通信技术毕业设计-光电保护控制的设计与实现.doc

南 充 职 业 技 术 学 院毕 业 设 计光电保护控制的设计与实现 院 系： 信息与管理工程系 专 业： 通信技术 姓 名： 陈奎旭 学 号： 1104105137 指导老师： 余桥伟 2013年11月7南充职业技术学院第一章 绪论1.1、引言 随着现代电子技术、计算通信技术的迅速发展，有关防盗报警方面的产品愈来愈丰富。尤其红外技术得到了迅猛的发展，红外探测技术已渗透到国民经济的各行各业和人们生活的方方面面。作为红外防盗的一种新技术，它已越来越得到社会的各界的重视和广泛应用。本设计介绍的就是这么一种功能实用、价格低廉、使用方便的防盗系统。它基于红外线基础理论并结合了国内外同类系统的优点，采用了红外对射作为输出、接收、信号经逻辑处理电路从而实现报警功能。1.2、选题背景和意义 进入21世纪以来，光电控制技术正在迅速取代常规电气控制技术，从而在运动控制、工程监控系统等领域得到广泛的应用。光电传感器由于具有响应速度快，无接触，低耗能，体积小，安装简便等优点而被广泛应用于自动化系统；可编程控制器由于编程方便，适应性强，抗干扰，可进行网络通信等，已经奠定了在控制系统应用中的主导地位。随着控制技术的发展和更新，了解和掌握光电控制技术与系统的原理、结构和应用是非常必要的。随着时代的不断进步，人们对自己所处的环境的安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，不得不时刻留意那些不速之客。现在很多小区都安装了智能报警系统，因而大大提高了小区的安全程度，有效保证了居民的人身财产安全。由于红外线是见不得光的，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到广泛的应用。为了防止各种偷盗和暴力事件的发生和危害，确保大厦的安全，生命和财产不受损害，智能保安系统的设置是必要的。科技的发展，新的犯罪手段对保安系统也提出了新的要求，在信息时代的今天，对钱、财物、人身安全的保护是一方面，而对储存在计算机里的大量的重要文件、数据更需要保护。在一个智能大厦内，不仅对外部人员要防范，对内部人员也要加强治理；对某些重要的地点，物品，以及重要的人物也需要非凡的保护。因此，对现代化的大厦，需要设置多层次。立体化的保安系统。防盗报警器的作用防盗报警系统就是用探测器对建筑物内外重点区域，重要地点布防，在探测带非法入侵者时，信号传输到报警控制器；声光报警，显示地址，有关值班人员接到报警后，根据情况采取措施，以控制事态的发展。智能建筑的防盗报警系统，负责建筑内各个点，线，面和区域的侦测任务，探测器负责探测人员的非法入侵，有异常情况发生声光报警，同时向区域报警器发送信息。目前用得较多得是红外对射式，它由红外发射器和接收器组成，只要有人入侵，人体将红外信号挡住，报警系统便会被启动，在实际运用中，经常会将多束红光装于一套系统中，形成长的一排，既常说的“红外栅栏”，同时为了提高抗干扰性，将发射的红外信号进行编码加密，而在接收端则进行解码以区分是有用信号还是干扰信号。本次设计一个红外对射防盗报警器，这对于我们的平时生活的家庭，小区，一些重要的场所等形成一个安全监控，从而保护人们的财产，这个意义对于个人或者集体还是挺大的。1.3、红外对管的基本概念 红外对管是在led行业中命名的，是专门用来接收和感应红外线发射管发出的红外线光线的。红外对管是红外发射管与光敏接收管，或者是红外接收管，或者红外线接收头配合在一起使用的总称。光敏接收管，它是一个具有光敏特征的pn结，属于光敏三极管，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时，有很小的饱和反向漏电流（暗电流）。此时光敏管不导通。当光照时，饱和反向漏电流马上增加，形成光电流，在一定的范围内它随入射光强度的变化而增大。红外线接收管功能与光敏接收管相似只是不可见光的干扰，属于光敏二极管，只对红外线有反应。红外线接收头就是在红外线接收管的基础上进行放大的信号的作用，类似与三极管的放大效果。第二章 报警器相关元件介绍2.1、红外射线原理 红外线是太阳光线中众多不可见光线的一种，由英国科学家霍胥尔于1800年发现，又称为红外辐射，他将太阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计，试图测量各种颜色的光的加热效应。结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快。因此得到结论：太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。也可以当作传输之媒介。太阳光谱上红外线的波长为0.751000m。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为0.751.5m之间；中红外线，波长为1.506.0m之间；远红外线，波长为6.01000m之间。 真正的红外线夜视仪是光电倍增管成像，与望远镜原理完全不同，白天不能使用，价格昂贵且需电源才能工作。 在光谱中波长自0.76至400微米的一段称为红外线，红外线是不可见光线。所有高于绝对零度（-273）的物质都可以产生红外线。现代物理学称之为热射线。医用红外线可分为两类：近红外线与远红外线。 近红外线或称短波红外线，波长0.761.5微米，穿入人体组织较深，约510毫米；远红外线或称长波红外线，波长1.5400微米，多被表层皮肤吸收，穿透组织深度小于2毫米。 红外线的物理特性：1.有热效应2.