畢業(yè)設計--光電保護控制的設計與實現(xiàn)

1、<p><b>　　畢 業(yè) 設 計</b></p><p>　　光電保護控制的設計與實現(xiàn)</p><p>　　院 系： 信息與管理工程系 </p><p>　　專 業(yè)： 通信技術 </p><p>　　姓 名： </p>&l

2、t;p>　　學 號： </p><p>　　指導老師： </p><p><b>　　2013年11月7</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1、引言</b>

3、</p><p>　　隨著現(xiàn)代電子技術、計算通信技術的迅速發(fā)展，有關防盜報警方面的產(chǎn)品愈來愈豐富。尤其紅外技術得到了迅猛的發(fā)展，紅外探測技術已滲透到國民經(jīng)濟的各行各業(yè)和人們生活的方方面面。作為紅外防盜的一種新技術，它已越來越得到社會的各界的重視和廣泛應用。本設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)。它基于紅外線基礎理論并結合了國內外同類系統(tǒng)的優(yōu)點，采用了紅外對射作為輸出、接收、信號經(jīng)邏輯處理電

4、路從而實現(xiàn)報警功能。</p><p>　　1.2、選題背景和意義</p><p>　　進入21世紀以來，光電控制技術正在迅速取代常規(guī)電氣控制技術，從而在運動控制、工程監(jiān)控系統(tǒng)等領域得到廣泛的應用。光電傳感器由于具有響應速度快，無接觸，低耗能，體積小，安裝簡便等優(yōu)點而被廣泛應用于自動化系統(tǒng)；可編程控制器由于編程方便，適應性強，抗干擾，可進行網(wǎng)絡通信等，已經(jīng)奠定了在控制系統(tǒng)應用中的主導地位。隨

5、著控制技術的發(fā)展和更新，了解和掌握光電控制技術與系統(tǒng)的原理、結構和應用是非常必要的。</p><p>　　隨著時代的不斷進步，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用。為了防止

6、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)的設置是必要的。</p><p>　　科技的發(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、人身安全的保護是一方面，而對儲存在計算機里的大量的重要文件、數(shù)據(jù)更需要保護。</p><p>　　在一個智能大廈內，不僅對外部人員要防范，對內部人員也要加強治理；對某些重要的地點，物品，以及重

7、要的人物也需要非凡的保護。因此，對現(xiàn)代化的大廈，需要設置多層次。立體化的保安系統(tǒng)。</p><p>　　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。</p><p>　　智能建筑的防盜報警系統(tǒng)，負責建筑內各個點，線，面和區(qū)域的偵測任務，

8、探測器負責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。</p><p>　　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)射的紅外信號進行編碼加密，而在接收端則進行解碼以區(qū)分是有用信號還是干擾信號。</p>

9、<p>　　本次設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，從而保護人們的財產(chǎn)，這個意義對于個人或者集體還是挺大的。</p><p>　　1.3、紅外對管的基本概念</p><p>　　紅外對管是在LED行業(yè)中命名的，是專門用來接收和感應紅外線發(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

10、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，屬于光敏三極管，具有單向導電性，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）。此時光敏管不導通。當光照時，飽和反向漏電流馬上增加，形成光電流，在一定的范圍內它隨入射光強度的變化而增大。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。紅外線接收頭就是在紅外線接收管的基礎上進行放大的信號的作用，類似與三極

11、管的放大效果。</p><p>　　第二章 報警器相關元件介紹</p><p>　　2.1、紅外射線原理</p><p>　　紅外線是太陽光線中眾多不可見光線的一種，由英國科學家霍胥爾于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。結果發(fā)現(xiàn)，位于紅光外側的那支溫度計升溫最快。因此得到

12、結論：太陽光譜中，紅光的外側必定存在看不見的光線，這就是紅外線。也可以當作傳輸之媒介。太陽光譜上紅外線的波長為0.75～1000μm。紅外線可分為三部分，即近紅外線，波長為0.75～1.5μm之間；中紅外線，波長為1.50～6.0μm之間；遠紅外線，波長為6.0～1000μm之間。</p><p>　　真正的紅外線夜視儀是光電倍增管成像，與望遠鏡原理完全不同，白天不能使用，價格昂貴且需電源才能工作。</p&

