1、高等光电技术与实验 共 13 页 第 1 页 高等光电技术与实验 红外报警系统设计 高等光电技术与实验 共 13 页 第 2 页 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
2、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
3、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 。 高等光电技术与实验 共 13 页 第 3 页 调制器发光管光电二极管放大器检波报警接收系统发 射 系 统图 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 NE5
4、55 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， c 的初值和终值分别为： (0) 3ccc V ()c ccV 充电时间常数为： 1 ()ABR R C 高等光电技术与实验 共 13 页 第 4 页 代入计算一阶电路过渡过程的公式，得： 1()() 3 ABR R Cccc t c c c cVV V V e 当 t=T1 时，代入上式得： 113( ) l n ( ) l n 223c c c cA B A Bc c c cVVT R R C R R CVV （ 2） 放电时间 T2。同理，放电过程中 c 的初值和终值分别为： ( 2) 3ccc
5、T V ()0c 放电时间常数为： 2 BRC 代入计算一阶电路过渡过程的公式： 1()20 ( 0 )3 BRCccctV e 当 t=T2 时，(0) 23ccc V 得： 2203l n l n 20 3ccBBccVT R C R CV故输出脉冲周期为： 12 ( 2 ) l n 2ABT T T R R C 振荡频率为： 11( 2 ) l n 2ABf T R R C 输出矩形的占空比为： 12( ) l n 2( 2 ) l n 2 2A B A BA B A BT R R C R Rq T R R C R R 4.1.2 参数选择 系统设计中，我们选择了调制频率为 7KHz 的
6、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。 高等光电技术与实验 共 13 页 第 5 页 11 7 2 2 0 .5 7( 2 ) l n 2 ABABf k R R kT R R C 所以我们可以取 RA=500， RB=10k 这时 占空比为 10.5 0.512 2 0 .5ABRRq 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 ，
7、则限流电阻 R 取值为： 00 1.530FFV V V VR I m A 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 D1Photo Sen200KR4Res2200KR5Res2+12-1284567BU1BLF353NC1103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，我们接高等光电技术与实验 共 13 页 第 6 页 入一个 103 电容 ， 主要就是取到了隔直流通交流的作用， 以
8、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
9、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： 18 V，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： Hz / nV16 。 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 。 23184AU2ALF353N1KR3Res21KR4Res2100KR5Res2图 4 基本反相放大电路 高等光电技术与实验 共 13 页 第 7 页 4.3.2 滤波电路 通过前面放大的信号中
10、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： 84567BU2BLF353N10KR6Res2430R7Res2100KR8Res2C2103C3103图 5 二阶有源带通滤波器 （ 1）028 1 0 02 QRkfC （ 2） 2 07 4 0 022QR Q G f C （ 3） 886 1 02 6 2RRG R kRG （ 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
11、率不一样时，高等光电技术与实验 共 13 页 第 8 页 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。 84567BU2BLF353N10KR6Res2430R7Res2100KR8Res2C2103C31031KR14Res Adj2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。 84567BU3BLF353NC410320KR12Res22KR13Res210KR14Res22KR15Res2DS2LED0D1Diode 1N914+12图 7 检波输出电路 信号经过放大滤波处理后，
12、经过二极管 D1 检波，在经过 R12、 C4 后高等光电技术与实验 共 13 页 第 9 页 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 2 5 / 2R C T 电路中我们选取 103 独石电容， R=20k，此时 2 0 0 2 / 2 1 4 0R C s T s 满足设计要求。 5、系统电路总图 由于
13、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。 1KR2Res21KR1Res2750R3Res2C1103C2103DS1LED0+5NE555P12345678D1Photo Sen200KR4Res2200KR5Res2+12-1284567BU1BLF353NC310384567BU2BLF353N10KR11Res220R13Res2100KR12Res2C8103C91031KR14Res Adj223184AU2ALF353N23184AU3ALF353N1KR6Res21KR7Res2100KR8Res21K
14、R16Res21KR17Res2470KR18Res284567BU3BLF353NC1410320KR20Res22KR21Res210KR22Res22KR25Res2DS2LED0D2Diode 1N914+12100R9Res2C4103C510uF+12100R24Res2C1810uF-12C17103100R23Res2C15103C1610uF1KR10Res2C610uF-12C7103100R19Res2C1310uF-12C12103100R15Res2C1110uF-12C10103图 8 系统电路总图 高等光电技术与实验 共 13 页 第 10 页 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） NE555 1 LF353 3 红外发光管 HG412A 1 光电接收管 2CU2D 1 LED 1 独石电容 C 103 6 电解电容 C 10uF 4 电阻 R 20 1 100 4 500 1 750 1 1k 4 2k 2 10k 3 100k 2 200k 2 470k 1 可变电阻 R 1k 1