穿透雨雾的能力强（波长较长，易于衍射）红外线的波长范围：近红外线（near infra-red,nir）:7002,000nm0.72micron中红外线（middle infra-red,mir）:3,0005,000nm35micron远红外线（far infra-red,fir）:8,00014,000nm814micron2.2、二极管原理及特性 半导体二极管又称晶体二极管，简称二极管（diode）； 它是只往一个方向传送电流的电子零件。它是一种具有1个零件号接合的2个端子的器件，具有按照外加电压的方向，使电流流动或不流动的性质。2.2.1、二极管的工作原理 晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流i0。当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。2.2.3、二极管的应用 1、整流二极管 利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换单一方向的脉动直流电。 2、开关元件 二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关；在反向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。利用二极管的开关特性，可以组成各种逻辑电路。 3、限幅元件 二极管正向导通后，它的正向压降基本保持不变（硅管为0.7v，锗管为0.3v）。利用这一特性，在电路中作为限幅元件，可以把信号幅度限制在一定范围内。 4、继流二极管 在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起继流作用。 5、检波二极管 在收音机中检波作用 6、变容二极管 使用于电视机的高频头中。 7、显示元件 用于电视机显示器上2.2.4、二极管的导电特性 二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特性。 1、正向特性 在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。必须说明。当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.2v，硅管约为0.6v）以后，二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3v，硅管约为0.7v），称为二极管的“正向压降”。 2、反向特性 在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为方向偏置。二极管处于方向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。2.2.5、二极管的主要参数 用来表示二极管的性能好坏和适用范围的技术指标，称为二极管的参数。不同类型的二极管有不同的特性参数。对初学者而言，必须了解以下几个主要参数： 1、最大整流电流 是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值，其值与pn结面积及外部散热条件等有关。因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度（硅管为140左右，锗管为90左右）时，就会使管芯过热而损坏。所以在规定散热条件下，二极管使用中不用超过二极管最大整流电流值。例如，常用的in4001-4007型锗二极管的额定正向工作电流为ia。 2、最高反向工作电压 加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。为了保证使用安全，规定了最高反向工作电压值。例如，in4001二极管反向耐压为50v，in4007反向耐压为1000v。 3、反向电流 反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过二极管的反向电流。反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系，大约温度每升高10，反向电流增大一倍。例如2api型锗二极管，在25时反向电流若为250a，温度升高到35，反向电流将上升到500a，以此类推，在75时，它的反向电流已达8ma，不仅失去了单方向导电特性，还会使管子过热而损坏。又如，2cp10型硅二极管，25时反向电流仅为5a，温度升高到75时，反向电流也不过160a。故硅二极管比锗二极管在高温下具有较好的稳定性。 4、最高工作频率 二极管工作的上限频率。超过此值是，由于结电容的作用，二极管将不能很好地体现单向导电性。2.3、三极管原理及特性 半导体三极管也称为双极型晶体管，晶体三极管，简称三极管，是一种电流控制电流的半导体器件。 作用：把微弱信号放大成幅值较大的电信号，也用作无触点开关。2.3.1、三极管工作原理 晶体三极管按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有npn和pnp两种结构形式，但使用最多的是硅npn和pnp两种三极管，两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍npn硅管的电流放大原理。 对于npn管，它是由2块n型半导体中间夹着一块p型半导体所组成，发射区与基区之间形成的pn结称为发射结，而集电区与基区形成的pn结称为集电结，三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。 