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高等光电技术与实验 红外报警系统设计 姓名：周文璨 学号：2220110124 摘要 设计了一种由经过调制的红外光作为发射光源，由光敏二极管作为接收端的简单红外报警系统。系统由发射、接收、滤波放大、检波、判决报警等几部分组成。在发射端与接收端出现遮挡时，系统报警灯亮，实现报警功能。 实验要求 本系统的设计要求是在无透镜聚焦的条件下，用经过信号调制后的小功率HG412A砷化镓发光二极管的红外光作为辐射光源，产生一条红外警戒光束。在接收端使用2CU2D型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滤波系统。当警戒线被阻断时，发光二极管被点亮，给出报警信号。要求系统在发射端为2K的负载条件下，报警距离大于2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、普通阻容元件等，使用的实验设备有：万用表、模拟示波器、信号发生器、多功能电源等。 系统总体设计方案 该系统如下图1所示，分为5个部分。首先是用NE555定时器作为调制器，产生电压调制信号，该信号用于驱动第二部分的发光二极管，在发射管与接收管之间设有警戒线，在接收管后利用通用运算放大器LF353设计两级放大电路，最后经过检波输出的直流电压信号通过比较器来驱动报警的发光二极管，用于判断是否存在遮挡。 图1 系统电路设计及分析 发射部分 为了提高发射系统的抗噪声特性，增强接收端的信号识别性，需要对红外光进行调制。用NE555定时器构成一个多谐振荡器来产生一定频率和一定占空比的方波，在这里选用常用的振荡器的连接方法，定时器电阻R1和R2，其连接点接到555的7脚，C是定时电容。 参数计算： 选取调制频率为6KHZ。 由于电容的容值一般比较固定，故取计算得到： 此时参数理论计算大致符合上述标准，实际测得信号频率为5.7kHZ，并且在电平翻转出有幅度较小的振荡出现。在电源正负极之间接上一个103电容和330pF的电容，振荡现象得到很大改观。 实验中还有如下结论：为保证占空比接近50%，需要R2远大于R1，但是R1的值小于一定值后，输出的方波频率便不再满足原理中的参数计算。所以在实验中适当的提高占空比以免出现这种情况。 设计的电路如图2所示： 图2 这样我们就能从555的三脚得到调制信号用于驱动二极管发光。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 。若振荡器输出电压为 ，则限流电阻R取值为： 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。由于实验室面积有限，负载电阻太小则会使得测试距离太大，所以取负载电阻为2K。 接收部分 接收部分使光敏二极管处于反向偏置工作模式下，由光电接收管和LF353搭建的电压跟随器组成。具体如图3所示。 图3 负载电阻首先选取100K，通过示波器观察接收到的信号波形，发现信号的上升沿不够陡峭，上升时间太长，导致信号无法达到最高值即出现放电。适当缩小负载电阻的值，在同等条件下，测量波形，使得信号的峰峰值较大，根据实验室电阻的阻值选定68K。在接收到信号之后，我们接入一个电容，以滤除信号中的直流成分，取电容值为0.01uf。由于光电接收管的光电流较小，故通过一个电压跟随器来增强该信号的驱动能力，同时保证信号的电压值不变。 信号放大滤波部分 光电接收管所接收到的信号一般都非常微弱, 而且信号往往被附加了很多不同频率的噪声。因此, 要对这样的微弱信号进行放大和滤波的处理。这里先对信号进行前置放大处理，然后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。 由于放大倍数达到30000倍左右，故需采用两级放大，两级放大电路均采用LF353搭建的放大器。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：±18V，电压增益：100dB，输入阻抗：1012Ω，共模抑制比：100dB，增益带宽：4MHz，等效输入噪声电压：，对6KHZ左右的信号能有600倍以上的放大倍数。由于同相放大器有输入高阻抗的性能，则基本上不消耗信号的能量，对小信号有较好的适用性，故采用该种接法。在两级放大电路之间利用LF353还可以搭建一个二阶有源带通滤波器。如下图4所示。 图4 参数设置： 由同相放大器的增益公式： 考虑实验室电阻的阻值有限，并且模拟器件存在较大的误差，故选取较大的放大倍数，第一级放大倍数设为101，第二级设为251。则电阻值为如下值： 在两级放大电路之间需要对信号进行滤波，选取与发射端调制频率一样的信号进行进一步放大，利用LF353搭建二阶有缘带通滤波器。由于在发射端实际测得的调制信号频