光电报警系统设计与实现1.doc

光电报警系统设计与实现

一、实验目的

1、自行设计简单的光电报警系统，全面掌握光电检测技术的相关知识。

2、在实践中分析探讨影响光电探测性能的各种参数，最大限度的发挥系统的探测能力。

二、主要内容

使用热释电器件作为红外被动接收系统，当感受到探测区域内有人活动时，接收系统带动后继电路发出报警信号。

要求系统在给定器件和环境的条件下，作用距离尽可能远。

三、基本原理

1、透镜和红外传感器部分

红外传感器是整个红外报警系统的基础，也是设计中需要关注的核心器件。基于本次课程设计的目的，我们采用对人体辐射的红外波长敏感，而对自然环境中的大多数背景辐射不敏感的热释电探测器来实现。热释电探测器利用热释电效应，可以检测出移动着的人体发出的红外线，并能够检测出移动时的红外能量变化，将其转换成低频交流信号，并通过后继的电子电路经放大、比较和整形后，作为控制信号去驱动报警装置工作。

对于本次课程设计中使用的红外传感器，即热释电探测器，我们可以采用TO-5型金属封装双探测元的P2288，该芯片使用的是热释电红外传感技术，热释电效应具有平坦的功率响应，且必须是变化的信号才能被热释电探测器检测到，这要求人在移动过程中的频率在0.3~5HZ之间。此外，在壳体顶面的窗孔内贴有截止波长为7-10微米的滤光片，保证了人体辐射出的中心波长为9-10微

米的红外线通过。

2、放大器部分

由于光电探测器即热释电探测器所处的空间有限，在探测器上直接实现信号的处理是十分困难的。我们可以在靠近探测器的位置上放置小型前置放大器，用来放大探测器的输出信号，变换它的输出阻抗，改善分路电容效应以展宽探测器的频带，使电信号经过这些处理后能够通过低阻抗屏蔽式电缆，成功地传输到信号处理系统的有关电路部分。

通过以上分析我们可以知道，前置放大器的设计要求是低噪声、高增益、低输出阻抗、大的动态范围，良好的线性特征和较好的抗颤噪声能力。在具体的设计中，我们可以考虑采用两级运算放大器进行前置放大。

应用场效应管构成的集成放大电路LF353来进行搭建。

3、比较电路

比较电路的基本作用是，提供一个基准电压，用经过前置放大器放大后的信号点压与基准点压相比较，以决定是否满足报警的阈值条件，以触发后继的报警系统。比较电路的工作要求预先设置一个基准比较电压，这需要通过测定环境辐射变化程度来确定。确定阈值的原则在于有效的区分出环境波动的背景噪声影响。

根据以上要求，我们在分立电路中采用一个稳压芯片来获得基准点压，并通过双运算放大器构建一个电压比较器来完成要求。

本实验中选用LM393作为比较器，选用7806稳压器提供基准电压。LM393

由两个集成运算放大器组成，在实际使用中构成一个双比较器。

4、单稳态触发电路

单稳态触发电路的基本作用是，根据比较电路输出的触发信号，带动后继报警系统进行工作。单稳态电路参数的选择要求把电路的报警延迟时间、触发的封锁时间都控制在实际需要的范围内，这要求选择合适的电阻和电容来实现。

在实际设计中，我们可以采用施密特触发器来构建单稳态触发器来达到设计要求。

本实验选用40106芯片制作单稳态触发器。该芯片实际上6个施密特触发型反相器。其在转态时具有滞后现象，因此不会产生开关震荡的现象。利用其中的任意2个反相器与适当的电阻和电容配合，就可以搭建出符合设计需要的单稳态触发器，对报警的延时进行准确的控制。

四、电路原理图

图1、分立元件设计的红外报警系统电路原理图

五、使用集成电路的设计思想

采用的集成芯片是BISS0001，其内部包含高输入阻抗运算放大器（两级）、双向鉴幅器，延迟定时和封锁定时电路、状态控制器、驱动级及参考电压源等。来自红外传感器的信号，经芯片内部的前置放大器和第二级运放放大、双向鉴幅器处理后，检出有效的信号去启动定时电路，并由驱动级的输出端输出一个高电平控制信号，来进一步控制后继的报警系统的工作。

关于BISS0001的内部原理：

图2、BISS0001内部原理框图

下面则是一个封装好的典型的BISS0001的电路模块图：

图3、BISS0001电路模块图

上图中各引脚的定义和功能如下：

VDD—工作电源正端。范围为3~5V。

VSS—工作电源负端。一般接0V。

I B—运算放大器偏置电流设置端。经R B接V SS端，R B取值为1MΩ左右。11N-—第一级运放放大器的反相输入端。

11N+—第一级运放放大器的同相输入端。

1o UT—第一级运算放大器的输出端。

2IN—第二级运算放大器的反相输出端。

2OUT—第二级运算放大器的输出端。

图4、基于BISS0001的报警电路系统原理图

Vc—触发禁止端。当Vc＜V R时禁止触发；当V C＞V R时允许触发。

VR≈0.2VDD。

V RF—参考电压及复位输入端。一般接VDD。接“0”时可使定时器复位。

A—可重复触发和不可重复触发控制端。当A=1时，允许重复触发，当A=0时，不可重复触发。

V o—控制信号输出端。由 Vs 上跳边沿触发使 V o 从低电平跳变到高电平时为有效触发。在输出延时间Tx 之外和无Vs 上跳变时V o 为低电平状态。

RR1,R C1—开机延迟时间Tx 的调节端。Tx≈49152R1C1。

RR2，RC2—触发封销时间Ti 的调节端。Tx≈24R2C2。

根据上述引脚的定义，我们可以考虑下面形式的外接电路来构成整个基于BISS0001集成芯片的红外报警系统电路。其中红外探测器仍然采用前面已经分析过的P2288，而电子电路则完全建立在BISS0001的基础上。

六、实验中遇到的问题

使用集成电路的设计思想，搭建电路的过程比较顺利，但是电路中各器件的取值对电路的性能有很大的影响。我们的第一个问题是灵敏度不够，只能是温度较高的物体在近距离内移动，才会报警。针对这个问题我们更换了R1，为了不影响运放的作用，同时也需更换R3，两者又不严格的线性关系。第二是报警时间有延迟，经分析是R6和C5的作用，按公式计算后将R6取在100欧左右，问题解决。

实验中，搭建电路的过程不是最重要的，重要的是要清楚个部分组成的作用，它对整个有什么影响，只有原理明白了才能针对出现的问题进行分析，找出问题所在，并提出解决方案，从而更好的完成实验。