通信技術(shù)畢業(yè)設(shè)計光電保護(hù)控制的設(shè)計與實現(xiàn)

1、南 充 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院畢 業(yè) 設(shè) 計光電保護(hù)控制的設(shè)計與實現(xiàn) 院 系： 信息與管理工程系 專 業(yè)： 通信技術(shù) 姓 名： 陳奎旭 學(xué) 號： 1104105137 指導(dǎo)老師： 余橋偉 2013年11月7南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院第一章 緒論1.1、引言 隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、計算通信技術(shù)的迅速發(fā)展，有關(guān)防盜報警方面的產(chǎn)品愈來愈豐富。尤其紅外技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，紅外探測技術(shù)已滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)和人們生活的方方面面。作為紅外防盜的一種新技術(shù)，它已越來越得到社會的各界的重視和廣泛應(yīng)用。本設(shè)計介紹的就是這么一種功能實用、價格低廉、使用方便的防盜系統(tǒng)。它基于紅外線基礎(chǔ)理論并結(jié)合了國內(nèi)外同類系統(tǒng)的優(yōu)點，采用

2、了紅外對射作為輸出、接收、信號經(jīng)邏輯處理電路從而實現(xiàn)報警功能。1.2、選題背景和意義 進(jìn)入21世紀(jì)以來，光電控制技術(shù)正在迅速取代常規(guī)電氣控制技術(shù)，從而在運(yùn)動控制、工程監(jiān)控系統(tǒng)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。光電傳感器由于具有響應(yīng)速度快，無接觸，低耗能，體積小，安裝簡便等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于自動化系統(tǒng)；可編程控制器由于編程方便，適應(yīng)性強(qiáng)，抗干擾，可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信等，已經(jīng)奠定了在控制系統(tǒng)應(yīng)用中的主導(dǎo)地位。隨著控制技術(shù)的發(fā)展和更新，了解和掌握光電控制技術(shù)與系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用是非常必要的。隨著時代的不斷進(jìn)步，人們對自己所處的環(huán)境的安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，不得不時刻留意那些不速之客?，F(xiàn)在很多

3、小區(qū)都安裝了智能報警系統(tǒng)，因而大大提高了小區(qū)的安全程度，有效保證了居民的人身財產(chǎn)安全。由于紅外線是見不得光的，有很強(qiáng)的隱蔽性和保密性，因此在防盜、警戒等安保裝置中得到廣泛的應(yīng)用。為了防止各種偷盜和暴力事件的發(fā)生和危害，確保大廈的安全，生命和財產(chǎn)不受損害，智能保安系統(tǒng)的設(shè)置是必要的?？萍嫉陌l(fā)展，新的犯罪手段對保安系統(tǒng)也提出了新的要求，在信息時代的今天，對錢、財物、人身安全的保護(hù)是一方面，而對儲存在計算機(jī)里的大量的重要文件、數(shù)據(jù)更需要保護(hù)。在一個智能大廈內(nèi)，不僅對外部人員要防范，對內(nèi)部人員也要加強(qiáng)治理；對某些重要的地點，物品，以及重要的人物也需要非凡的保護(hù)。因此，對現(xiàn)代化的大廈，需要設(shè)置多層次。立

4、體化的保安系統(tǒng)。防盜報警器的作用防盜報警系統(tǒng)就是用探測器對建筑物內(nèi)外重點區(qū)域，重要地點布防，在探測帶非法入侵者時，信號傳輸?shù)綀缶刂破?；聲光報警，顯示地址，有關(guān)值班人員接到報警后，根據(jù)情況采取措施，以控制事態(tài)的發(fā)展。智能建筑的防盜報警系統(tǒng)，負(fù)責(zé)建筑內(nèi)各個點，線，面和區(qū)域的偵測任務(wù)，探測器負(fù)責(zé)探測人員的非法入侵，有異常情況發(fā)生聲光報警，同時向區(qū)域報警器發(fā)送信息。目前用得較多得是紅外對射式，它由紅外發(fā)射器和接收器組成，只要有人入侵，人體將紅外信號擋住，報警系統(tǒng)便會被啟動，在實際運(yùn)用中，經(jīng)常會將多束紅光裝于一套系統(tǒng)中，形成長的一排，既常說的“紅外柵欄”，同時為了提高抗干擾性，將發(fā)射的紅外信號進(jìn)行編碼