13、gt;<p>　　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℃）的物質都可以產(chǎn)生紅外線?，F(xiàn)代物理學稱之為熱射線。醫(yī)用紅外線可分為兩類：近紅外線與遠紅外線。</p><p>　　近紅外線或稱短波紅外線，波長0.76～1.5微米，穿入人體組織較深，約5～10毫米；遠紅外線或稱長波紅外線，波長1.5～400微米，多被表層皮膚吸收，穿透組織深度小于2毫

14、米。</p><p><b>　　紅外線的物理特性：</b></p><p><b>　　1.有熱效應</b></p><p>　　2.穿透雨霧的能力強（波長較長，易于衍射）</p><p><b>　　紅外線的波長范圍：</b></p><p>　　近

15、紅外線（Near Infra-red,NIR）:700～2,000nm│0.7～2MICRON</p><p>　　中紅外線（Middle Infra-red,MIR）:3,000～5,000nm│3～5MICRON</p><p>　　遠紅外線（Far Infra-red,FIR）:8,000～14,000nm│8～14MICRON</p><p>　　2.2、二

16、極管原理及特性</p><p>　　半導體二極管又稱晶體二極管，簡稱二極管（diode）；</p><p>　　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方向，使電流流動或不流動的性質。</p><p>　　2.2.1、二極管的工作原理</p><p>　　晶體二極管為一個由p型半導體和

17、n型半導體形成的p-n結，在其界面面處兩側形成空間電荷層，并建有自建電場。當不存在外加電壓時，由于p-n結兩邊載流子濃度差引起的擴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散電流增加引起了正向電流。當外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進一步加強，形成在一定反向電壓范圍內與反向偏置電壓范圍內與反向偏置電壓值無關的反向飽和電流I0。當外加的反向電壓高到一定程

18、度時，p-n結空間電荷層中的電場強度達到臨界值產(chǎn)生載流子的倍增過程，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。</p><p>　　2.2.3、二極管的應用</p><p><b>　　1、整流二極管</b></p><p>　　利用二極管單向導電性，可以把方向交替變化的交流電變換單一方向的脈動直流電。</p

19、><p><b>　　2、開關元件</b></p><p>　　二極管在正向電壓作用下電阻很小，處于導通狀態(tài)，相當于一只接通的開關；在反向電壓作用下，電阻很大，處于截止狀態(tài)，如同一只斷開的開關。利用二極管的開關特性，可以組成各種邏輯電路。</p><p><b>　　3、限幅元件</b></p><p>

20、;　　二極管正向導通后，它的正向壓降基本保持不變（硅管為0.7V，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。</p><p><b>　　4、繼流二極管</b></p><p>　　在開關電源的電感中和繼電器等感性負載中起繼流作用。</p><p><b>　　5、檢波二極管</b&g

21、t;</p><p><b>　　在收音機中檢波作用</b></p><p><b>　　6、變容二極管</b></p><p>　　使用于電視機的高頻頭中。</p><p><b>　　7、顯示元件</b></p><p><b>　　用于電

22、視機顯示器上</b></p><p>　　2.2.4、二極管的導電特性</p><p>　　二極管最重要的特性就是單方向導電性。在電路中，電流只能從二極管的正極流入，負極流出。下面通過簡單的實驗說明二極管的正向特性和反向特性。</p><p><b>　　1、正向特性</b></p><p>　　在電子電路中

23、，將二極管的正極接在高電位端，負極接在低電位端，二極管就會導通，這種連接方式，稱為正向偏置。必須說明。當加在二極管兩端的正向電壓很小時，二極管仍然不能導通，流過二極管的正向電流十分微弱。只有當正向電壓達到某一數(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，二極管才能直正導通。導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”。</p><p&

24、gt;<b>　　2、反向特性</b></p><p>　　在電子電路中，二極管的正極接在低電位端，負極接在高電位端，此時二極管中幾乎沒有電流流過，此時二極管處于截止狀態(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導電特性，這種狀態(tài)稱為二極管的擊穿。</p&

25、gt;<p>　　2.2.5、二極管的主要參數(shù)</p><p>　　用來表示二極管的性能好壞和適用范圍的技術指標，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)。對初學者而言，必須了解以下幾個主要參數(shù)：</p><p><b>　　1、最大整流電流</b></p><p>　　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，

