主动式红外报警器设计.docx

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主动式红外报警器设计

光电探测与信号处理程设计报告

主动式红外报警器设计

专业光电信息工程

学号************

学生姓名廖承润

指导教师常大定王静

组员李文广吕伟熊煜

1、红外报警器概述

此红外线报警器工作原理：

在需要防范的区域里安装好探测器报警器后，如果如有物体遮住接收板从放射板发射的信号，接收板也就是探测器就立即发出报警信号，蜂鸣器就会响起。

从而产生报警的效果。

并且，设计题目要求采用集成块运算放大器uA741，定时器555，红外发射管SE303，红外接收管PH302，三极管，蜂鸣器，极性电容，电阻等电器元件来设计。

2、设计方案

按照题目设计要求，红外报警器分为两部分，分别是发射信号部分和接收信号部分。

总的设计方案只这样的，发射部分发射红外光对射到接收部分的红外接收管那里，接收部分经过对接收转换得到的信号进行放大整流、滤波处理，最后的电压信号再驱动蜂鸣器不响。

如果有什么东西阻挡了红外光，接收部分就没有接收到信号，蜂鸣器就启动报警。

经过了大量查阅文献和资料，整理分析得出以下各部分的设计方案：

2.1、发射部分设计方案

通过阅读文献，首先对发射部分需要的元器件要有一定的了解。

2.1.1、红外发光二极管

常用的红外发光二极管（如SE303·PH303），其外形和发光二极管LED相似，发出红外光（近红外线约0.93μm）。

管压降约1.4V，工作电流一般小于20mA。

为了适应不同的工作电压，回路中常串有限流电阻。

发射红外线去控制相应的受控装置时，其控制的距离与发射功率成正比。

为了增加红外线的控制距离，红外发光二极管工作于脉冲状态，因为脉动光（调制光）的有效传送距离与脉冲的峰值电流成正比，只需尽量提高峰值Ip，就能增加红外光的发射距离。

提高Ip的方法，是减小脉冲占空比，即压缩脉冲的宽度т，一些彩电红外遥控器，其红外发光管的工作脉冲中空比约为1/4~1/3；一些电气产品红外遥控器，其占空比是1/10。

减小冲占空比还可使小功率红外发光二极管的发射距离大大增加。

常见的红外发光二极管，其功率分为小功率（1mW~10mW）、中功率（20mW~50mW）和大功率（50mW~100mW以上）三大类。

要使红外发光二极管产生调制光，只需在驱动管上加上一定频率的脉冲电压。

2.1.2、555定时器

（1）定时器的组成和功能

555定时器（又称时基电路）是一个模拟与数字混合型的集成电路。

按其工艺分双极型和CMOS型两类，其应用非常广泛。

555定时器它主要由两个高精度电压比较器A1、A2，一个RS触发器，一个放电三极管和三个5KΩ电阻的分压器而构成。

其内部组成框图：

它的各个引脚功能如下：

1脚：

外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。

8脚：

外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。

一般用5V。

3脚：

输出端Vo

2脚：

低触发端

6脚：

TH高触发端

4脚：

是直接清零端。

当

端接低电平，则时基电路不工作，此时不论

、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。

5脚：

VC为控制电压端。

若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。

7脚：

放电端。

该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。

（2）定时器的应用——多谐振荡电路和工作波形

具体工作原理如下，接通电源后，假定

是高电平，则T截止，电容C充电。

充电回路是VCC—R1—R2—C—地，

按指数规律上升，当

上升到2/3VCC时（TH、

端电平大于2/3VCC），输出

翻转为低电平。

是低电平，T导通，C放电，放电回路为C—R2—T—地，

按指数规律下降，当

下降到1/3VCC时（TH、

端电平小于1/3VCC），

输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，形成一定频率的方波。

经分析可得:

