精品資料（2021-2022年收藏）紅外報(bào)警系統(tǒng)(2)

1、高等光電技術(shù)與實(shí)驗(yàn)紅外報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓名：周文璨學(xué)號(hào)：2220110124摘要 設(shè)計(jì)了一種由經(jīng)過調(diào)制的紅外光作為發(fā)射光源，由光敏二極管作為接收端的簡單紅外報(bào)警系統(tǒng)。系統(tǒng)由發(fā)射、接收、濾波放大、檢波、判決報(bào)警等幾部分組成。在發(fā)射端與接收端出現(xiàn)遮擋時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警燈亮，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。實(shí)驗(yàn)要求本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是在無透鏡聚焦的條件下，用經(jīng)過信號(hào)調(diào)制后的小功率HG412A砷化鎵發(fā)光二極管的紅外光作為輻射光源，產(chǎn)生一條紅外警戒光束。在接收端使用2CU2D型硅光電二極管作為紅外光的光接收器，并用通用運(yùn)算放大器構(gòu)建放大濾波系統(tǒng)。當(dāng)警戒線被阻斷時(shí)，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，給出報(bào)警信號(hào)。要求系統(tǒng)在發(fā)射端為2K的負(fù)載條件下，報(bào)

2、警距離大于2米。系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中可以使用到的電子元器件器件有：紅外發(fā)射/接收對管、集成電路NE555和LF353、普通阻容元件等，使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有：萬用表、模擬示波器、信號(hào)發(fā)生器、多功能電源等。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案該系統(tǒng)如下圖1所示，分為5個(gè)部分。首先是用NE555定時(shí)器作為調(diào)制器，產(chǎn)生電壓調(diào)制信號(hào)，該信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)第二部分的發(fā)光二極管，在發(fā)射管與接收管之間設(shè)有警戒線，在接收管后利用通用運(yùn)算放大器LF353設(shè)計(jì)兩級放大電路，最后經(jīng)過檢波輸出的直流電壓信號(hào)通過比較器來驅(qū)動(dòng)報(bào)警的發(fā)光二極管，用于判斷是否存在遮擋。圖1系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)及分析發(fā)射部分為了提高發(fā)射系統(tǒng)的抗噪聲特性，增強(qiáng)接收端的信號(hào)識(shí)別性，需要對紅外

3、光進(jìn)行調(diào)制。用NE555定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)多諧振蕩器來產(chǎn)生一定頻率和一定占空比的方波，在這里選用常用的振蕩器的連接方法，定時(shí)器電阻R1和R2，其連接點(diǎn)接到555的7腳，C是定時(shí)電容。參數(shù)計(jì)算：選取調(diào)制頻率為6KHZ。由于電容的容值一般比較固定，故取計(jì)算得到：此時(shí)參數(shù)理論計(jì)算大致符合上述標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際測得信號(hào)頻率為5.7kHZ，并且在電平翻轉(zhuǎn)出有幅度較小的振蕩出現(xiàn)。在電源正負(fù)極之間接上一個(gè)103電容和330pF的電容，振蕩現(xiàn)象得到很大改觀。實(shí)驗(yàn)中還有如下結(jié)論：為保證占空比接近50%，需要R2遠(yuǎn)大于R1，但是R1的值小于一定值后，輸出的方波頻率便不再滿足原理中的參數(shù)計(jì)算。所以在實(shí)驗(yàn)中適當(dāng)?shù)奶岣哒伎毡纫悦獬?/p>

4、現(xiàn)這種情況。設(shè)計(jì)的電路如圖2所示：圖2這樣我們就能從555的三腳得到調(diào)制信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)二極管發(fā)光。用NE555組成振蕩器來驅(qū)動(dòng)發(fā)光管時(shí)，要注意發(fā)光管上一定要串聯(lián)一個(gè)限流電阻，使輸出電流小于或等于發(fā)光管的最大正向電流 。若振蕩器輸出電壓為 ，則限流電阻R取值為：如果限流電阻值低于上述公式所得數(shù)值或未加限流電阻，則會(huì)造成發(fā)光管和定時(shí)器燒毀。由于實(shí)驗(yàn)室面積有限，負(fù)載電阻太小則會(huì)使得測試距離太大，所以取負(fù)載電阻為2K。接收部分接收部分使光敏二極管處于反向偏置工作模式下，由光電接收管和LF353搭建的電壓跟隨器組成。具體如圖3所示。圖3負(fù)載電阻首先選取100K，通過示波器觀察接收到的信號(hào)波形，發(fā)現(xiàn)信號(hào)的上

5、升沿不夠陡峭，上升時(shí)間太長，導(dǎo)致信號(hào)無法達(dá)到最高值即出現(xiàn)放電。適當(dāng)縮小負(fù)載電阻的值，在同等條件下，測量波形，使得信號(hào)的峰峰值較大，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室電阻的阻值選定68K。在接收到信號(hào)之后，我們接入一個(gè)電容，以濾除信號(hào)中的直流成分，取電容值為0.01uf。由于光電接收管的光電流較小，故通過一個(gè)電壓跟隨器來增強(qiáng)該信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)保證信號(hào)的電壓值不變。信號(hào)放大濾波部分光電接收管所接收到的信號(hào)一般都非常微弱, 而且信號(hào)往往被附加了很多不同頻率的噪聲。因此, 要對這樣的微弱信號(hào)進(jìn)行放大和濾波的處理。這里先對信號(hào)進(jìn)行前置放大處理，然后將放大后的信號(hào)進(jìn)行濾波處理以將大部的分噪聲濾掉,將此信號(hào)再放大到后續(xù)處理所要

