光电报警实验指导书.doc

光电报警实验指导书 一、内容简介-2- 二、实验仪说明-2-第二章实验指南-4- 一、实验目的-4- 二、实验内容-4- 三、实验仪器-4- 四、实验原理-4- 1、光电报警系统设计原理-4- 2、单路红外遥控电路设计原理-7- 五、注意事项-8- 六、实验步骤-9- 1、红外发光二极管驱动电流测试实验-9- 2、锁相环原理及应用测试实验-9- 3、利用锁相环设计光电报警实验-9- 4、信号检波设计光电报警系统实验-10- 5、单路红外遥控设计实验-11- 6、自拟红外报警系统实验-12- 7、自拟红外遥控系统实验-13- 七、思考题-13-第一章光电报警红外遥控实验仪说明 一、内容简介GCGDBJ-B型光电报警及红外遥控实验仪是光电检测器件应用实验仪，是一种半自拟实验，利用一些光电器件及外围电路设计成实现某种实际应用的功能的产品模型，如光电报警、红外遥控等等。 光学器件采用金属封装，并配备有光学导轨，设计调节记录方便。 电路部分模块化功能设计，有电源模块、光调制模块、光电弱信号放大模块、判决模块、锁相环模块、报警保持模块、报警电路、电子器件设计区等几部分组成，各功能模块的输入输出留有连接插座，实现的功能独立，选用不同的模块以实现不同的功能。 另外，还配备有大量的电源输出、电阻、电容、二极管、粗调电位器、细调电位器、运算放大器，作为学生自已设计以及扩展使用，提高学生动手动脑能力。 光电报警系统是采用砷化镓发光管组成的发射系统，在发射和接收系统之间有红外光束警戒线。 当警戒线被阻断时，接收系统发出报警信号。 要求系统在给定器件的条件下作用距离尽可能远。 红外遥控与电视的遥控器原理一样，通过发射编码，接收解码的方式识别所发射的数据，再对所解码的数据进行处理。 二、实验仪说明电源模块+5V，GND，-5V为实验箱提供设计电源S1，按下则箱体接通电源，相应的电源指示灯亮光源模块LED+，红外发射二极管驱动输出端+LED-，红外发射二极管驱动输出-T53，调制波信号输出口（扩展用）图1光电报警及红外遥控实验仪主机箱TP1，调制信号测试点GND1，测试接地点放大电路PD+，探测器接收信号输入端+PD-，探测器接收信号输入端-T5，放大后信号输出端TP2，放大输出信号测试点判决电路T6，判决信号输入端T7，判决信号输出端TP3，判决输出信号测试点锁相环T8，待锁相信号输入端T9，锁相信号输出端TP5，锁相环信号输出端测试点报警保持T10，保持信号输入端T11，保持信号输出端S2，保持信号复位报警电路T50，发光报警输入端，接入此电路仅发光（用于实验调试用）T52，声音报警输入端，接入此电路仅发声，若同时接入T50T52则同时发光报警和声音报警器件区R18=1K，R21=1K，R33=100K，R22=1K，R23=1K，R20=2.2K，R24=5.1K，R19=10K E5=10uF/25V C11=1uF/63V C10=0.1uF/63V W6010K精密可调电位器W40100K电位器第二章实验指南 一、实验目的 1、了解红外砷化镓发光二极管与光电二极管的具体应用 2、练习自拟简单的光电系统试验 3、了解主动式光电报警系统设计原理 4、了解红外遥控电路的设计原理 5、了解锁相环的原理及应用 6、对影响光电探测性能的各种参数进行探讨，以求最大限度地发挥系统的探测能力 二、实验内容 1、红外发光二极管驱动电流测试实验 2、锁相环原理及应用测试实验 3、利用锁相环设计光电报警系统实验 4、利用信号检波设计光电报警系统实验 5、单路红外遥控设计实验 6、自拟光电报警系统实验 7、自拟红外遥控设计实验 三、实验仪器 1、光电报警综合应用实验箱1个 2、红外发射装置1个 3、光电接收装置1个 4、2#迭插头对（红色，50cm）15根 5、2#迭插头对（绿色，50cm）15根 6、三相电源线1根 7、实验指导书1本 8、示波器1台 9、万用表1台 四、实验原理 1、光电报警系统设计原理光电报警系统是一种重要的监视系统，目前其种类已经日益增多。 有对飞机、导弹等军事目标入侵进行的报警系统，也有对机场、重要设施或危禁区域防范进行报警的系统。 一般说来，被动报警系统的保密性好，但是设备比较复杂；而主动报警系统可以利用特定的调制编码规律，达到一定的保密效果，设备比较简单。 本系统可由图1所示的五个部分组成。 