《红外报警系统》

高等光电技术与实验高等光电技术与实验红外报警系统设计红外报警系统设计摘要：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。关键词：二极管；信号放大；报警1、引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，系统当即做出反应，发出报警信号。2、设计任务和要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、系统总体方案设计分析本系统由图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。图 1 系统原理框图4、系统电路分析4.1 发射系统用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 2 NE555连接方法4.1.1 NE555参数计算（1）充电时间T1。电路充电过程中，的初值和终值分别为： 充电时间常数为：代入计算一阶电路过渡过程的公式，得：当t=T1时，代入上式得：（2） 放电时间T2。同理，放电过程中的初值和终值分别为： 放电时间常数为：代入计算一阶电路过渡过程的公式：当t=T2时，得：故输出脉冲周期为：振荡频率为：输出矩形的占空比为：4.1.2 参数选择系统设计中，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。所以我们可以取RA=500，RB=10k这时占空比为 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：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 接收系统在接收端，我们使光敏二极管处于反向偏置工作模式下。接收端系统电路部分如图3所示图 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 信号放大滤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 放大电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：。实验设计中使用一般的反相放大电路，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。图 4 基本反相放大电路4.3.2 滤波电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：图 5 二阶有源带通滤波器（1）（2）（3）（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。图 6 改进后滤波器4.4 检波输出系统检波系统电路如图7所示。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，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，一般取电路中我们选取103独石电容，R=20k，此时满足设计要求。5、系统电路总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。图 8 系统电路总图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C10uF4电阻R2011004500175011k42k210k3100k2200k2470k1可变电阻R1k16、组装调试6.1 发射系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，所以周期为满足设计要求。图 10 发射系统输出波形6.2 接收总体电路依据设计的电路，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