主動式紅外報(bào)警器設(shè)計(jì)

1、光電探測與信號處理程設(shè)計(jì)報(bào)告 主動式紅外報(bào)警器設(shè)計(jì) 專 業(yè) 光電信息工程 學(xué) 號 110105011118 學(xué)生姓名 廖承潤 指導(dǎo)教師 常大定 王靜 組 員 李文廣 呂偉 熊煜 1、紅外報(bào)警器概述22、設(shè)計(jì)方案32.1、發(fā)射部分設(shè)計(jì)方案32.1.1、紅外發(fā)光二極管32.1.2、555定時(shí)器32.2、接收部分設(shè)計(jì)方案52.2.1、紅外接收管52.2.2、UA741運(yùn)算放大器63、電路圖設(shè)計(jì)及其原理83.1、發(fā)射部分原理圖83.1.1、發(fā)射部分原理圖詳細(xì)分析83.1.2、發(fā)射部分原理圖參數(shù)計(jì)算83.1.3、發(fā)射部分PCB圖93.2、接收部分原理圖93.2.1、接收部分原理圖詳細(xì)分析93.2.2、接

2、收部分原理圖參數(shù)計(jì)算103.2.3、接收部分PCB圖114、總結(jié)12參考文獻(xiàn)121、紅外報(bào)警器概述此紅外線報(bào)警器工作原理：在需要防范的區(qū)域里安裝好探測器報(bào)警器后，如果如有物體遮住接收板從放射板發(fā)射的信號，接收板也就是探測器就立即發(fā)出報(bào)警信號，蜂鳴器就會響起。從而產(chǎn)生報(bào)警的效果。并且，設(shè)計(jì)題目要求采用集成塊運(yùn)算放大器uA741，定時(shí)器555，紅外發(fā)射管SE303，紅外接收管PH302，三極管，蜂鳴器，極性電容，電阻等電器元件來設(shè)計(jì)。2、設(shè)計(jì)方案按照題目設(shè)計(jì)要求，紅外報(bào)警器分為兩部分，分別是發(fā)射信號部分和接收信號部分。總的設(shè)計(jì)方案只這樣的，發(fā)射部分發(fā)射紅外光對射到接收部分的紅外接收管那里，接收部分

3、經(jīng)過對接收轉(zhuǎn)換得到的信號進(jìn)行放大整流、濾波處理，最后的電壓信號再驅(qū)動蜂鳴器不響。如果有什么東西阻擋了紅外光，接收部分就沒有接收到信號，蜂鳴器就啟動報(bào)警。經(jīng)過了大量查閱文獻(xiàn)和資料，整理分析得出以下各部分的設(shè)計(jì)方案：2.1、發(fā)射部分設(shè)計(jì)方案通過閱讀文獻(xiàn)，首先對發(fā)射部分需要的元器件要有一定的了解。2.1.1、紅外發(fā)光二極管常用的紅外發(fā)光二極管（如SE303·PH303），其外形和發(fā)光二極管LED相似，發(fā)出紅外光（近紅外線約0.93m ）。管壓降約1.4V ，工作電流一般小于20mA。為了適應(yīng)不同的工作電壓，回路中常串有限流電阻。 發(fā)射紅外線去控制相應(yīng)的受控裝置時(shí)，其控制的距離與發(fā)射功率成正

4、比。為了增加紅外線的控制距離，紅外發(fā)光二極管工作于脈沖狀態(tài)，因?yàn)槊}動光（調(diào)制光）的有效傳送距離與脈沖的峰值電流成正比，只需盡量提高峰值Ip，就能增加紅外光的發(fā)射距離。提高Ip 的方法，是減小脈沖占空比，即壓縮脈沖的寬度，一些彩電紅外遙控器，其紅外發(fā)光管的工作脈沖中空比約為1/41/3；一些電氣產(chǎn)品紅外遙控器，其占空比是1/10。減小沖占空比還可使小功率紅外發(fā)光二極管的發(fā)射距離大大增加。常見的紅外發(fā)光二極管，其功率分為小功率（1mW10mW）、中功率(20mW50mW)和大功率(50mW100mW以上)三大類。要使紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生調(diào)制光，只需在驅(qū)動管上加上一定頻率的脈沖電壓。2.1.2、555

