红外报警系统.docx
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红外报警系统
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率为5.7KHZ，所以在滤波器的设计上也将中心频率设为此值。
相关的参数计算如下：
中心频率：
品质因数：
带宽：
增益：
计算所得数据如下：
电路图如图5所示：
图5
参数公式中的
分别为上图中的
，
由一个固定电阻和变阻器串联而成，原因是模拟器件都是有误差的，通过变阻器来对
进行微调，可以在预设的中心频率上进行微小的改变，固定电阻则是确保滤波器的结构不变。
具体的操作方法是固定发射接收两板，用改锥调节变阻器阻值，同时用示波器观察滤波器输出波形，当信号峰峰值最大并且较为稳定、杂波较少时说明滤波器处于最佳状态。
检波输出报警部分
检波输出报警部分由检波二极管以及LF353搭建的比较器以及报警二级管组成。
具体电路图如图6所示：
图6
信号经过带通滤波放大处理后，经过二极管检波，通过一个一阶RC滤波电路得到直流电压信号。
实验中使用LF353搭建比较器，在同相端接入固定电压偏置，这样就将得到的信号电压与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。
固定电压首先取2V，实验观察遮挡时背景的起伏较小，远远未到达2V，所以减小比较电压，这样可以进一步的增加报警距离，最后取1.5K能达到良好的效果。
在RC滤波电路中，时间常数
越大，放电愈慢，输出电压越高，脉动成分也越少，即滤波效果越好。
根据滤波电路计算公式：
选取R=47K，C=0.01uf；
此时，
，
系统总体电路图
由于电路中会出现自激，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。
具体的电路见总图（图7）中各个芯片的4脚和8脚。
图7
实验结果
实验中，搭建电路完毕后，接通电源，当我们将警戒光线挡住之后，电路中的LED亮起，完成报警工作。
发射端与接收端的最远距离达到2.8m，满足设计的2m标准。
以下为实验中测得的部分数据、波形及电路图。
1.发射端调制信号
发射端NE555的调制信号波形测试结果如图8所示，频率为5.78KHZ。
图8
2.接收端搭建电路
在面包板上搭建的报警电路如图9所示。
图9
3.二阶有源滤波器的输出
在无遮挡情况下，二阶有源滤波器的输出波形如图10所示
图10
由图中可见，滤波器的输出信号频率为5.79KHZ，与发射端的调制信号频率大体一致，同时波形也较为清晰稳定，说明滤波器工作良好。
4.滤波器中心频率
在滤波器的输入端接入一个频率可调的信号发生器来测试设计的滤波器的中心频率，测量标准为输出波形与输入信号相位上相差180度，实验测得波形如图11所示。
图11
由图可见，滤波器的中心频率在5.67kHZ附近，与调制信号频率大体相同。
接着改变滤波器输入端的信号频率，当信号幅度减少到中心频点的0.707倍时记录其截止频率，结果为上限截止频率为5.98kHZ,下限截止频率为5.49kHZ，带宽为490HZ，同时还测得滤波器增益为2.03，Q值为11.6。
这与设计有些差距，可能是由于使用了变阻器导致具体的参数和设计的不同并且器件自身的误差导致。
5．系统放大倍数
在发射端负载为100Ω同时发射接收两端距离很小时，接收端相当于直接接到了信号发生器上，此时可以方便的测量两级放大电路的放大倍数。
实际测得第一级的放大倍数为80倍左右，第二级的放大倍数为200倍左右，这样系统的总体放大倍数为两级放大器与滤波器增益的乘积，约为32000倍。
6．比较器输入端波形
在最远距离情况下，未遮挡和遮挡情况下的比较器反向输入端波形如图12和图13所示。
图12
图13
可以观察到，未遮挡情况下信号以及遮挡情况下噪声和比较电平之间均有一定裕量，这样保证了系统不会出现误报或者误报率较低。
总结
本次实验基本完成了预计的设计任务，感谢张老师在实验中给予的悉心指导与帮助，同时也有不足可以改进：
1.可以使用低噪声的放大器；
2.在设计中使用多级滤波来确保信号的纯净；
3.在运算放大器输入时，使用差动运放，减少噪声。
在实验中也遇到了如下的问题并进行了一定的思考：
1.发射管与接收管的三个角度（航向、俯仰、横滚）的对齐对结果影响较大，实验中我们采取的措施是将两管的引脚均贴在面包板表面上，但是两块板子的厚度不一样，对管子的角度对齐还是存在影响；
2.每次实验发射端的发射频率均出现起伏，原因可能是碳膜电阻与陶瓷电容元件对温度等外界条件的灵敏度较高，收影响比较大，所以每次实验的第一项工作是确定发射端频率，接下去再去调后续的滤波电路等。
3.滤波器选择的带宽不能太大，这样Q值会影响很大，有更多频率的谐波被当成有用信号而未被滤掉，容易对后续电路产生影响产生误报。
4.起初设计的检波电路未使用比较器，方法如图14这种方法的不足是二极管的管压降较低，需要将信号放大到较高的值，对系统性能要求较高，而使用运放是模拟器件，放大倍数过大容易将噪声也放大且容易产生自激振荡。
而比较器可以根据噪声的强度来控制比较电平，从而在信号相对较弱的情况下也能检测到，系统性能更好。
图14
思考题：
当阻断警戒线的目标运动速度较快时，接收电路及电路的参数如何考虑才能确保可靠报警。
答：
在目标速度较快时能够正确报警，系统需要有较短的相应时间。
实验中采用的是硅光电二极管，在使用时等效为一个高内阻的电流源，在其等效电路中，它的结电容与负载电阻并联，电路的频率响应特性便主要取决于这两个参数决定的时间常数
。
光电二极管工作在反偏压的条件下，适当加大反偏压可以减小二极管的等效结电容，从而减小了时间常数，缩短响应时间。
同时可以用较小的负载电阻阻值来减小时间常数。
但是硅二极管的光敏特性体现在电流上，如果负载电阻过小会影响到后续电路的有用信号输入过小，这是实际中需要注意的。
同时还可以提高发射端的载波频率来增加系统的抗干扰性。
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