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毕业论文通信工程

南京工程学院

毕业设计说明书（论文）

作者：

叶佳佳学号：

240072241

系部：

康尼学院

专业：

通信工程

题目：

光电保护控制的设计与实现

指导者：

魏峘讲师

评阅者：

2011年6月南京

OpticalDesignandImplementationofProtectionandControl

ADissertationSubmittedto

NanjingInstituteofTechnology

FortheAcademicDegreeofBachelorofScience

By

JiaJiaYe

Supervisedby

ProfessorHuanWei

CollegeofCommunicationEngineering

NanjingInstituteofTechnology

June2011

摘要

随着社会经济的日益发展，防盗成了人们越来越关心的问题。

铁门铁窗等已经不能给人们带来太多的安全感，社会对报警器材的需求日益迫切。

智能防盗系统，是以保障安全为目的建立起来的技术防范系统。

他包括以现代物理和电子技术及时发现侵进入破坏行为、产生声光报警阻吓罪犯以及提醒值班人员采取恰当的防范措施。

室内防盗智能控制系统作为一种新型的电子防盗设备广泛应用于家庭住宅区。

目前市面上所拥有的家庭电子防盗报警器，只能用于单一的住宅，不利于统一管理，而且也不能满足现代住宅区的发展要求，所以很有必要对家庭电子防盗器进一步完善和提高。

关键字：

红外线；声光报警；逻辑处理；光电控制

Abstract

Withtheincreasingdevelopmentofsocialeconomy,Securityhasbecomeagrowingconcern.Ironbarsandsomuchhasbeenunabletobringasenseofsecurity,Theneedsofsocietyincreasinglyurgentalarmequipment.Smartanti-theftsystem,Isestablishedforthepurposeofsafetyofthetechnicalprotectionsystem.Heincludesamodernphysicalandelectronictechnologytodetectintrusionintothedestruction,Producesoundandlightalarmtoremindthestaffondutytodetercriminalsandtotakeappropriatepreventivemeasures.

Intelligentcontrolroomsecuritysystemasanewtypeofelectronicsecurityequipmentiswidelyusedinfamilyresidentialareas.Familiescurrentlyonthemarkethaveelectronicanti-theftalarm,Onlyforasingleresidence,Notconducivetotheunifiedmanagement,Anditcannotmeettherequirementsofthedevelopmentofmodernresidentialareas,Soitisimportantforhomeelectronicsdevicestofurtherimproveandenhancesecurity.

KeyWords:

Infrared;Soundandlightalarms;Logic;Photoelectriccontrol

朗读

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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入、接收，信号经逻辑处理电路从而实现报警功能。

1.2、选题背景与意义

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。

由于红外线是不可见光，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了广泛的应用。

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。

在一个智能化大厦内,不仅对外部人员要防范,对内部人员也需要加强治理;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,在探测到非法入侵者时,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,有异常情况发出声光报警,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,它由红外线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，经常会将多束红外光装于一套系统中，形成长的一排，即常说的“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。

红外对管是红外线发射管与光敏接收管，或者红外线接收管，或者红外线接收头配合在一起使用时候的总称。

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受可见光的干扰，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。

1.4、LED光源的发展趋势

1.大功率的高亮LED增势迅猛，逐渐成为主流产品。

2008年，全球LED市场规模达到80亿美元，所占整个LED产品的市场比例由2001年的40%增长到2005年的70%以上，其中高亮度LED在1995-2004年间长率达到46%。

美国市场研究公Communications In-dustry Researchers（CIR）预测，全球LED的市场规模年均增长率超过30%，2009年市场规模将超过100亿美元。

近年来，随着LED在照明、小尺寸面板背光源以及室内照明等新应用领域逐渐扩展，高亮度LED过去数年一直处于高速增长阶段，在LED中的比重将逐步加大，已成为LED主流产品。

2.通用照明实现技术突破，照明升级工程产业机会巨大

通用照明占照明领域的90%的市场份额。

半导体照明作为继白炽灯、荧光灯、节能灯后，具有革命性意义的第四代新型高效固体光源，具有寿命长、节能、绿色环保等显著优点。

但目前LED的应用领域主要在特种照明，目前美国、日、韩、欧洲、中国及中国的台湾地区在LED科技攻关方面都已启动专项规划，如果用于通用照明的技术一旦成熟，将面临一个对500亿美元照明市场份额的重新瓜分，因此照明升级工程产业机会巨大。

3.中国LED照明产业应该向封装高档产品和光源产品升级方向努力

在LED领域，主要有三个环节，即发光半导体外延片的生长、芯片和封装。

目前国内三个环节都有，在中低端的应用领域还有一定基础。

但是在关键环节，尤其是外延片的生长环节，与世界一流水平还有较大的差距。

目前我国的产业优势主要在封装，从封装产值区域分布来看，我国在2008年封装产值约25亿美元，已经超越日本、台湾成为全球最大的封装地区，并具备市场与技术核心竞争能力。

但是国家和政府对此的重视却不多，如果台湾和日本等国家地区从经济危机中缓解或走出，随时可能会形成日本独大、台湾地区与美国齐进、欧韩中“平分秋色”的分布格局，我们将再一次失去主导权和先机。

