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高等光电技术与实验 红外报警系统设计 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。 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 NE555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，的初值和终值分别为： 充电时间常数为： 代入计算一阶电路过渡过程的公式，得： 当t=T1时，代入上式得： 放电时间T2。同理，放电过程中的初值和终值分别为： 放电时间常数为： 代入计算一阶电路过渡过程的公式： 当t=T2时，得： 故输出脉冲周期为： 振荡频率为： 输出矩形的占空比为： 4.1.2 参数选择 系统设计中，我们选择了调制频率为7KHz的输出信号频率，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。 所以我们可以取RA=500，RB=10k 这时占空比为 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 ，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。实验中限流电阻取为750Ω。 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 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，我们接入一个103电容，主要就是取到了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。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：±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：。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。 图 4 基本反相放大电路 4.3.2 滤波电路 通过前面放大的信号中有着许多的噪声，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： 图 5 二阶有源带通滤波器 （1） （2） （3） （4）电容全部为103独石电容 在滤波器的设计中，如果中