5、加密，而在接收端則進(jìn)行解碼以區(qū)分是有用信號還是干擾信號。本次設(shè)計一個紅外對射防盜報警器，這對于我們的平時生活的家庭，小區(qū)，一些重要的場所等形成一個安全監(jiān)控，從而保護(hù)人們的財產(chǎn)，這個意義對于個人或者集體還是挺大的。1.3、紅外對管的基本概念 紅外對管是在led行業(yè)中命名的，是專門用來接收和感應(yīng)紅外線發(fā)射管發(fā)出的紅外線光線的。紅外對管是紅外發(fā)射管與光敏接收管，或者是紅外接收管，或者紅外線接收頭配合在一起使用的總稱。光敏接收管，它是一個具有光敏特征的pn結(jié)，屬于光敏三極管，具有單向?qū)щ娦?，因此工作時需加上反向電壓。無光照時，有很小的飽和反向漏電流（暗電流）。此時光敏管不導(dǎo)通。當(dāng)光照時，飽和反向漏電流

6、馬上增加，形成光電流，在一定的范圍內(nèi)它隨入射光強(qiáng)度的變化而增大。紅外線接收管功能與光敏接收管相似只是不可見光的干擾，屬于光敏二極管，只對紅外線有反應(yīng)。紅外線接收頭就是在紅外線接收管的基礎(chǔ)上進(jìn)行放大的信號的作用，類似與三極管的放大效果。第二章 報警器相關(guān)元件介紹2.1、紅外射線原理 紅外線是太陽光線中眾多不可見光線的一種，由英國科學(xué)家霍胥爾于1800年發(fā)現(xiàn)，又稱為紅外輻射，他將太陽光用三棱鏡分解開，在各種不同顏色的色帶位置上放置了溫度計，試圖測量各種顏色的光的加熱效應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，位于紅光外側(cè)的那支溫度計升溫最快。因此得到結(jié)論：太陽光譜中，紅光的外側(cè)必定存在看不見的光線，這就是紅外線。也可以當(dāng)作傳

7、輸之媒介。太陽光譜上紅外線的波長為0.751000m。紅外線可分為三部分，即近紅外線，波長為0.751.5m之間；中紅外線，波長為1.506.0m之間；遠(yuǎn)紅外線，波長為6.01000m之間。 真正的紅外線夜視儀是光電倍增管成像，與望遠(yuǎn)鏡原理完全不同，白天不能使用，價格昂貴且需電源才能工作。 在光譜中波長自0.76至400微米的一段稱為紅外線，紅外線是不可見光線。所有高于絕對零度（-273）的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線?，F(xiàn)代物理學(xué)稱之為熱射線。醫(yī)用紅外線可分為兩類：近紅外線與遠(yuǎn)紅外線。 近紅外線或稱短波紅外線，波長0.761.5微米，穿入人體組織較深，約510毫米；遠(yuǎn)紅外線或稱長波紅外線，波長1.54

8、00微米，多被表層皮膚吸收，穿透組織深度小于2毫米。 紅外線的物理特性：1.有熱效應(yīng)2.穿透雨霧的能力強(qiáng)（波長較長，易于衍射）紅外線的波長范圍：近紅外線（near infra-red,nir）:7002,000nm0.72micron中紅外線（middle infra-red,mir）:3,0005,000nm35micron遠(yuǎn)紅外線（far infra-red,fir）:8,00014,000nm814micron2.2、二極管原理及特性 半導(dǎo)體二極管又稱晶體二極管，簡稱二極管（diode）； 它是只往一個方向傳送電流的電子零件。它是一種具有1個零件號接合的2個端子的器件，具有按照外加電壓的

9、方向，使電流流動或不流動的性質(zhì)。2.2.1、二極管的工作原理 晶體二極管為一個由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)，在其界面面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場。當(dāng)不存在外加電壓時，由于p-n結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。當(dāng)外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴(kuò)散電流增加引起了正向電流。當(dāng)外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進(jìn)一步加強(qiáng)，形成在一定反向電壓范圍內(nèi)與反向偏置電壓范圍內(nèi)與反向偏置電壓值無關(guān)的反向飽和電流i0。當(dāng)外加的反向電壓高到一定程度時，p-n結(jié)空間電荷層中的電場強(qiáng)度達(dá)到臨界值產(chǎn)生載流子的倍增過程，