5、定時(shí)器（1）定時(shí)器的組成和功能555定時(shí)器（又稱時(shí)基電路）是一個(gè)模擬與數(shù)字混合型的集成電路。按其工藝分雙極型和CMOS型兩類，其應(yīng)用非常廣泛。555定時(shí)器它主要由兩個(gè)高精度電壓比較器A1、A2，一個(gè)RS觸發(fā)器，一個(gè)放電三極管和三個(gè)5K電阻的分壓器而構(gòu)成。其內(nèi)部組成框圖：它的各個(gè)引腳功能如下：1腳：外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。8腳：外接電源VCC，雙極型時(shí)基電路VCC的范圍是4.5 16V，CMOS型時(shí)基電路VCC的范圍為3 18V。一般用5V。3腳：輸出端Vo2腳：低觸發(fā)端6腳：TH高觸發(fā)端4腳：是直接清零端。當(dāng)端接低電平，則時(shí)基電路不工作，此時(shí)不論、TH處于何電平，時(shí)基電路輸出

6、為“0”，該端不用時(shí)應(yīng)接高電平。5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個(gè)比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時(shí)，應(yīng)將該端串入一只0.01F電容接地，以防引入干擾。7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時(shí)器時(shí)電容的放電。（2）定時(shí)器的應(yīng)用多諧振蕩電路和工作波形具體工作原理如下，接通電源后，假定是高電平，則T截止，電容C充電。充電回路是VCCR1R2C地，按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)上升到2/3VCC時(shí)（TH、端電平大于2/3VCC），輸出翻轉(zhuǎn)為低電平。是低電平，T導(dǎo)通，C放電，放電回路為CR2T地，按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)下降到1/3VCC時(shí)（TH、端電平小于1/3VCC），輸出翻轉(zhuǎn)為高電平，放電

7、管T截止，電容再次充電，如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩，形成一定頻率的方波。經(jīng)分析可得:輸出高電平時(shí)間 輸出低電平時(shí)間 振蕩周期 輸出方波的占空比基于以上的了解，設(shè)計(jì)了下面兩種方案：方案一：基于51單片機(jī)的紅外發(fā)射管部分，原理是通過程序來控制51單片機(jī)的普通I/O口高低電平變化，再連接一個(gè)三極管驅(qū)動發(fā)射管。這個(gè)方案操作起來不難，程序調(diào)試容易，但用一個(gè)單片機(jī)來驅(qū)動一個(gè)發(fā)射管，顯然覺得有點(diǎn)大材小用。方案二：設(shè)計(jì)一個(gè)用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩電路來驅(qū)動發(fā)射管，這個(gè)方案只是用簡單的電路就可以實(shí)現(xiàn)不同頻率的可以改變占空比的的高低電平輸出，再用來驅(qū)動發(fā)射管。綜合分析考慮得到，方案二更加適合課程設(shè)計(jì)的要求，并且方

8、案二更加方便調(diào)試。2.2、接收部分設(shè)計(jì)方案通過閱讀文獻(xiàn)，首先對接收部分需要的元器件要有一定的了解。2.2.1、紅外接收管紅外接收管即光敏二極管，光敏二極管與普通光敏二極管一樣，它的PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕虼?，光敏二極管工作時(shí)應(yīng)加上反向電壓。接受二極管加上反向電壓，當(dāng)無光照時(shí)，電路中也有很小的反向飽和漏電流，一般為1 * 10-8 - 1X10 -9A(稱為暗電流)，此時(shí)相當(dāng)于二極管截止;當(dāng)有光照射時(shí)，PN結(jié)附近受光子的轟擊，半導(dǎo)體內(nèi)被束縛的價(jià)電子吸收光子能量而被擊發(fā)產(chǎn)生電子一空穴對O這些載流子的數(shù)目，對于多數(shù)載流子影響不大，但對P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子來說，則會使少數(shù)載流子的濃度大大提高，在反向

