo Sen200KR4 Res2 200KR5 Res2+12-1

13、28456 7BU1B LF353N C31038456 7BU2B LF353N10KR11Res220R13 Res2100KR12Res2C8103C91031KR14 Res Adj223184AU2A LF353N23184AU3A LF353N1KR6Res21KR7 Res2100KR8Res21KR16Res21KR17 Res2470KR18Res28456 7BU3B LF353NC14 103 20KR20 Res2 2KR21 Res210KR22 Res22KR25Res2DS2 LED0D2Diode 1N914+12100R9 Res2C4103C510uF+12

14、100R24Res2C1810uF-12C17103100R23Res2C15103 C1610uF1KR10Res2C610uF-12C7103100R19Res2C1310uF-12C12103100R15Res2C1110uF-12C10103图 8 系统电路总图高等光电技术与实验共 14 页 第 11 页下表为电路中电子元器件的值。表格 1 电子元器件使用表名称数值数量（个）NE5551LF3533红外发光管HG412A1光电接收管2CU2D1LED1独石电容 C1036电解电容 C10uF42011004500175011k42k210k3100k2200k2电阻 R470k1可变电

15、阻 R1k1高等光电技术与实验共 14 页 第 12 页6、组组装装调调试试6.1 发发射射系系统统依照前面给出的发射系统设计电路，我们在面包板上搭建电路，具体电路如图 9 所示。图 9 发射系统电路当电路接好后，接上电源以及示波器，此时我们可以在示波器上观察到图 10 所示的波形。在示波器上，我们取的横坐标值为50us，在图上可以看出一个周期占了 2.8 大格，所以周期为2.8 50140Ts满足设计要求。图 10 发射系统输出波形高等光电技术与实验共 14 页 第 13 页6.2 接接收收总总体体电电路路依据设计的电路，我们将接收、放大和检波报警部分连接在一块大面包板上，具体电路如图 11

16、 所示。图 11 接收端的总体电路当电路接好后，接上电源并与前面的发射系统组合，此时我们就可以在示波器上检测出各输出点的波形。实验中，发射端与接收端的距离达到了3.3m，当我们将警戒光线挡住之后，电路中的LED 亮起，完成报警工作。此时，接上各输出点进行查看。图12（a）显示了信号经过一级放大以及滤波的波形图 ，当我们用手挡住光线之后，得到了图12（b）所示的波形。图 12（a） 未挡光时输出 12（b） 挡光时输出图 13（a）是信号经过两级放大之后的波形，图13（b）是挡住之后的波形，由图中可以看出，电路中依然还存在着大量的噪声，因此，在以后高等光电技术与实验共 14 页 第 14 页的电路设计中还可以继续对电路进行改进。图 13（a） 未挡光时输出 13（b） 挡光时输出图 14 显示的是检波、滤波之后的波形图。图 14 检波输出波形据此，完成了红外报警系统的设计。7、总总结结实验基本完成了红外报警系统的设计要求，但是在实验中还是出现了许多的问题， 但是在张老师的悉心指导下，使得实验最后终于成功。不过实验还是可以有一些方面的改进：（1） 可以使用低噪声的放大器；（2） 设计 Q 值很高的滤波器，或者设计中使用多级滤波；（3） 在运算放大器输入时，使用差动运放，减少噪声。