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1、光电检测技术设计性实验实验名称: 光电报警系统设计 学 号: 201114060303 姓 名: 赵春芳 班 级: 11电技 3 班 同组姓名: 田晓蓓 高祥凯 杜伟男 刘慧军 指导教师: 王岭娥 电气工程学院光电报警系统设计一、实验目的1.练习自拟简单的光电报警系统设计实验；2.对影响光电探测性能的各种参数进行探讨，以求最大限度地发挥系统的探测能力。二、实验内容半自拟简单的红外光电报警系统。三、实验仪器1.红外发射二极管BT401 1只2.光敏二极2CU2B 1只3.光电报警系统设计模板 1套4.直流稳压电源 1个四、实验原理光电报警系统是一种监视系统，目前种类繁多。本实验半自拟一个简单的主
2、动报警系统，由下图所示的四个部分组成。图1 报警系统组成发射系统包括调制电源和红外发射二极管，发射红外调制光。在发射系统和接收系统之间有红外光束警戒线，当警戒线被阻挡时，接收系统发出指示信号，此信号经放大，驱动报警电路发出报警信号。下面对各部分电路各举一个简单的例子，也可选用于系统中。1.发射系统：用NE555定时器构成多谐振荡器作调制电源，BT401作为红外发射管NE555内部结构原理如下图（a）所示：若不用5脚时，当2脚外加电压小于Vc（电源电压）时，比较器2翻转，导致RS触发器翻转，管脚3输出高电平。同时晶体管Q截止，使脚7内部开路。当6脚外加电压高于Vc时，比较器1翻转，导致RS触发器
3、翻回，管脚3输出低电平。同时晶体管Q导通，使脚7内部近似接地。若管脚5外加比较电压，则NE555在外加比较电压下工作。比较器1或比较器2的翻转阈电平由管脚5外加比较电压在电阻R上的分压决定。 图（b）给出了由NE555构成占空比可调的多谐振荡器的参考电路。 (a) (b) 图2 NE555定时器构成多谐振荡器电容器C1由电源电压Vcc通过R2、D充电，A点电压按指数规律上升，由于二极管D的作用，电流不经过R1，因此其充电时间常数为R2C1。当A点电压低于1/3VCC时，3脚输出电压V0为高电平，7脚内部开路，直到当A点电压上升到时，3脚输出电压V0为低电平，同时7脚近似接地，电容器C1通过R1
4、至7脚放电，由于二极管D反向电阻很大，放电时间常数为R1C1。直到当A点电压下降到1/3VCC时，3脚输出电压V0又为高电平，同时7脚内部又开路，电容器C1又由电源电压Vcc通过R2、D充电。调整或的电阻值可以调整占空比。当R1=R2=R时，输出为方波信号。其输出频率为：参考值：用100K电位器， =2.2K，C1=0.1F， 。用NE555组成振荡器来作红外发光管BT401的驱动时，由于红外发光管BT401的工作电流约30mA，NE555输出功率不够，因此需加一个三极管驱动电路。使输出电流大于或等于红外发光管的最小工作电流If。同时发光管必需串联一个限流电阻Rf，使输出电流小于或等于发光管的
5、最大工作电流Im。设发光管最大工作电流为Im, 最大工作电流时正向压降为Vm，则限流电阻Rf取值为 参考电路入下图3 三极管放大驱动发射2.接收系统和放大电路电路如下图所示，用2CU2B光敏二极管作为接收系统，LF353构成放大电路。光敏二极管是一种光伏探测器，当入射光强度发生变化时，通过二极管的电流随之变化，于是二极管的端电压也发生变化。从阻抗的角度看，当入射光强度发生变化时，二极管的阻抗发生变化，光强度越大阻抗越小。放大器为两级，前一个LF353构成主放大器，将光敏二极管接入同向输入端，将光敏二极管所产生的电流变化信号放大。后一个LF353构成比较放大器，比较放图4 接受放大电路大器的反向
6、输入端6脚加来自主放大器的信号电压。当光线未阻断时，从主放大器来的交流信号经二极管D1检波，再经R4、C1低通滤波器后得到直流电压，比较放大器的同向输入端5脚加某一固定偏置电压，其值要小于或接近反向输入端6脚电位。则放大器7脚输出电压近似为零，当红外光束被阻断时，主放大器没有信号输出。从而比较放大器只有同向输入端加的正电压，输出为高电位，则比较放大器输出电位的变化指示了光线是否阻断。当然可以如图所示，在比较放大器的输出端接报警电路（如LED和扬声器），当红外光束被阻断时，LED管亮,扬声器发声报警。3.抱警保持和消除电路将报警电路直接接比较放大器的输出端有缺点：当光线又未阻断时，报警信号立即消
7、失，报警不能维持。最好加一个报警保持和消除电路，即使光线被阻断很短时间，一但报警，则维持下去，当不需要报警时，人为消除。下面给出用双D触发器74HC74实现此功能的参考电路图图5 保持消除根据74HC74的功能表，CLK为低电位时，Q为低电位，只要CLK有个电位上升，则Q为高电位，即使CLK再为低电位，也能保持高电位。将CLK端通过电阻R9接入比较放大器的输出，将LED和扬声器接Q端，则可实现当红外光束被阻断时报警和维持。当不需要报警时，按一下K1使CLR为低电位，则Q又为低电位且保持，报警消除。以上两电路的参考值为：R1：1K R2：1KR3：120K R4：68KR5：5.6K R6：2.
