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光电报警系统设计与实现
一、实验目的
1、自行设计简单的光电报警系统,全面掌握光电检测技术的相关知识。
2、在实践中分析探讨影响光电探测性能的各种参数,最大限度的发挥系统的探测能力。
二、主要内容
使用热释电器件作为红外被动接收系统,当感受到探测区域内有人活动时,接收系统带动后继电路发出报警信号。
要求系统在给定器件和环境的条件下,作用距离尽可能远。
三、基本原理
1、透镜和红外传感器部分
红外传感器是整个红外报警系统的基础,也是设计中需要关注的核心器件。基于本次课程设计的目的,我们采用对人体辐射的红外波长敏感,而对自然环境中的大多数背景辐射不敏感的热释电探测器来实现。热释电探测器利用热释电效应,可以检测出移动着的人体发出的红外线,并能够检测出移动时的红外能量变化,将其转换成低频交流信号,并通过后继的电子电路经放大、比较和整形后,作为控制信号去驱动报警装置工作。
对于本次课程设计中使用的红外传感器,即热释电探测器,我们可以采用TO-5型金属封装双探测元的P2288,该芯片使用的是热释电红外传感技术,热释电效应具有平坦的功率响应,且必须是变化的信号才能被热释电探测器检测到,这要求人在移动过程中的频率在0.3~5HZ之间。此外,在壳体顶面的窗孔内贴有截止波长为7-10微米的滤光片,保证了人体辐射出的中心波长为9-10微米的红外线通过。
2、放大器部分
由于光电探测器即热释电探测器所处的空间有限,在探测器上直接实现信号的处理是十分困难的。我们可以在靠近探测器的位置上放置小型前置放大器,用来放大探测器的输出信号,变换它的输出阻抗,改善分路电容效应以展宽探测器的频带,使电信号经过这些处理后能够通过低阻抗屏蔽式电缆,成功地传输到信号处理系统的有关电路部分。
通过以上分析我们可以知道,前置放大器的设计要求是低噪声、高增益、低输出阻抗、大的动态范围,良好的线性特征和较好的抗颤噪声能力。在具体的设计中,我们可以考虑采用两级运算放大器进行前置放大。
应用场效应管构成的集成放大电路LF353来进行搭建。
3、比较电路
比较电路的基本作用是,提供一个基准电压,用经过前置放大器放大后的信号点压与基准点压相比较,以决定是否满足报警的阈值条件,以触发后继的报警系统。比较电路的工作要求预先设置一个基准比较电压,这需要通过测定环境辐射变化程度来确定。确定阈值的原则在于有效的区分出环境波动的背景噪声影响。
根据以上要求,我们在分立电路中采用一个稳压芯片来获得基准点压,并通过双运算放大器构建一个电压比较器来完成要求。
本实验中选用LM393作为比较器,选用7806稳压器提供基准电压。LM393由两个集成运算放大器组成,在实际使用中构成一个双比较器。
4、单稳态触发电路
单稳态触发电路的基本作用是,根据比较电路输出的触发信号,带动后继报警系统进行工作。单稳态电路参数的选择要求把电路的报警延迟时间、触发的封锁时间都控制在实际需要的范围内,这要求选择合适的电阻和电容来实现。
在实际设计中,我们可以采用施密特触发器来构建单稳态触发器来达到设计要求。
本实验选用40106芯片制作单稳态触发器。该芯片实际上6个施密特触发型相器其在转态时具有滞后现象,因此不会产生开关震荡的
图2、BISS0001内部原理框图
下面则是一个封装好的典型的BISS0001的电路模块图:
图3、BISS0001电路模块图
上图中各引脚的定义和功能如下:
—工作电源正端。范围为 3~5V。
—工作电源负端。一般接 0V。
IB—运算放大器偏置电流设置端。经 RB 接 VSS 端,RB 取值为 1M? 左右。
11N-—第一级运放放大器的反相输入端。
11N+—第一级运放放大器的同相输入端。
1oUT—第一级运算放大器的输出端。
2IN—第二级运算放大器的反相输出端。
2OUT—第二级运算放大器的输出端。
Vc—触发禁止端。当 Vc<VR 时禁止触发;当 VC>VR 时允许触发。VR≈0.2VDD。
VRF—参考电压及复位输入端。一般接VDD。接“0”时可使定时器复位。
A—可重复触发和不可重复触发控制端。当 A=1时,允许重复触发,当 A=0时,不可重复触发。
Vo—控制信号输出端。由 Vs 上跳边沿触发使 Vo 从低电平跳变到高电平时为有效触发。 在输出延时间 Tx 之外和无 Vs 上跳变时 Vo 为低电平状态。
RR1,RC1—开机延迟时间 Tx 的调节端。Tx≈49152R1C1。
RR2,RC2—触发封销时间 Ti 的调节端。Tx≈24R2C2。
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