10、產(chǎn)生大量電子空穴對，產(chǎn)生了數(shù)值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現(xiàn)象。2.2.3、二極管的應(yīng)用 1、整流二極管 利用二極管單向?qū)щ娦裕梢园逊较蚪惶孀兓慕涣麟娮儞Q單一方向的脈動直流電。 2、開關(guān)元件 二極管在正向電壓作用下電阻很小，處于導(dǎo)通狀態(tài)，相當(dāng)于一只接通的開關(guān)；在反向電壓作用下，電阻很大，處于截止?fàn)顟B(tài)，如同一只斷開的開關(guān)。利用二極管的開關(guān)特性，可以組成各種邏輯電路。 3、限幅元件 二極管正向?qū)ê?，它的正向壓降基本保持不變（硅管?.7v，鍺管為0.3v）。利用這一特性，在電路中作為限幅元件，可以把信號幅度限制在一定范圍內(nèi)。 4、繼流二極管 在開關(guān)電源的電感中和繼電器等感性負(fù)載中起繼

11、流作用。 5、檢波二極管 在收音機(jī)中檢波作用 6、變?nèi)荻O管 使用于電視機(jī)的高頻頭中。 7、顯示元件 用于電視機(jī)顯示器上2.2.4、二極管的導(dǎo)電特性 二極管最重要的特性就是單方向?qū)щ娦?。在電路中，電流只能從二極管的正極流入，負(fù)極流出。下面通過簡單的實驗說明二極管的正向特性和反向特性。 1、正向特性 在電子電路中，將二極管的正極接在高電位端，負(fù)極接在低電位端，二極管就會導(dǎo)通，這種連接方式，稱為正向偏置。必須說明。當(dāng)加在二極管兩端的正向電壓很小時，二極管仍然不能導(dǎo)通，流過二極管的正向電流十分微弱。只有當(dāng)正向電壓達(dá)到某一數(shù)值（這一數(shù)值稱為“門檻電壓”，鍺管約為0.2v，硅管約為0.6v）以后，二極管

12、才能直正導(dǎo)通。導(dǎo)通后二極管兩端的電壓基本上保持不變（鍺管約為0.3v，硅管約為0.7v），稱為二極管的“正向壓降”。 2、反向特性 在電子電路中，二極管的正極接在低電位端，負(fù)極接在高電位端，此時二極管中幾乎沒有電流流過，此時二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，這種連接方式，稱為方向偏置。二極管處于方向偏置時，仍然會有微弱的反向電流流過二極管，稱為漏電流。當(dāng)二極管兩端的反向電壓增大到某一數(shù)值，反向電流會急劇增大，二極管將失去單方向?qū)щ娞匦?，這種狀態(tài)稱為二極管的擊穿。2.2.5、二極管的主要參數(shù) 用來表示二極管的性能好壞和適用范圍的技術(shù)指標(biāo)，稱為二極管的參數(shù)。不同類型的二極管有不同的特性參數(shù)。對初學(xué)者而言，必須了

13、解以下幾個主要參數(shù)： 1、最大整流電流 是指二極管長期連續(xù)工作時允許通過的最大正向電流值，其值與pn結(jié)面積及外部散熱條件等有關(guān)。因為電流通過管子時會使管芯發(fā)熱，溫度上升，溫度超過容許限度（硅管為140左右，鍺管為90左右）時，就會使管芯過熱而損壞。所以在規(guī)定散熱條件下，二極管使用中不用超過二極管最大整流電流值。例如，常用的in4001-4007型鍺二極管的額定正向工作電流為ia。 2、最高反向工作電壓 加在二極管兩端的反向電壓高到一定值時，會將管子擊穿，失去單向?qū)щ娔芰Α榱吮ＷC使用安全，規(guī)定了最高反向工作電壓值。例如，in4001二極管反向耐壓為50v，in4007反向耐壓為1000v。 3

14、、反向電流 反向電流是指二極管在規(guī)定的溫度和最高反向電壓作用下，流過二極管的反向電流。反向電流越小，管子的單方向?qū)щ娦阅茉胶?。值得注意的是反向電流與溫度有著密切的關(guān)系，大約溫度每升高10，反向電流增大一倍。例如2api型鍺二極管，在25時反向電流若為250a，溫度升高到35，反向電流將上升到500a，以此類推，在75時，它的反向電流已達(dá)8ma，不僅失去了單方向?qū)щ娞匦裕€會使管子過熱而損壞。又如，2cp10型硅二極管，25時反向電流僅為5a，溫度升高到75時，反向電流也不過160a。故硅二極管比鍺二極管在高溫下具有較好的穩(wěn)定性。 4、最高工作頻率 二極管工作的上限頻率。超過此值是，由于結(jié)電容的