9、電壓作用下，反向飽和漏電流大大增加，形成光電流，該光電流隨入射光強(qiáng)度的變化而相應(yīng)變化。光電流通過負(fù)載RL時(shí)，在電阻兩端將得到隨人射光變化的電壓信號。光敏二極管就是這樣完成電功能轉(zhuǎn)換的。2.2.2、UA741運(yùn)算放大器uA741單運(yùn)放是高增益運(yùn)算放大器，用于軍事，工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用.這類單片硅集成電路器件提供輸出短路保護(hù)和閉鎖自由運(yùn)作。  這些類型還具有廣泛的共同模式，差模信號范圍和低失調(diào)電壓調(diào)零能力與使用適當(dāng)?shù)碾娢弧A741芯片引腳和工作說明： 1和5為偏置(調(diào)零端)，2為正向輸入端，3為反向輸入端，4接地，6為輸出，7接電源 8空腳741運(yùn)算放大器使用時(shí)

10、需于7、4腳位供應(yīng)一對同等大小的正負(fù)電源電壓Vdc與Vdc，一旦于2、3腳位即兩輸入端間有電壓差存在，壓差即會被放大于輸出端，唯Op放大器具有一特色，其輸出電壓值決不會大于正電源電壓Vdc或小于負(fù)電源電壓Vdc，輸入電壓差經(jīng)放大后若大于外接電源電壓Vdc至Vdc之范圍，其值會等于Vdc或Vdc。一般運(yùn)算放大器輸出電壓均具有如下圖特性曲線，輸出電壓于到達(dá)Vdc和Vdc后會呈現(xiàn)飽和現(xiàn)象。UA741運(yùn)算放大器的應(yīng)用反相放大電路反相放大電路之接法下圖，同樣是使用負(fù)反饋電路方式作動，只是此時(shí)信號由反相端輸入，故會得到與輸入端反相之輸出，當(dāng)輸入電壓V1增大時(shí)會使得輸出電壓Vo下降。此電路可以得到(R1/R

11、2)倍的輸出，當(dāng)a點(diǎn)電位為0V時(shí)，其輸出電流如式(1)為V1/R2，則根據(jù)課程設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了下面方案：一個(gè)利用運(yùn)算放大電路來對紅外接收管經(jīng)過電阻耦合出來的電壓信號進(jìn)行放大、整流、濾波，得到直流電壓信號。此時(shí)得到的電壓信號是由紅外接收管接收到發(fā)射管部分發(fā)射出來的紅外線產(chǎn)生的。3、電路圖設(shè)計(jì)及其原理3.1、發(fā)射部分原理圖3.1.1、發(fā)射部分原理圖詳細(xì)分析如圖所示，發(fā)射部分的左邊部分是555定時(shí)器的應(yīng)用多諧振蕩電路，定時(shí)器的三腳會輸出一定頻率的方波。具體分析已經(jīng)在上面介紹555定時(shí)器的部分做了詳細(xì)的分析，在此不再重復(fù)；而發(fā)射部分的右邊部分是紅外發(fā)射管的驅(qū)動電路，輸出的方波信號會令三極管Q2不斷處于

12、導(dǎo)通截止這兩種交換狀態(tài)。使得紅外發(fā)光二極管處于脈沖狀態(tài)，這樣增強(qiáng)了發(fā)射管的控制距離。3.1.2、發(fā)射部分原理圖參數(shù)計(jì)算根據(jù)多諧振蕩電路的原理，為了控制發(fā)射管的發(fā)射有效距離，在多諧振蕩電路中添加了一個(gè)滑動變阻器R13，這樣可以調(diào)節(jié)電路的振蕩頻率。根據(jù)振蕩周期的計(jì)算公式 可得：當(dāng)取C5為680pF時(shí)，可選R10為3K，R13為20K，再加一個(gè)變位器R11為100K，最大頻率：F=1/T=1/0.7（R10+2R13）C48.9KHz最小頻率：F=1/T=1/0.7（R10+R11+2R13）C14.7 KHz而定時(shí)器的輸出高電平時(shí)的電壓大概是電源電壓5V，三極管Q2取9013，其放大倍數(shù)大概位10