调制电源提供红外发射二极管确定规律变化的调制电流，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。 转换后的信号经放大，检波后控制报警器，全部实验电路自拟。 下面对调制电源和检波、报警电路各举一个简单的例子，也可选用于系统中。 （1）用NE555定时器构成多谐振荡器作调制电源。 555NE1234568VCCV2R1R1CA7D NE555集成电路用它构成占空比为50%的多谐振荡器原理图如图2所示。 下面对照电路图简述其工作原理及参数选择。 在前半周期，V1通过R 2、D对C1充电，由于二极管D的作用，电流不经过R1，因此其充电时间T1为121211323lnln2VVTR CRCVV-=-而在后半周期，电容放电时，二极管反向电阻无穷大，555内部的三极导通，电流通过R1至7脚直接放电，此时其放电时间T2为211111323lnln2VVTRCRCVV-=-当A点电压上升到上限阈值电压（约CCV32）时，定时器输出翻转成低电平。 这时，A点电压将随1C放电而按指数规律下降。 当A点下降到下限阈值电压（约CV32）时，定时器输出又变成高电平，调整1R、2R的电阻值得到严格的方波输出。 当R1=R2时，输出为方波信号。 图2光电报警原理方框图图3NE555定时器构成多谐振荡器其输出频率为1211112ln2fTTRC=+参考值1215.65.6RKRKC=W=W，=0.1?F()111.441.32ZfKHRC换用NE555组成振荡器来作红外发射信号时，由于红外发光管BT401的工作电流在30mA以上，因此要加一个三极管驱动电路。 使输出电流大于或等于红外发光管的最小工作电流FI。 其驱动电路的参考电路图如下图4。 （2）信号放大及报警用参考电路原理电路如图5所示，先用12353LF构成一个放大电路，将光敏二极管所接收的电流信号放大。 再用12353LF构成一个比较器，放大器的正端加2V左右偏压，负端加信号电压。 当光线未被阻断时，从放大器来的交流信号经二极管检波电路，再经CR2低通滤波器后得到直流电压，使后面的放大器负输入端电位大于或等于正输入端电位。 则放大器输出电压近似为零，LED截止，报警器不发声；当光线被阻断时，信号消失，放大器只有正端加正电压，输出为正电压，LED发光，报警器发声，以示报警。 电阻8R是LED的限流电阻。 在检波电路部分,C1为隔直电容,滤除电路或环境所带来的直流成分,也可以通过提高判决电平的高低来滤除直流成分的干扰。 参数值R11KR21KR3100KR4100KR51KW110KC10.1uF C21uF图4红外发光二极管驱动电路 （3）报警保持电路阻断发射系统和接收系统的红外光束时，比较器的输出变为高电平，而当发射系统和接收系统的红外光恢复时，输出又变为低电平；如果用手晃过，阻断的时间非常短，要让报警系统持续报警，就应在比较器的输出加上报警保持电路。 2、单路红外遥控电路设计原理在不需要多路控制的应用场合，可以使用由常规集成电路组成的单通道红外遥控电路。 这种遥控电路不需要使用较贵的专用编译码器，因此成本较低。 单通道红外遥控发射电路方框图如图6所示图6单路红外遥控原理图如图6所示。 光调制部分采用555定时器构成多谐振荡器，用它产生占空比为11的方波信号，通过调整不同的电容值而产生不同频率的方波信号，即调制信号，设定不同频率的调制信号代表不同的意义，如设定1K频率的信号代表数字“1”，10K频率的信号代表数字“2”等等；通过红外发光二极管发射信号，由光敏二极管接收放大判决后得到原始的调制信号，再将调制信号送入锁相环电路。 若输入的信号与锁相环设置的中心频率一致时，输出为低电平，从而实现了单路红外遥控的功能。 可见，本实验的核心即为红外接收解调控制电路。 图7为红外接收解调控制电路。 图中，IC1是LM567。 LM567是一片锁相环电路芯片，采用8脚双列直插塑封。 其、脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2，f21/1.1RC。 其、脚通常分别通过一电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。 脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽电容值越大，环路带宽越窄。 脚所接电容的容量应至少是脚电容的2倍。 脚是输入端，要求输入信号25mV。 脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为100mA。 LM567的工作电压为4.75图5报警用参考电路9V，工作频率从直流到500kHz，静态工作电流约8mA。 LM567的内部电路及详细工作过程非常复杂，这里仅将其基本功能概述如下当LM567的脚输入幅度25mV、频率在其带宽内的信号时，脚由高电平变成低电平，脚输出经频率/电压变换的调制信号；如果在器件的脚输入音频信号，则在脚输出受脚输入调制信号调制的调频方波信号。 在图4的电路中我们仅利用了LM567接收到相同频率的载波信号后脚电压由高变低这一特性，来形成对控制对象的控制。 图7红外接收解调控制电路弄清了LM567的基本工作原理和功能后，再来分析图7电路便非常简单了。 IC1是红外接收头，它接收发射器发出的红外信号，其中心频率与发射器载波频率f0相同，在输出端OUT输出频率为f1的方波信号，也就是与图3中A点波形相同的信号。 我们将LM567的中心频率调到与发射器中“与非”门 1、2振荡频率相同，即使f2=f1。 则当发射器发射信号时，LM567便开始工作，脚由高电平变为低电平，利用这个变化的电平便可去控制各种对象。 利用图7的电路，我们可以做成遥控开关，遥控家里的各种家用电器。 实际上，利用图7所示的电路，我们也可以较容易地将其改造成多路遥控电路。 方法是在发射器中将改变电阻和电容的值，使之产生若干种频率不同的调制信号；在接收电路中，设置若干只LM567，其输入均红外接收头，各个LM567的振荡频率不同但与发射端一一对应。 这样当发射器按压不同的按钮，接入不同的调制信号时，在接收端对应的LM567的脚的电平就会发生变化，由此形成多路控制。 严格说来，这属于一种频分多路，与数字编译码多路控制相比，缺点是调试比较复杂。 但在有些场合，如在多路报警中，也有其一席之地。 因在报警应用场合中，需要解决两路以上同时报警的问题时，用时分多路存在复杂的同步问题，在频宽允许的情况下用频分多路则很容易解决。 五、注意事项 1、实验过程中，未经指导老师的许可，请勿随意拆开光通路组件，以免损坏光学器件。 2、实验过程中，请勿带电连线，以免烧坏电子元器件。 3、红外发射二极管组件及光敏二极管的结构组件中，P、N极分别与红和黑的接插件相连。 4、报警保持电路中的声音报警使用的是扬声器发声，发光报警是使用发光二极管发光，二者电路上是独立的，可并联使用。 在实验调试过程中，建议使用发光报警模式，以免实验过程中影响其他人实验。 六、实验步骤 1、红外发光二极管驱动电流测试实验 （1）安装好光发射装置和光接收装置，并且使红外发光二极管与光电二极管在同一水平线上。 （2）将光源调制单元的T1（LED+）和电流表的“+”极相连，将电流表的“-”极与光发射器件的P极相连，光源调制单元的T2（LED-）与光发射器件的N极相连。 光源调制单元J2上的短路块与C9电容相连。 （注C9，C15，C13的电容值分别为473(0.047uF)，103(0.01uF)，472(0.0047uF)） （3）打开电源开关，再打开直流开关，发光二极管D 4、D5亮。 用示波器测试光源调制单元的调制信号TP1，调节相应的电位器使得调制波形为11的方波信号。 （4）读出电流表的读数，即为此时红外发光二极管的驱动电流。 （5）将光源调制单元J2上的短路块分别与103和472相连，用同样的方法测试出相应的红外发光二极管的驱动电流。 并进行比较。 电容选择473103472驱动电流（mA） （6）实验完成，关闭直流开关与电源开关，将短路块与473电容相连，拆除各导线。 （结论改变驱动频率时，发光二极管的驱动频率也随之改变） 2、锁相环原理及应用测试实验 （1）光源调制单元J2上的短路块与C9电容相连，将光源调制模块的T53（方波输出）与锁相环模块T8（锁相环输入）相连。 （2）打开电源开关以及直流开关，调节光源调制电位器，并用示波器测试方波输出的信号TP1，直到信号输出为11的方波为止。 记录此时信号的幅度的频率。 （3）调节锁相环模块的电位器，使本振频率与锁相环输入信号频率一致，再用示波器测试锁相环输出信号TP5，观察调节过程中的波形，直到输出为低电平为止，此时锁相已经成功。 （4）用示波器测试锁相环模块芯片U4（NE567）的第五脚，（所测试的信号即为锁相环的本振频率，当锁相环的输入信号与本振频率信号一致时，锁相成功，输出即为低电平。 ）记录此时的信号幅度和频率，与锁相环输入信号进行比较。 （5）实验完成，关闭直流电源和交流电源，拆除各导线。 3、利用锁相环设计光电报警实验 （1）安装好光发射装置和光接收装置，并且使红外发光二极管与光电二极管在同一水平线上。 （2）将光源调制单元的T1（LED+）和T2（LED-）分别与光发射单元的P极和N极相连，光接收单元的P极和N极分别与T3（PD+）和T4（PD-）。 光源调制单元J2上的短路块与C9输入信号本振频率信号频率（Hz）信号幅度（V）电容相连。 （3）连接放大输出T5与判决输入T6，连接判决输出T7与锁相环输入T8，将锁相环输出T9送入报警保持的输入T10，输出T11接入报警电路T50。 （4）打开电源开关，再打开直流开关，发光二极管D 4、D5亮。 用示波器测试光源调制单元的调制信号TP1，调节相应的电位器使得调制波形为11的方波信号，记录此时的信号波形。 （5）调节放大模块电位器，并用示波器测试放大输出TP2，直到放大信号幅度调节到最大为止。 （6）示波器CH1测试判决输出TP3，示波器CH2测试光源调制输出TP1,调节判决模块的电位器，直到TP3波形与TP1的波形一致为止。 （7）调节锁相环模块的电位器，示波器CH1测试锁相环芯片的5脚,观察调节过程中的波形变化，当方波重合时，锁相成功；用示波器CH2测试锁相环输出信号TP5，此时可以看到波形为低电平。 （8）用手或其它物体阻断光发射与光接收之间的警戒线时，报警电路模块的发光二极管会亮，按下报警保持模块的轻触开关，发光二极管会熄灭。 若实验不成功，检查各部分的连线情况重新实验。 （9）关闭直流电源，将T50与T52相连。 打开直流开关，用手或其它物体阻断光发射与光接收之间的警戒线时，报警电路模块会同时发光报警和声音报警，光电报警设计完成。 （10）改变光源调制单元的驱动频率，将J2上的短路块分别与C15和C13相连，重复上述实验步骤，观察并记录实验现象。 （11）实验完成，关闭直流电源和交流电源，拆除各导线，将J2短路块与C9相连。 4、信号检波设计光电报警系统实验 （1）安装好光发射装置和光接收装置，并且使红外发光二极管与光电二极管在同一水平线上。 （2）将光源调制单元的T1（LED+）和T2（LED-）分别与光发射单元的P极和N极相连，光接收单元的P极和N极分别与T3（PD+）和T4（PD-）。 光源调制单元J2上的短路块与C9电容相连。 （3）按如图8所示的电路图连接电路，在设计模块中取不同的电阻、电容值，使用连接导线连接出电路。 图中C2为滤波电容，通过D1整流，C2滤波后得直流信号，R6和R7组成比较电平，当滤波所得到直流信号高于比较电平时，输出为高电平。 （4）连接放大输出T5与判决输入T6，T7接入下图中的接入端，输出端接入报警保持的输入端T10，T11接入报警保持电路T50。 （5）打开电源开关，再打开直流开关，发光二极管D 4、D5亮用示波器测试光源调制单元的调制信号TP1，调节相应的电位器使得调制波形为11的方波信号。 C2=1uF R9=100KR6=5.1KR7=2.2K图8光电报警电路简易设计图 （6）调试过程中使用示波器测试芯片LF353的6脚，此信号即为信号检波所得到的信号，再用示波器测试芯片LF353的5脚，此信号即为判决电平，判决电平应低于检波信号。 （7）用手或其它物体阻断光发射与光接收之间的警戒线时，报警电路模块的发光二极管会亮，按下报警保持模块的轻触开关，发光二极管会熄灭。 若实验不成功，检查各部分的连线情况重新实验。 （8）关闭直流电源，将T50与T52相连。 打开直流开关，用手或其它物体阻断光发射与光接收之间的警戒线时，报警电路模块会同时发光报警和声音报警，光电报警设计完成。 （9）关闭直流电源，改变光源调制单元的驱动频率，将J2上的短路块分别与C15和C13相连，重复上述实验步骤 （5） （8），观察并记录实验现象。 （10）改变光源调制单元信号波形使之为12或13的方波信号，重复步骤 （6） （8）。 （11）实验完成，关闭直流电源和交流电源，拆除各导线。 5、单路红外遥控设计实验 （1）安装好光发射装置和光接收装置，并且使红外发光二极管与光电二极管在同一水平线上。 （2）将光源调制单元的T1（LED+）和T2（LED-）分别与光发射单元的P极和N极相连，光接收单元的P极和N极分别与T3（PD+）和T4（PD-）。 光源调制单元J2上的短路块与473电