15、作用，二極管將不能很好地體現(xiàn)單向?qū)щ娦浴?.3、三極管原理及特性 半導(dǎo)體三極管也稱為雙極型晶體管，晶體三極管，簡稱三極管，是一種電流控制電流的半導(dǎo)體器件。 作用：把微弱信號放大成幅值較大的電信號，也用作無觸點開關(guān)。2.3.1、三極管工作原理 晶體三極管按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有npn和pnp兩種結(jié)構(gòu)形式，但使用最多的是硅npn和pnp兩種三極管，兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹npn硅管的電流放大原理。 對于npn管，它是由2塊n型半導(dǎo)體中間夾著一塊p型半導(dǎo)體所組成，發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的pn結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，而集電區(qū)與基區(qū)形成的pn結(jié)稱為集電結(jié)，三條引線分別

16、稱為發(fā)射極e、基極b和集電極c。 當(dāng)b點電位高于e點電位零點幾伏時，發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，而c點電位高于b點電位幾伏時，集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，集電極電源ec高于基極電源ebo。 在制造三極管時，有意識地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的，同時基區(qū)做得很薄，而且，要嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量，這樣，一旦接通電源后，由于發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子極基區(qū)的多數(shù)載流子很容易地越過發(fā)射結(jié)互相向?qū)Ψ綌U(kuò)散，但因前者的濃度基大于后者，所以通過發(fā)射結(jié)的電流基本上是電子流，這股電子流稱為發(fā)射極電流le。 由于基區(qū)很薄，加上集電結(jié)的反偏，注入基區(qū)的電子大部分越過集電結(jié)進(jìn)入集電區(qū)而形成集電集電流ic，只剩下很少的電子在基區(qū)的空

17、穴進(jìn)行復(fù)合，被復(fù)合掉的基區(qū)空穴由基極電源eb重新補(bǔ)給，從而形成了基極電流ibo。 三極管是一種電流放大器件，但在實際使用中常常利用三極管的電流放大作用，通過電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷悍糯笞饔谩?.3.2、三極管的主要參數(shù) a.特征頻率ft：當(dāng)f=ft時，三極管完全失去電流放大功能，如果工作頻率大于ft，電路將不正常工作。 b.工作電壓/電流：用這個參數(shù)可以指定該管的電壓電流使用范圍。 c.hfe：電流放大倍數(shù)。 d.vceo：集電極發(fā)射極反向擊穿電壓，表示臨界飽和時的飽和電壓。 e.pcm：最大允許耗散功率。 f.封裝形式：指定該管的外觀形狀，如果其它參數(shù)都正確，封裝不同將導(dǎo)致組件無法在電路板上實現(xiàn)。 三

18、極管的腳位判斷，三極管的腳位有兩種封裝排列形式，如下圖：2.3.3、三極管的三種工作狀態(tài) 截止?fàn)顟B(tài)：當(dāng)加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓小于pn結(jié)的導(dǎo)通電壓，基極電流為零，集電極電流和發(fā)射極電流都為零，三極管這時失去了電流放大作用，集電極和發(fā)射極之間相當(dāng)于開關(guān)的斷開狀態(tài)，我們稱三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。 放大狀態(tài)：當(dāng)加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓大于pn結(jié)的導(dǎo)通電壓，并處于某一恰當(dāng)?shù)闹禃r，三極管的發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置，這時基極電流對集電極電流起著控制作用，使三極管具有電流放大作用，其電流放大倍數(shù)=ic/ib，這時三極管處于放大狀態(tài)。 飽和導(dǎo)通狀態(tài)：當(dāng)加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓大于pn結(jié)的導(dǎo)通電壓，并當(dāng)基極電流增大