6、求的電壓幅度。這樣, 就需要通過放大電路、濾波電路使輸出幅度合適、濾掉大部分噪聲的待檢測信號(hào)。由于放大倍數(shù)達(dá)到30000倍左右，故需采用兩級放大，兩級放大電路均采用LF353搭建的放大器。LF353為雙運(yùn)算放大器集成芯片，它的主要參數(shù)如下：最大電源電壓：±18V，電壓增益：100dB，輸入阻抗：1012，共模抑制比：100dB，增益帶寬：4MHz，等效輸入噪聲電壓：，對6KHZ左右的信號(hào)能有600倍以上的放大倍數(shù)。由于同相放大器有輸入高阻抗的性能，則基本上不消耗信號(hào)的能量，對小信號(hào)有較好的適用性，故采用該種接法。在兩級放大電路之間利用LF353還可以搭建一個(gè)二階有源帶通濾波器。如下圖

7、4所示。圖4參數(shù)設(shè)置：由同相放大器的增益公式：考慮實(shí)驗(yàn)室電阻的阻值有限，并且模擬器件存在較大的誤差，故選取較大的放大倍數(shù)，第一級放大倍數(shù)設(shè)為101，第二級設(shè)為251。則電阻值為如下值：在兩級放大電路之間需要對信號(hào)進(jìn)行濾波，選取與發(fā)射端調(diào)制頻率一樣的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步放大，利用LF353搭建二階有緣帶通濾波器。由于在發(fā)射端實(shí)際測得的調(diào)制信號(hào)頻率為5.7KHZ，所以在濾波器的設(shè)計(jì)上也將中心頻率設(shè)為此值。相關(guān)的參數(shù)計(jì)算如下：中心頻率：品質(zhì)因數(shù)：帶寬：增益：計(jì)算所得數(shù)據(jù)如下：電路圖如圖5所示：圖5參數(shù)公式中的分別為上圖中的，由一個(gè)固定電阻和變阻器串聯(lián)而成，原因是模擬器件都是有誤差的，通過變阻器來對進(jìn)行微調(diào)

8、，可以在預(yù)設(shè)的中心頻率上進(jìn)行微小的改變，固定電阻則是確保濾波器的結(jié)構(gòu)不變。具體的操作方法是固定發(fā)射接收兩板，用改錐調(diào)節(jié)變阻器阻值，同時(shí)用示波器觀察濾波器輸出波形，當(dāng)信號(hào)峰峰值最大并且較為穩(wěn)定、雜波較少時(shí)說明濾波器處于最佳狀態(tài)。檢波輸出報(bào)警部分檢波輸出報(bào)警部分由檢波二極管以及LF353搭建的比較器以及報(bào)警二級管組成。具體電路圖如圖6所示：圖6信號(hào)經(jīng)過帶通濾波放大處理后，經(jīng)過二極管檢波，通過一個(gè)一階RC濾波電路得到直流電壓信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中使用LF353搭建比較器，在同相端接入固定電壓偏置，這樣就將得到的信號(hào)電壓與偏置電壓進(jìn)行比較輸出，當(dāng)信號(hào)端電壓大于參考電壓時(shí)沒有輸出，當(dāng)警戒光線被阻擋時(shí)，只有同相端電

9、壓輸入，此時(shí)輸出高電平，LED發(fā)光。固定電壓首先取2V，實(shí)驗(yàn)觀察遮擋時(shí)背景的起伏較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)未到達(dá)2V，所以減小比較電壓，這樣可以進(jìn)一步的增加報(bào)警距離，最后取1.5K能達(dá)到良好的效果。在RC濾波電路中，時(shí)間常數(shù)越大，放電愈慢，輸出電壓越高，脈動(dòng)成分也越少，即濾波效果越好。根據(jù)濾波電路計(jì)算公式：選取R=47K，C=0.01uf；此時(shí)，系統(tǒng)總體電路圖由于電路中會(huì)出現(xiàn)自激，我們在芯片的供電電源上接上去耦合電路，以消除自激給電路造成的干擾。具體的電路見總圖（圖7）中各個(gè)芯片的4腳和8腳。圖7實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)中，搭建電路完畢后，接通電源，當(dāng)我們將警戒光線擋住之后，電路中的LED亮起，完成報(bào)警工作。發(fā)射端與接收