26、其值與PN結面積及外部散熱條件等有關。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。</p><p>　　2、最高反向工作電壓</p><p>　　加在二極管兩端的反向電壓高到一定值時

27、，會將管子擊穿，失去單向導電能力。為了保證使用安全，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。</p><p><b>　　3、反向電流</b></p><p>　　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，管子的單方向導電性能越好。值得注意的是反向電流與溫度有著

28、密切的關系，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250μA，溫度升高到35℃，反向電流將上升到500μA，以此類推，在75℃時，它的反向電流已達8mA，不僅失去了單方向導電特性，還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5μA，溫度升高到75℃時，反向電流也不過160μA。故硅二極管比鍺二極管在高溫下具有較好的穩(wěn)定性。</p><p>

29、<b>　　4、最高工作頻率</b></p><p>　　二極管工作的上限頻率。超過此值是，由于結電容的作用，二極管將不能很好地體現(xiàn)單向導電性。</p><p>　　2.3、三極管原理及特性</p><p>　　半導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體器件。</p><p>　　

30、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。</p><p>　　2.3.1、三極管工作原理</p><p>　　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兩種結構形式，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。</p><p>　　對于NPN管，它

31、是由2塊N型半導體中間夾著一塊P型半導體所組成，發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結稱為發(fā)射結，而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結稱為集電結，三條引線分別稱為發(fā)射極e、基極b和集電極c。</p><p>　　當b點電位高于e點電位零點幾伏時，發(fā)射結處于正偏狀態(tài)，而C點電位高于b點電位幾伏時，集電結處于反偏狀態(tài)，集電極電源Ec高于基極電源Ebo。</p><p>　　在制造三極管時，有意識地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載

32、流子濃度大于基區(qū)的，同時基區(qū)做得很薄，而且，要嚴格控制雜質含量，這樣，一旦接通電源后，由于發(fā)射結正偏，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)射結互相向對方擴散，但因前者的濃度基大于后者，所以通過發(fā)射結的電流基本上是電子流，這股電子流稱為發(fā)射極電流le。</p><p>　　由于基區(qū)很薄，加上集電結的反偏，注入基區(qū)的電子大部分越過集電結進入集電區(qū)而形成集電集電流Ic，只剩下很少的電子在基區(qū)的空穴進行復合

33、，被復合掉的基區(qū)空穴由基極電源Eb重新補給，從而形成了基極電流Ibo。</p><p>　　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，通過電阻轉變?yōu)殡妷悍糯笞饔谩?lt;/p><p>　　2.3.2、三極管的主要參數(shù)</p><p>　　a.特征頻率fT：當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。<

34、;/p><p>　　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。</p><p>　　c.hFE：電流放大倍數(shù)。</p><p>　　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。</p><p>　　e.PCM：最大允許耗散功率。</p><p>　　f.封裝形式：指定該管的外觀形狀

35、，如果其它參數(shù)都正確，封裝不同將導致組件無法在電路板上實現(xiàn)。</p><p>　　三極管的腳位判斷，三極管的腳位有兩種封裝排列形式，如下圖：</p><p>　　2.3.3、三極管的三種工作狀態(tài)</p><p>　　截止狀態(tài)：當加在三極管發(fā)射結的電壓小于PN結的導通電壓，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

36、于開關的斷開狀態(tài)，我們稱三極管處于截止狀態(tài)。</p><p>　　放大狀態(tài)：當加在三極管發(fā)射結的電壓大于PN結的導通電壓，并處于某一恰當?shù)闹禃r，三極管的發(fā)射結正向偏置，集電結反向偏置，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)β=△Ic/△Ib，這時三極管處于放大狀態(tài)。</p><p>　　飽和導通狀態(tài)：當加在三極管發(fā)射結的電壓大于PN結的導通電壓，并當

37、基極電流增大到一定程度時，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)射極之間相當于開關的導通狀態(tài)。三極管的這種狀態(tài)稱之為飽和導通狀態(tài)。</p><p>　　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

38、態(tài)。</p><p>　　2.4、電容特性及參數(shù)</p><p>　　電容是表征電容器容納電荷的本領的物理量。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。電容從物理學上講，它是一種靜態(tài)電荷存儲介質，它的用途較廣，它是電子、電力領域中不可缺少的電子元件。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。</p><p>