19、到一定程度時，集電極電流不再隨著基極電流的增大而增大，而是處于某一定值附近不怎么變化，這時三極管失去電流放大作用，集電極與發(fā)射極之間的電壓很小，集電極和發(fā)射極之間相當(dāng)于開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)。三極管的這種狀態(tài)稱之為飽和導(dǎo)通狀態(tài)。 根據(jù)三極管工作時各個電極的電位高低，就能判別三極管的工作狀態(tài)，因此，電子維修員在維修過程中，經(jīng)常要拿多用電表測量三極管各腳的電壓，從而判別三極管的工作情況和工作狀態(tài)。2.4、電容特性及參數(shù) 電容是表征電容器容納電荷的本領(lǐng)的物理量。我們把電容器的兩極板間的電勢差增加1伏所需的電量，叫做電容器的電容。電容從物理學(xué)上講，它是一種靜態(tài)電荷存儲介質(zhì)，它的用途較廣，它是電子、電力領(lǐng)域中不

20、可缺少的電子元件。主要用于電源濾波、信號濾波、信號耦合、諧振、隔直流等電路中。電容的符號是c。2.4.1、標(biāo)稱電容量和允許偏差 標(biāo)稱電容量是標(biāo)志在電容器上的電容量 電容器實際電容量與標(biāo)稱電容量的偏差稱誤差，在允許的偏差范圍稱精度。 精度等級與允許誤差對應(yīng)關(guān)系：oo（01）-±1%、o（02）-±2%、-±5%、-±10%、-±20%、-（+20%-10%）、-（+50%-20%）、-（+50%-30%）。 一般電容器常用、級，電解電容器用、級，根據(jù)用途選取。2.4.2、額定電壓 在最低環(huán)境溫度和額定環(huán)境溫度下課連續(xù)加在電容器的最高直流電壓有效值

21、，一般直接標(biāo)注在電容器外殼上，如果工作電壓超過電容器的耐壓，電容器擊穿，造成不可修復(fù)的永久損壞。2.4.3、絕緣電阻 直流電壓加在電容上，并產(chǎn)生漏電電流，兩者之比稱為絕緣電阻。 當(dāng)電容較小時，主要取決于電容的表面狀態(tài)，容量為0.1uf時，主要取決于介質(zhì)的性能，絕緣電阻越大越好。 電容的時間常數(shù)：為恰當(dāng)?shù)脑u價大容量電容的絕緣情況而引入了時間常數(shù)，他等于電容的絕緣電阻與容量的乘積。2.4.4、損耗 電容在電場作用下，在單位時間內(nèi)因發(fā)熱所消耗的能量叫做損耗。各類電容都規(guī)定了其在某頻率范圍內(nèi)的損耗允許值，電容的損耗主要由介質(zhì)損耗，電導(dǎo)損耗和電容所有金屬部分的電阻所引起的。 在直流電場的作用下，電容器的

22、損耗以漏導(dǎo)損耗的形式存在，一般較小，在交變電場的作用下，電容的損耗不僅與漏導(dǎo)有關(guān)，而且與周期性的極化建立過程有關(guān)。2.4.5、頻率特性 隨著頻率的上升，一般電容器的電容量呈現(xiàn)下降的規(guī)律。 低頻中使用的范圍較寬，如可以使用高頻特性比較差的，但是在高頻電路中就有了很大的限制了，一旦選擇不當(dāng)會影響電路的整體工作狀態(tài)。 一般的電源里用的有電解電容、瓷片電容，但是在高頻中就要使用云母等價格較貴的電容，就不可以使用滌綸的電容和電解的電容，因為它們在高頻情況下會形成電感，以致影響電路的工作精度。 第三章 設(shè)計思路3.1、設(shè)計思路與方案論證 紅外報警器分為主動紅外報警器和被動紅外報警器。 主動紅外報警器簡單、方便、實用、且易于實現(xiàn)；被動紅外報警器雖然功能強(qiáng)大、監(jiān)控的范圍廣、精確、但要求較高、不易于實現(xiàn)。所以總結(jié)以上觀點，我決定選設(shè)計主動紅外報警器。3.2、設(shè)計思路 本設(shè)計思路如上圖所示。通上電后，紅外線發(fā)射電路開始工作，發(fā)射出紅外線（電信號轉(zhuǎn)化為光信號），接收電路接收到紅外線并轉(zhuǎn)化為電信號。芯片cd4011經(jīng)邏輯處理輸出高電平時，電路不報警；當(dāng)發(fā)射管與接收管之間有物體擋住紅外線時，cd4011邏輯處理后輸出變?yōu)榈碗娖剑瑥亩娐穲缶?。第四?裝置的功能調(diào)試 1、所有元件安裝后接上電