因此我们应在已有的产业优势上升级，向封装的高档产品努力，同时在通用照明技术方向上多下功夫，突破LED产业的技术专利壁垒，培育新兴市场的竞争优势。

（1）目前国家对于整个LED产业链的重点工作放在上游外延、芯片及下游灯具应用这两部分。

上游投资陆续资金已经很大，但是收效甚微，反而与国际上游龙头的差距越来越大。

下游产品又因为产品质量问题，参差不齐，难以保证稳定的长寿命使用效果。

这样会造成使用者对我国LED产品产生怀疑并多持保守和负面的态度。

这样各方面的意见反馈到政府领导，然后国家才重视整顿LED市场，最后的结果又是一次“叫停”，导致需要国家花费大量的人力和资源，引进国外龙头企业的先进封装技术来指导国内的下游产品，这样我们将又一次失去与对整个LED行业的话语权，国内的市场渠道也会以OEM等形式被占领。

（2）到现在为止，因为四大龙头企业（CREE、PHILPS、OSRAM、日亚化工）各有不同的技术路线和专利垄断保护，以及其封装技术的不成熟等原因，所以目前整个行业内尚未有一个关于LED光源的标准。

如果我们先进的LED光源企业和单位，尤其是具有核心技术先进性的大功率LED光源企业和单位，在政府的支持和推动下，组织科研人员，对此进行全新的技术标准的设计与制定，坚持科学实践和创新发展的基本原则，将会在全球LED行业至少是中上游这一块取得实质性的突破。

如果能在国际上参与和指导最后国际标准的制定，将会是中国科学技术力量继航天科学技术之后又一次的科学创举，从而直接使我国在LED行业的国际影响力得到根本认识的改观，达到一个新的高度。

1.5、论文章节安排

为了使读者方便、快速地了解本论文的主要内容，这里从总体上简要介绍一下论文的章节安排及内容。

本论文全文共包括六个部分：

第一章为绪论部分，主要介绍设计的目的、意义、现状、论文的主要研究内容和章节安排。

第二章主要介绍了报警器相关的元器件和所用到的有关芯片，包括红外的产生，波段的原理以及应用，光学器件的原理以及半导体元件：

如二极管、三极管等的原理基础及应用情况，CD4011、9561、7805芯片功能介绍。

第三章主要介绍了本次的设计思路，通过对比两个方案的可行性，结合自身的条件，选出一个较为好的方案进行设计。

第四、五章，电路的制作以及调试部分，这是本次设计的重点部分，主要介绍电路制作软件PROTEL环境下，设计出的原理图，PCB图。

以及设计修改，印刷电路板的制作，元器件的选用和焊接。

电路的通电调试，数据参数的评估，整体系统的运行测试及相关的整体美观、细节设计，进一步趋向工业成品。

第六章，对课题的未来的发展提出展望。

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中的一种，由英国科学家霍胥尔于1800年发现，又称为红外热辐射,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界。

太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为0.75～1000μm。

红外线可分为三部分，即近红外线，波长为0.75～1.50μm之间；中红外线，波长为1.50～6.0μm之间；远红外线，波长为6.0～l000μm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0.76～1.5微米，穿入人体组织较深,约5～10毫米；远红外线或称长波红外线，波长1.5～400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.穿透云雾的能力强（波长较长,易于衍射）

红外线的波长范围：

近红外线（NearInfra-red,NIR）：

700~2,000nm|0.7~2MICRON

中红外线（MiddleInfra-red,MIR）：

3,000~5,000nm|3~5MICRON　

远红外线（FarInfra-red,FIR）：

8,000~14,000nm|8~14MICRON

图2.1可见光光谱线

2.2、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

图2.2二极管P-N结原理示意图

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。

图2.3常见二极管图示

2.2.2、二极管的特性

几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。

二极管的管压降：

硅二极管（不发光类型）正向管压降0.7V，发光二极管正向管压降为1.7V。

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成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

在收音机中起检波作用。

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，称为反向偏置。

二极管处于反向偏置时，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，二极管使用中不要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1A。

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2AP1型锗二极管，在25℃时反向电流若为250uA，温度升高到35℃，反向电流将上升到500uA，依此类推，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5uA，温度升高到75℃时，反向电流也不过160uA。

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。

2.2.6、二极管的识别

小功率二极管的N极（负极），在二极管外表大多采用一种色圈标出来，有些二极管也用二极管专用符号来表示P极（正极）或N极（负极）,也有采用符号标志为“P”、“N”来确定二极管极性的。

发光二极管的正负极可从引脚长短来识别，长脚为正，短脚为负。

用数字式万用表去测二极管时，红表笔接二极管的正极，黑表笔接二极管的负极，此时测得的阻值才是二极管的正向导通阻值，这与指针式万用表的表笔接法刚好相反。

图2.4二极管常见识别图示

半导体是一种具有特殊性质的物质，它不像导体一样能够完全导电，又不像绝缘体那样不能导电，它介于两者之间，所以称为半导体。

半导体最重要的两种元素是硅和锗。

我们常听说的美国硅谷，就是因为起先那里有好多家半导体厂商。

二极管应该算是半导体器件家族中的元老了。

很久以前，人们热衷于装配一种矿石收音机来收听无线电广播，这种矿石后来就被做成了晶体二极管。

2.2.7、本次设计用到的几种二极管

1．稳压二极管：

又叫齐纳二极管，此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。

在这临界击穿点上，反向电阻降低到一个很小的数值，在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定，稳压二极管是根据击穿电压来分档的，因为这种特性，稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用，稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更多的稳定电压。

2.发光二极管

它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。

发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。

当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。

不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。

当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。

常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。

2.3、三极管原理及特性

半导体三极管也称双极型晶体管，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：

把微弱信号放大成辐值较大的电信号，也用作无触点开关。

图2.5常见三极管

2.3.1、三极管工作原理

晶体三极管（以下简称三极管）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要高于基极电源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（电子）极基区的多数载流子（空穴）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Ie。

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（1-10%）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