当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而c点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源ec高于基极电源ebo。 在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子极基区的多数载流子很容易地越过发射结互相向对方扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流le。 由于基区很薄，加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流ic，只剩下很少的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源eb重新补给，从而形成了基极电流ibo。 三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。2.3.2、三极管的主要参数 a.特征频率ft：当f=ft时，三极管完全失去电流放大功能，如果工作频率大于ft，电路将不正常工作。 b.工作电压/电流：用这个参数可以指定该管的电压电流使用范围。 c.hfe：电流放大倍数。 d.vceo：集电极发射极反向击穿电压，表示临界饱和时的饱和电压。 e.pcm：最大允许耗散功率。 f.封装形式：指定该管的外观形状，如果其它参数都正确，封装不同将导致组件无法在电路板上实现。 三极管的脚位判断，三极管的脚位有两种封装排列形式，如下图：2.3.3、三极管的三种工作状态 截止状态：当加在三极管发射结的电压小于pn结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，我们称三极管处于截止状态。 放大状态：当加在三极管发射结的电压大于pn结的导通电压，并处于某一恰当的值时，三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，这时基极电流对集电极电流起着控制作用，使三极管具有电流放大作用，其电流放大倍数=ic/ib，这时三极管处于放大状态。 饱和导通状态：当加在三极管发射结的电压大于pn结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不怎么变化，这时三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态称之为饱和导通状态。 根据三极管工作时各个电极的电位高低，就能判别三极管的工作状态，因此，电子维修员在维修过程中，经常要拿多用电表测量三极管各脚的电压，从而判别三极管的工作情况和工作状态。2.4、电容特性及参数 电容是表征电容器容纳电荷的本领的物理量。我们把电容器的两极板间的电势差增加1伏所需的电量，叫做电容器的电容。电容从物理学上讲，它是一种静态电荷存储介质，它的用途较广，它是电子、电力领域中不可缺少的电子元件。主要用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、隔直流等电路中。电容的符号是c。2.4.1、标称电容量和允许偏差 标称电容量是标志在电容器上的电容量 电容器实际电容量与标称电容量的偏差称误差，在允许的偏差范围称精度。 精度等级与允许误差对应关系：oo（01）-1%、o（02）-2%、-5%、-10%、-20%、-（+20%-10%）、-（+50%-20%）、-（+50%-30%）。 一般电容器常用、级，电解电容器用、级，根据用途选取。2.4.2、额定电压 在最低环境温度和额定环境温度下课连续加在电容器的最高直流电压有效值，一般直接标注在电容器外壳上，如果工作电压超过电容器的耐压，电容器击穿，造成不可修复的永久损坏。2.4.3、绝缘电阻 直流电压加在电容上，并产生漏电电流，两者之比称为绝缘电阻。 当电容较小时，主要取决于电容的表面状态，容量为0.1uf时，主要取决于介质的性能，绝缘电阻越大越好。 电容的时间常数：为恰当的评价大容量电容的绝缘情况而引入了时间常数，他等于电容的绝缘电阻与容量的乘积。2.4.4、损耗 电容在电场作用下，在单位时间内因发热所消耗的能量叫做损耗。各类电容都规定了其在某频率范围内的损耗允许值，电容的损耗主要由介质损耗，电导损耗和电容所有金属部分的电阻所引起的。 在直流电场的作用下，电容器的损耗以漏导损耗的形式存在，一般较小，在交变电场的作用下，电容的损耗不仅与漏导有关，而且与周期性的极化建立过程有关。2.4.5、频率特性 随着频率的上升，一般电容器的电容量呈现下降的规律。 低频中使用的范围较宽，如可以使用高频特性比较差的，但是在高频电路中就有了很大的限制了，一旦选择不当会影响电路的整体工作状态。 一般的电源里用的有电解电容、瓷片电容，但是在高频中就要使用云母等价格较贵的电容，就不可以使用涤纶的电容和电解的电容，因为它们在高频情况下会形成电感，以致影响电路的工作精度。 第三章 设计思路3.1、设计思路与方案论证 红外报警器分为主动红外报警器和被动红外报警器。 主动红外报警器简单、方便、实用、且易于实现；被动红外报警器虽然功能强大、监控的范围广、精确、但要求较高、不易于实现。所以总结以上观点，我决定选设计主动红外报警器。3.2、设计思路 本设计思路如上图所示。通上电后，红外线发射电路开始工作，发射出红外线（电信号转化为光信号），接收电路接收到红外线并转化为电信号。芯片cd4011经逻辑处理输出高电平时，电路不报警；当发射管与接收管之间有物体挡住红外线时，cd4011逻辑处理后输出变为低电平，从而电路报警。第四章 装置的功能调试 1、所有元件安装后接上电源，电