8、2KR7：1K R8：5.6KR9：1K C1：0.1uFC2：10 uF五、实验用设计模板介绍光电报警系统设计模板示意图如下图：图6 光电报警系统设计模板光电报警系统设计模板备有+5V，-5V直流稳压电源，只要从外部插入+5V电源,则+5V和-5V孔就有电压,为光电报警系统设计提供电压，其中NE555、LF353、74HC74所需工作电压内部已接好。本实验模块还配有时钟集成电路NE555、双运算放大器LF353、触发器74HC74和三极管9013，供电路设计时使用，它们的已接器件如图所示。还备有各类参数的电阻、电容，以及10k、100K的电位器和设计过程中可能用到的元器件放在面板上，供设计者
9、选用。六、实验步骤（一）发射部分的设计与调试1.用NE555设计一占空比可调的方波振荡器，作为红外发射二极管的调制电源，画出电路图，标明器件参数；2.根据电路图从模板上选择器件，用导线组成电路，用示波器从NE555的3脚观测输出波形应为方波, 并测量输出电压峰峰值；调节100K电位器使占空比为50%。3.设计红外发射二极管的驱动电路，主要是根据给出的BT401的参数，计算限流电阻，由于BT401是工作在脉冲状态下，为提高输出功率，实际使用的限流电阻可以比由（取1V）计算出的值小23倍。从模板上选择器件，用导线组成发射系统，用示波器测试红外发射二极管BT401两端的波形，其幅度若大于1V，说明发
10、射电路正常。（二）接收部分的设计与调试可以根据上面给出的参考电路设计，也可用模板上给出的器件（可不全用）另行设计。若根据参考电路设计步骤如下：1.用LF353设计主放大器，画出电路图，标明器件参数，根据电路图从模板上选择器件，用导线组成放大电路，用示波器从LF353的1脚观测输出波形，当光敏管接收到信号时应有输出，且输出随发射和接收管的距离而变，调整发射和接收管的距离（比如20cm）和方向，使输出最大。2.用另外LF353设计比较放大器，画出电路图，选择器件参数，根据电路图从模板上选择器件，R6用10K电位器，用导线组成放大电路。3.当光敏管接收到信号时，用万用表测量6脚、5脚和7直流电压，6
11、脚电压必须高于5脚（一般设定为0.5V1V），否则调整R6，7脚电压应近似为零。当光敏管未接收到信号时，6脚电压低于5脚，7脚为高电位，说明电路正常。.(三) 报警保持和消除电路设计与调试用双D触发器74HC74设计, 画出电路图，标明器件参数，根据电路图从模板上选择器件，用导线组成电路；若根据参考电路，调试方法是：将图中“输入”接地，按一下KI，用万用表测5脚电位，应为低电位；将图中“输入”接+5V，用万用表测5脚电位，应为高电位；按一下KI，5脚应恢复低电位，说明电路正常。（四）电路统调1.将以上三部分连成完整电路，发光二极管和扬声器接到74HC74的5脚；2.使发射和接收管之间的距离较小
12、（比如20cm），即有警戒线，此时应不报警；阻断警戒线，则接收系统发出警报信号。恢复警戒线后，按一下KI，警报信号消除；3.增大发射和接收管之间的距离，同时用示波器监测LF353的1脚输出信号，直到报警，这就是在给定器件的条件下作用的最大距离；4.改变光源调制信号的占空比，观察对作用距离的影响。5.改变LF353的5脚电压, 观察对作用距离的影响。七、实验报告要求1.画出完整的电路图，标明器件参数，简述工作原理；2.简述为了提高作用距离，光源调制信号的占空比应如何取值；3.分析影响作用距离的原因，提出提高作用距离的措施。1.第一部分：产生时钟脉冲第二、三部分：驱动放大2. 调整第一部分的R1和R2的电阻值可以调整占空比，且当R1=R2时，输出为方波信号，其输出频率为3. 影响作用距离的因素1) 发射和接收管之间的距2) 光源调制信号的占空比3) LF353的5脚电压适当改变它们可以改变作用距离，比如增大发射和接收管之间的距离
