光电报警系统设计 [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。 [实验内容 自拟简单的红外光电报警系统。 [实验仪器」 1、红外发射二极管BT401 1只 2、光敏二极管2CU2B 1只 3、光电报警系统设计模块 1套 4、连接导线 60根 5、直流稳压电源 1个 [实验原理 光电报警系统是一种重要的监视系统，目前其种类已经日益增多。有对飞机、 导弹等军事目标入侵进行的报警系统，也有对机场、重要设施或危禁区域防范进 行报警的系统。一般说来，被动报警系统的保密性好，但是设备比较复杂：而主 动报警系统可以利用特定的调制编码规律，达到一定的保密效果，设备比较简单。 本实验半自拟一个简单的主动报警系统，由图1所示的四个部分组成。 发射系统 红外光束警戒线 图一国圓 图1 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。 1、发射系统：用NE555定时器构成占空比可调的多谐振荡器作调制电源， 1
光电报警系统设计 [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。 [实验内容] 自拟简单的红外光电报警系统。 [实验仪器] 1、红外发射二极管 BT401 1 只 2、光敏二极管 2CU2B 1 只 3、光电报警系统设计模块 1 套 4、连接导线 60 根 5、直流稳压电源 1 个 [实验原理] 光电报警系统是一种重要的监视系统，目前其种类已经日益增多。有对飞机、 导弹等军事目标入侵进行的报警系统，也有对机场、重要设施或危禁区域防范进 行报警的系统。一般说来，被动报警系统的保密性好，但是设备比较复杂；而主 动报警系统可以利用特定的调制编码规律，达到一定的保密效果，设备比较简单。 本实验半自拟一个简单的主动报警系统，由图 1 所示的四个部分组成。 图 1 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。 1、发射系统：用 NE555 定时器构成占空比可调的多谐振荡器作调制电源， 1
BT401作为红外发射管。 E555内部结构原理如下图(2)所示：若不用5脚时，当2脚外加电压小 于。（电源电压）时，比较器2翻转，导致S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脚外加电压高于三V,时，比较器1翻 转，导致S触发器翻回，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(3)给出了由NE555构成占空比可调的多谐振荡器的参考电路： 厨回回回 比较2- 触发 NE555 22K门 D为1007 图3 电容器C1由电源电压V通过R2、D充电，A点电压按指数规律上升，由于 极管D的作用，电流不经过R1,因此其充电时间常数为RC。 当A点电压低于1/3V时，3脚输出电压V为高电平，7脚内部开路，直到当A 点电压上升到2'c时，3脚输出电压V为低电平，同时7脚近似接地，电容器 C1通过R1至7脚放电，由于二极管D反向电阻很大，放电时间常数为RC。直到 当A点电压下降到1/3V时，3脚输出电压V,又为高电平，同时7脚内部又开路， 2
BT401 作为红外发射管。 NE555 内部结构原理如下图（2）所示：若不用 5 脚时，当 2 脚外加电压小 于 3 1 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 3 2 Vc时，比较器 1 翻 转，导致RS触发器翻回，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（3）给出了由 NE555 构成占空比可调的多谐振荡器的参考电路。 图 2 2.2K 图 3 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 VCC 3 2 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 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， 2
电容器C1又由电源电压V通过R2、D充电。 调整R或R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： 1 ∫=2RC 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I。同时发光管必需串联一个限流 电阻R,使输出电流小于或等于发光管的最大工作电流I。设发光管最大工作电 流为I,最大工作电流时正向压降为V,则限流电阻R取值为 参考电路如下 Vec 39 4 BT401 o输入四 红外发光管 图4 2、接收系统和放大电路 电路如图5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
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： R1 R2 RC f 2 1 = 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 m cc m f I V V R − ≥ 参考电路如下 39 图 4 2、接收系统和放大电路 电路如图 5 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。 3
图5 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1353构成比较放大器， 比较放大器的反向输入端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D,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脚加某一周定偏置电压，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，如图6所示
图 5 放大器为两级，前一个 2 1 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 2 1 LF353 构成比较放大器， 比较放大器的反向输入端 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，如图 6 所示。 4
c2 图6 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 9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CR为低电位，则Q又为低电 位且保持，报警消除。 接收系统和报警部分电路连图如图7所示。 图7 参考参数值： RI:IKQ R2:IKQ R3:120K9 R4:68K9 R5:5.6K9 R6:2.2K2 R7:1KQ R8:5.6K2 R9:IKQ Cl:10uF C2:10uF D1:光敏二极管
图 6 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。 接收系统和报警部分电路连图如图 7 所示。 图 7 参考参数值： R1：1KΩ R2：1KΩ R3：120KΩ R4：68KΩ R5：5.6KΩ R6：2.2KΩ R7：1 KΩ R8：5.6KΩ R9: 1KΩ C1: 10uF C2: 10uF D1: 光敏二极管 5
D2:1N4007 【实验用设计模板介绍 光电报警试验系统模块如图8所示 ::光电报警系统设计 5常超 --NE0 凸● 海 图8 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 74C74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E555、双运 算放大器LF353、触发器74HC74和三极管9013，供电路设计时使用，它们的己 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，供设计者选用。 [实验步骤！ 1、用面板上NE555模块、100K可调电位器和一个2.2K电阻设计一占空比 可调的方波振荡器，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，并测量输出电压峰一峰值：调节100水电位器使占空比为50%。 2、将该实验中的三部分电路（图3、图4、图7）连接成一个完成的系统电 路。 3、用红外发射二极管组成发射系统，在发射和接收系统之间有红光束警戒 线。当警戒线被阻断时，接收系统发出警报信号。要求系统在给定器件的条件下 作用距离尽可能远。 4、恢复警戒线后，按一下K1,则报警信号消除。 6
D2: 1N4007 [实验用设计模板介绍] 光电报警试验系统模块如图 8 所示： 6 图 8 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，供设计者选用。 上 NE555 模块、100K 可调电位器和一个 2.2K 电阻设计一占空比 可调的方波振荡器，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%。 2、将该实验中的三部分电路 (图 3、图 4、图 7) 连接成一个完成的系统电 路。 3、用红外发射二极管组成发射系统，在发射和接收系统之间有红光束警戒 线。当警戒线被阻断时，接收系统发出警报信号。要求系统在给定器件的条件下 作用距离尽可能远。 4、恢复警戒线后，按一下 K1，则报警信号消除。 [实验步骤] 1、用面板
[实验报告要求] 1、画出完整的电路图，标明器件参数。 2、简述整体电路系统的工作原理。 3、分析影响作用距离的原因，提出提高作用距离的措施。 [思考题] 1、为了提高作用距离，光源调制频率和占空比如何取值？ 2、当拦截光束的目标运动较快或较慢，接收电路和电路参数应如何考虑能 保证正常报警
7 路图，标明器件参数。 高作用距离的措施。 [思 提高作用距离，光源调制频率和占空比如何取值？ 应如何考虑能 保证 [实验报告要求] 1、画出完整的电 2、简述整体电路系统的工作原理。 3、分析影响作用距离的原因，提出提 考题] 1、 为了 2、 当拦截光束的目标运动较快或较慢，接收电路和电路参数 正常报警