红外报警设计

光电报警系统设计姓名：张仕京学号：2120120669班级：12级硕士仪器一班学院：光电学院指导教师：张化朋老师一、实验目的使用近红外发射管和探测器对管，以及通用运算放大器，搭建主动式的红外警戒报警系统，在实验设计和调试过程中：1、加强光电器件的光谱特性、时间特性、调制特性、运算放大器特性等各方面技术综合应用的训练；2、对影响警戒距离的各种参数进行仔细推敲和探讨，在给定的探测器和放大器的条件下尽量提高警戒距离。二、技术指标要求1、无透镜聚焦的条件下，用mW级小功率砷化镓发光二极管做为辐射光源，使用硅光电二极管做为光接收器，在二者间产生红外警戒线，用通用运算放大器构建放大系统。2、当警戒线被阻断时，用可见光LED给出报警信号。要求系统的作用距离10米。3、可使用器件：红外发射/接收对管、集成电路NE555和通用运放LF353、普通阻容元件。4、调制频率个人设计选取。三、总体方案设计分析如图所示，系统可分为4大部分：由调制器和发光管组成的发射系统，由光电二极管组成的接收系统，以及放大电路和检波报警电路。用砷化镓发光管组成发射系统，在发射和接收系统之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。四、电路分析1、发射系统用E555定时器构成多谐振荡器作调制电源，在这里选用常用的振荡器的连接方法，定时器电阻R1和R2连接点接到555的7脚，C1和C2是定时电容。其连接方法如下图所示。2、接收系统如上图所示，光电二极管工作于反偏模式下，在接收到的信号中，我们接入一个电容C3，主要就是起到隔直流通交流的作用，以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。3、放大电路放大电路用集成运放LF353构成，它的主要作用是对红外探测器输出的微弱信号进行放大。实验设计中使用一般的反相放大电路，电路如上图所示。4、检波报警电路信号经过放大滤波处理后，经过二极管D1检波，在经过R9、C4后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。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。五、可行性分析及参数计算1、光电二极管电流使用北京光电器件厂生产的HG412A砷化镓发光二极管，主要参数如下：•正向最大工作电流IF＝30mA•发射光功率1.5~2mW•正向压降≤1.5V（IF＝30mA）•反向耐压≥5V•截止频率1MHz•发光峰值波长940nm发光角分布：由上图可知，发光二级管的发光角可近似为20°，使用北京光电器件厂生产的2CU2D型硅光电二极管，主要参数如下：•极限工作电压Vmax=30V•电流响应度≥0.5μA/μW（V=Vmax）•暗电流IP≤0.1μA•响应时间10-7S（RL=100Ω）•结电容≤5pF设发光二级管的发射功率为02PmW，则光电二极管在10米处接收到的光功率可近似为：2230220.005**2*1016.21.76rPPnWR电流为：8.1InA2、发射系统参数设T1为充电时间。T2为放电时间，则输出脉冲周期T为1212(2)ln2TTTRRC。频率为1211(2)ln2fTRRC。输出矩形的占空比为1121221212()ln2(2)ln22TRRCRRqTRRCRR。选择调制频率为5kHz，并使用103电容，则1212115228.85(2)ln2fkHzRRkTRRC故可取19Rk,210Rk.占空比为1212190.66229RRqRR按实验要求，发光管限流电阻为32Rk3、接收系统参数取45200RRk，则光电二极管输出电压为：4*0.16UIRmV由于检波需要3-5V电压，故需要将信号放大18750-31250倍，在此取放大倍数为30K，即30000。则需采用两级放大，可取第一级为100倍，第二级为300倍。4、检波报警系统参数在滤波电路中，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2~5/2RCT电路中我们选取电容4C为103，9R=30k，此时3002/2200RCsTs符合要求。六、电路总图七、思考题1、光源的调制频率和占空比如何选取对提高作用距离有利？占空比越大，一个周期内发射时间越长，能量越强，所能出射的距离越远。调制频率不能过低，如果太低，当快速物体经过时，可能不能被检测到；同样调制频率不能过高，如果超过红外发射器的截止频率会造成不能工作。2、光源为什么一定要调制，可以使用直流的红外警戒线吗？调制光源主要为了将红外光源发射的光与环境的干扰光，还有系统中存在的一些噪声在信号的接收处理阶段分开，提高系统的精度。如果采用直流供电，噪声无法去除，对精度影响很大。3、在给定器件条件下，理论上极限作用距离能够达到多远？由于光电二极管的NEP大体上在10-14W数量级，故：2max02max*rPPNEPRmax2500Rmmaxmax014178.2tan10RLm所以理论极限为14178.2米。