13、0，又要使得發(fā)射管的電壓為1.4V，電流盡量達(dá)到約為20mA，則Ic=20mAIb20/100=0.2mAR14=(電源電壓-Ube)/Ib=(5V-0.7)/0.222kR12=(5V-1.4V)/IC1803.1.3、發(fā)射部分PCB圖3.2、接收部分原理圖3.2.1、接收部分原理圖詳細(xì)分析電阻R9的確定：當(dāng)紅外接收管當(dāng)接收到紅外光是時(shí)，接收管產(chǎn)生的光電流通過負(fù)載R9，在電阻兩端將得到隨紅外光變化的電壓信號。經(jīng)過實(shí)踐調(diào)試，R9的阻值不能太大，如果太大，會使得接收管得到的分壓變小，反向電壓變小不利于產(chǎn)生光電流；如果太小，耦合出來的電壓信號會很小很小，這也不利于后級放大電路。所以可以取一個(gè)合適的

14、阻值22K,這樣接收管的反向電壓較大，電壓信號也足夠后級處理，而此時(shí)的電壓信號可以達(dá)到100mv。當(dāng)然還要看發(fā)射管和接收管的距離，距離越大，耦合出來的電壓信號就越小。信號放大：根據(jù)前面對UA741的了解，運(yùn)算放大器UA741可以通過外部電阻構(gòu)成反相比例運(yùn)算電路，因?yàn)槭欠聪嗟?，所以要兩級反相進(jìn)行處理得到正相的。一級反相比例運(yùn)算電路放大倍速100倍，二級反相比例運(yùn)算電路的放大倍數(shù)是可調(diào)的，這個(gè)為了協(xié)調(diào)接收部分和發(fā)射部分的距離而用的，可調(diào)范圍是1100倍。信號整流：經(jīng)過二級放大后，輸出的電壓信號已經(jīng)足夠大，但放大后的電壓信號是一種交流信號，存在負(fù)電壓，所以進(jìn)行整流，利用二極管D1整流，而二極管D2的

15、作用是把負(fù)電壓卸了從而保護(hù)二極管D1。信號濾波：電容C3會將整流后的電壓信號變得更加平緩，處理成穩(wěn)定的直流信號。同時(shí)，C3如果取得合適，還可以防止干擾。比如一只鳥飛過擋住了的紅外光，由于電容足夠大會把這些類似的信號濾掉。這里C3取10uf。信號報(bào)警：經(jīng)過濾波得到的電壓信號已經(jīng)是直流信號了，但如何又與蜂鳴器報(bào)警聯(lián)系呢？這里就取了個(gè)三極管，它在這里相當(dāng)于開關(guān)作用。如果接收到紅外光，產(chǎn)生電壓信號，則三極管Q1的集電極和發(fā)射極會一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，加上在集電極串聯(lián)的電位器R2，就可以調(diào)節(jié)三極管Q1的Uce的電壓很小，另與其并聯(lián)的有緣蜂鳴器B1相當(dāng)于被短路，蜂鳴器就不響，相當(dāng)于不報(bào)警；如果沒有接收到紅外光

16、，就是不產(chǎn)生電壓信號，三極管Q1的集電極和發(fā)射極會一直處于截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于開路。而蜂鳴器B1就與電位器R2串聯(lián)發(fā)出聲響報(bào)警。防止干擾：電容C1、C2在電路中起到同交流隔直流作用，主要是把前后級的靜態(tài)電壓和靜態(tài)電流分隔開來，不影響對電壓信號的放大。一般去0.01uf。3.2.2、接收部分原理圖參數(shù)計(jì)算根據(jù)反相比例運(yùn)算放大電路的計(jì)算公式得：取R5為1K,要放大100，則R1為100K。R6是平衡電阻，R6=R1/R51K同理可以求得，R4為1K,R7為1K，R3為電位器100K。3.2.3、接收部分PCB圖4、總結(jié)該探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較穩(wěn)定，將實(shí)際應(yīng)用中的一些因素考慮進(jìn)去，如穩(wěn)壓整流電路等，但也因?yàn)榭紤]因素比較多使整個(gè)電路比較繁雜，實(shí)際制作過程中電路比較臃腫而繁雜。 通過此次設(shè)計(jì)，我熟悉了光電探測電路的設(shè)計(jì)，以及在設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮到的種種因素，也熟悉了軟件的應(yīng)用。在設(shè)計(jì)中