10、端的最遠(yuǎn)距離達(dá)到2.8m，滿足設(shè)計(jì)的2m標(biāo)準(zhǔn)。以下為實(shí)驗(yàn)中測得的部分?jǐn)?shù)據(jù)、波形及電路圖。1.發(fā)射端調(diào)制信號(hào)發(fā)射端NE555的調(diào)制信號(hào)波形測試結(jié)果如圖8所示，頻率為5.78KHZ。圖82.接收端搭建電路在面包板上搭建的報(bào)警電路如圖9所示。圖93. 二階有源濾波器的輸出在無遮擋情況下，二階有源濾波器的輸出波形如圖10所示圖10由圖中可見，濾波器的輸出信號(hào)頻率為5.79KHZ，與發(fā)射端的調(diào)制信號(hào)頻率大體一致，同時(shí)波形也較為清晰穩(wěn)定，說明濾波器工作良好。4. 濾波器中心頻率在濾波器的輸入端接入一個(gè)頻率可調(diào)的信號(hào)發(fā)生器來測試設(shè)計(jì)的濾波器的中心頻率，測量標(biāo)準(zhǔn)為輸出波形與輸入信號(hào)相位上相差180度，實(shí)驗(yàn)測得

11、波形如圖11所示。圖11由圖可見，濾波器的中心頻率在5.67kHZ附近，與調(diào)制信號(hào)頻率大體相同。接著改變?yōu)V波器輸入端的信號(hào)頻率，當(dāng)信號(hào)幅度減少到中心頻點(diǎn)的0.707倍時(shí)記錄其截止頻率，結(jié)果為上限截止頻率為5.98kHZ,下限截止頻率為5.49kHZ，帶寬為490HZ，同時(shí)還測得濾波器增益為2.03，Q值為11.6。這與設(shè)計(jì)有些差距，可能是由于使用了變阻器導(dǎo)致具體的參數(shù)和設(shè)計(jì)的不同并且器件自身的誤差導(dǎo)致。5系統(tǒng)放大倍數(shù)在發(fā)射端負(fù)載為100同時(shí)發(fā)射接收兩端距離很小時(shí)，接收端相當(dāng)于直接接到了信號(hào)發(fā)生器上，此時(shí)可以方便的測量兩級放大電路的放大倍數(shù)。實(shí)際測得第一級的放大倍數(shù)為80倍左右，第二級的放大倍數(shù)

12、為200倍左右，這樣系統(tǒng)的總體放大倍數(shù)為兩級放大器與濾波器增益的乘積，約為32000倍。6比較器輸入端波形在最遠(yuǎn)距離情況下，未遮擋和遮擋情況下的比較器反向輸入端波形如圖12和圖13所示。圖12圖13可以觀察到，未遮擋情況下信號(hào)以及遮擋情況下噪聲和比較電平之間均有一定裕量，這樣保證了系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)或者誤報(bào)率較低?？偨Y(jié)本次實(shí)驗(yàn)基本完成了預(yù)計(jì)的設(shè)計(jì)任務(wù)，感謝張老師在實(shí)驗(yàn)中給予的悉心指導(dǎo)與幫助，同時(shí)也有不足可以改進(jìn)：1.可以使用低噪聲的放大器；2.在設(shè)計(jì)中使用多級濾波來確保信號(hào)的純凈；3.在運(yùn)算放大器輸入時(shí)，使用差動(dòng)運(yùn)放，減少噪聲。在實(shí)驗(yàn)中也遇到了如下的問題并進(jìn)行了一定的思考：1.發(fā)射管與接收管的三

13、個(gè)角度（航向、俯仰、橫滾）的對齊對結(jié)果影響較大，實(shí)驗(yàn)中我們采取的措施是將兩管的引腳均貼在面包板表面上，但是兩塊板子的厚度不一樣，對管子的角度對齊還是存在影響；2.每次實(shí)驗(yàn)發(fā)射端的發(fā)射頻率均出現(xiàn)起伏，原因可能是碳膜電阻與陶瓷電容元件對溫度等外界條件的靈敏度較高，收影響比較大，所以每次實(shí)驗(yàn)的第一項(xiàng)工作是確定發(fā)射端頻率，接下去再去調(diào)后續(xù)的濾波電路等。3.濾波器選擇的帶寬不能太大，這樣Q值會(huì)影響很大，有更多頻率的諧波被當(dāng)成有用信號(hào)而未被濾掉，容易對后續(xù)電路產(chǎn)生影響產(chǎn)生誤報(bào)。4.起初設(shè)計(jì)的檢波電路未使用比較器，方法如圖14這種方法的不足是二極管的管壓降較低，需要將信號(hào)放大到較高的值，對系統(tǒng)性能要求較高，而使用運(yùn)放是模擬器件，放大倍數(shù)過大容易將噪聲也放大且容易產(chǎn)生自激振蕩。而比較器可以根據(jù)噪聲的強(qiáng)度來控制比較電平，從而在信號(hào)相對較弱的情況下也能檢測到，系統(tǒng)性能更好。圖14思考題：當(dāng)阻斷警戒線的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度較快時(shí)，接收電路及電路的參數(shù)如何考慮才能確?？煽繄?bào)警。答：在目標(biāo)速度較快時(shí)能夠正確報(bào)警，系統(tǒng)需要有較短的相應(yīng)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)中采用的是硅光電二極管，在使用時(shí)等效為一個(gè)高