输出高电平时间

输出低电平时间

振荡周期

输出方波的占空比

基于以上的了解，设计了下面两种方案：

方案一：

基于51单片机的红外发射管部分，原理是通过程序来控制51单片机的普通I/O口高低电平变化，再连接一个三极管驱动发射管。

这个方案操作起来不难，程序调试容易，但用一个单片机来驱动一个发射管，显然觉得有点大材小用。

方案二：

设计一个用555定时器构成的多谐振荡电路来驱动发射管，这个方案只是用简单的电路就可以实现不同频率的可以改变占空比的的高低电平输出，再用来驱动发射管。

综合分析考虑得到，方案二更加适合课程设计的要求，并且方案二更加方便调试。

2.2、接收部分设计方案

通过阅读文献，首先对接收部分需要的元器件要有一定的了解。

2.2.1、红外接收管

红外接收管即光敏二极管，光敏二极管与普通光敏二极管一样，它的PN结具有单向导电性，因此，光敏二极管工作时应加上反向电压。

接受二极管加上反向电压，当无光照时，电路中也有很小的反向饱和漏电流，一般为1*10-8--1X10-9A（称为暗电流），此时相当于二极管截止;当有光照射时，PN结附近受光子的轰击，半导体内被束缚的价电子吸收光子能量而被击发产生电子一空穴对O这些载流子的数目，对于多数载流子影响不大，但对P区和N区的少数载流子来说，则会使少数载流子的浓度大大提高，在反向电压作用下，反向饱和漏电流大大增加，形成光电流，该光电流随入射光强度的变化而相应变化。

光电流通过负载RL时，在电阻两端将得到随人射光变化的电压信号。

光敏二极管就是这样完成电功能转换的。

2.2.2、UA741运算放大器

uA741单运放是高增益运算放大器，用于军事，工业和商业应用.这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。

  这些类型还具有广泛的共同模式，差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位。

uA741芯片引脚和工作说明：

1和5为偏置（调零端），2为正向输入端，3为反向输入端，4接地，6为输出，7接电源 8空脚

741运算放大器使用时需于7、4脚位供应一对同等大小的正负电源电压＋Vdc与－Vdc，一旦于2、3脚位即两输入端间有电压差存在，压差即会被放大于输出端，唯Op放大器具有一特色，其输出电压值决不会大于正电源电压＋Vdc或小于负电源电压－Vdc，输入电压差经放大后若大于外接电源电压＋Vdc至－Vdc之范围，其值会等于＋Vdc或－Vdc。

一般运算放大器输出电压均具有如下图特性曲线，输出电压于到达＋Vdc和－Vdc后会呈现饱和现象。

UA741运算放大器的应用——反相放大电路

反相放大电路之接法下图，同样是使用负反馈电路方式作动，只是此时信号由反相端输入，故会得到与输入端反相之输出，当输入电压V1增大时会使得输出电压Vo下降。

此电路可以得到（R1/R2）倍的输出，当a点电位为0V时，其输出电流如式

（1）为V1/R2，则

根据课程设计要求，设计了下面方案：

一个利用运算放大电路来对红外接收管经过电阻耦合出来的电压信号进行放大、整流、滤波，得到直流电压信号。

此时得到的电压信号是由红外接收管接收到发射管部分发射出来的红外线产生的。

3、电路图设计及其原理

3.1、发射部分原理图

3.1.1、发射部分原理图详细分析

如图所示，发射部分的左边部分是555定时器的应用——多谐振荡电路，定时器的三脚会输出一定频率的方波。

具体分析已经在上面介绍555定时器的部分做了详细的分析，在此不再重复；而发射部分的右边部分是红外发射管的驱动电路，输出的方波信号会令三极管Q2不断处于导通截止这两种交换状态。

使得红外发光二极管处于脉冲状态，这样增强了发射管的控制距离。

3.1.2、发射部分原理图参数计算

根据多谐振荡电路的原理，为了控制发射管的发射有效距离，在多谐振荡电路中添加了一个滑动变阻器R13，这样可以调节电路的振荡频率。

根据振荡周期的计算公式

可得：

当取C5为680pF时，可选R10为3K，R13为20K，再加一个变位器R11为100K，

最大频率：

F=1/T=1/0.7（R10+2R13）C

48.9KHz

最小频率：

F=1/T=1/0.7（R10+R11+2R13）C

14.7KHz

而定时器的输出高电平时的电压大概是电源电压5V，三极管Q2取9013，其放大倍数大概位100，又要使得发射管的电压为1.4V，电流尽量达到约为20mA，则

Ic=20mA

Ib

20/100=0.2mA

R14=（电源电压-Ube）/Ib=（5V-0.7）/0.2

22k

R12=（5V-1.4V）/IC

180

3.1.3、发射部分PCB图

3.2、接收部分原理图

3.2.1、接收部分原理图详细分析

电阻R9的确定：

当红外接收管当接收到红外光是时，接收管产生的光电流通过负载R9，在电阻两端将得到随红外光变化的电压信号。

经过实践调试，R9的阻值不能太大，如果太大，会使得接收管得到的分压变小，反向电压变小不利于产生光电流；如果太小，耦合出来的电压信号会很小很小，这也不利于后级放大电路。

所以可以取一个合适的阻值22K,这样接收管的反向电压较大，电压信号也足够后级处理，而此时的电压信号可以达到100mv。

当然还要看发射管和接收管的距离，距离越大，耦合出来的电压信号就越小。

信号放大：

根据前面对UA741的了解，运算放大器UA741可以通过外部电阻构成反相比例运算电路，因为是反相的，所以要两级反相进行处理得到正相的。

一级反相比例运算电路放大倍速100倍，二级反相比例运算电路的放大倍数是可调的，这个为了协调接收部分和发射部分的距离而用的，可调范围是1~100倍。

信号整流：

经过二级放大后，输出的电压信号已经足够大，但放大后的电压信号是一种交流信号，存在负电压，所以进行整流，利用二极管D1整流，而二极管D2的作用是把负电压卸了从而保护二极管D1。

信号滤波：

电容C3会将整流后的电压信号变得更加平缓，处理成稳定的直流信号。

同时，C3如果取得合适，还可以防止干扰。

比如一只鸟飞过挡住了的红外光，由于电容足够大会把这些类似的信号滤掉。

这里C3取10uf。

信号报警：

经过滤波得到的电压信号已经是直流信号了，但如何又与蜂鸣器报警联系呢？

这里就取了个三极管，它在这里相当于开关作用。

如果接收到红外光，产生电压信号，则三极管Q1的集电极和发射极会一直处于导通状态，加上在集电极串联的电位器R2，就可以调节三极管Q1的Uce的电压很小，另与其并联的有缘蜂鸣器B1相当于被短路，蜂鸣器就不响，相当于不报警；如果没有接收到红外光，就是不产生电压信号，三极管Q1的集电极和发射极会一直处于截止状态，相当于开路。

而蜂鸣器B1就与电位器R2串联发出声响报警。

防止干扰：

电容C1、C2在电路中起到同交流隔直流作用，主要是把前后级的静态电压和静态电流分隔开来，不影响对电压信号的放大。

一般去0.01uf。

3.2.2、接收部分原理图参数计算

根据反相比例运算放大电路的计算公式

得：

取R5为1K,要放大100，则R1为100K。

R6是平衡电阻，R6=R1//R5

1K

同理可以求得，R4为1K,R7为1K，R3为电位器100K。

3.2.3、接收部分PCB图

4、总结

该探测系统设计比较稳定，将实际应用中的一些因素考虑进去，如稳压整流电路等，但也因为考虑因素比较多使整个电路比较繁杂，实际制作过程中电路比较臃肿而繁杂。

通过此次设计，我熟悉了光电探测电路的设计，以及在设计中应该考虑到的种种因素，也熟悉了软件的应用。

在设计中也明白了无论设计电路还是考虑各个影响因素，还有绘制电路图耐心和细心都是不可缺少的。

在此也谢谢常老师和王老师的指导。

参考文献

[1]黄继昌等编著.实用报警电路.人民邮电出版社，2005

[2]胡斌编著.电子线路快速识图.福建科学技术出版社，2005

[3]胡斌编著.图表细说元器件及实用电路.电子工业出版社，2005

[4]张爱民等编著.怎样选用电子元器件.中国电力出版社，2005

[5]无英才、林华清.热释电红外传感器在防盗系统中的应用.传感器技术，2002

[6]黄继昌、乔苏文、张海贵等.实用报警电路[M].北京人民邮电出版社，2005