39、;　　2.4.1、標稱電容量和允許偏差</p><p>　　標稱電容量是標志在電容器上的電容量</p><p>　　電容器實際電容量與標稱電容量的偏差稱誤差，在允許的偏差范圍稱精度。</p><p>　　精度等級與允許誤差對應關系：OO（01）-±1%、O（02）-±2%、Ⅰ-±5%、Ⅱ-±10%、Ⅲ-±20%、Ⅳ-

40、（+20%-10%）、Ⅴ-（+50%-20%）、Ⅵ-（+50%-30%）。</p><p>　　一般電容器常用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級，電解電容器用Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級，根據(jù)用途選取。</p><p>　　2.4.2、額定電壓</p><p>　　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，一般直接標注在電容器外殼上，如果工作電壓超過電容器的耐壓，電容器擊穿，造

41、成不可修復的永久損壞。</p><p>　　2.4.3、絕緣電阻</p><p>　　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。</p><p>　　當電容較小時，主要取決于電容的表面狀態(tài)，容量為0.1uf時，主要取決于介質的性能，絕緣電阻越大越好。</p><p>　　電容的時間常數(shù)：為恰當?shù)脑u價大容量電容的絕緣情況而引入了

42、時間常數(shù)，他等于電容的絕緣電阻與容量的乘積。</p><p><b>　　2.4.4、損耗</b></p><p>　　電容在電場作用下，在單位時間內因發(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的損耗允許值，電容的損耗主要由介質損耗，電導損耗和電容所有金屬部分的電阻所引起的。</p><p>　　在直流電場的作用下，電容器的損耗

43、以漏導損耗的形式存在，一般較小，在交變電場的作用下，電容的損耗不僅與漏導有關，而且與周期性的極化建立過程有關。</p><p>　　2.4.5、頻率特性</p><p>　　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。</p><p>　　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，一旦選擇不當會影響電路的整體工作狀態(tài)

44、。</p><p>　　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。</p><p><b>　　第三章 設計思路</b></p><p>　　3.1、設計思路與方案論證</p><p>　　紅

45、外報警器分為主動紅外報警器和被動紅外報警器。</p><p>　　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)。所以總結以上觀點，我決定選設計主動紅外報警器。</p><p><b>　　3.2、設計思路</b></p><p>　　本設計思路如上圖所示。通上電后，紅外線發(fā)射

46、電路開始工作，發(fā)射出紅外線（電信號轉化為光信號），接收電路接收到紅外線并轉化為電信號。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?，從而電路報警?lt;/p><p>　　第四章 裝置的功能調試</p><p>　　1、所有元件安裝后接上電源，電源指示燈點亮，用萬用表測量C1兩端電壓，正常應在5V左右，若不正常

47、，應仔細查看IC2是否裝反，四個整流二極管是否裝反。</p><p>　　2、報警電路調試：用一導線將IC1的8、9腳與地短接，接通電源，此時報警電路應不工作。如將VT3的C、E極短接，此時可聽到喇叭中發(fā)出的報警聲，若沒有聲音，應仔細檢查音樂電路是否裝錯，喇叭是否接線正確等。</p><p>　　3、發(fā)射器的調試：所有元件安裝好后，用直流5V供電進行調試，用萬用表測量VT7或VT8的基極對

48、地電壓，若出現(xiàn)負壓，表示電路已啟振，發(fā)射電路工作正常。</p><p>　　4、紅外接收電路調試:8、9腳對地的短接線先不要取掉，接上發(fā)射電源，將紅外線對管對齊，距離可以近些，接通電源測量C7兩端電壓，正常在紅外線沒有被擋住時，電壓大于0.6V;當將紅外線擋住時，電壓小于0.5V。若符合這個規(guī)律，表示紅外接收部分電路工作正常，否則就要仔細查看這部分電路元件是否有裝反，焊接是是否有虛焊或搭錫等情況。</p&g

49、t;<p>　　5、將所有電路恢復，然后上電，若報警，按下復位鍵，報警停，逐漸拉開紅外對射管的距離，注意一定要對齊。為了調試方便，這里所配連接線為50cm，然后將紅外線擋住，此時報警，將物體移開，報警依舊，按下復位鍵后報警解除，若功能正常，整個調試工作完成。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本次畢業(yè)設計接近尾聲，通過本次設計

50、讓我明白了自己所要學的知識好有很多。不過非常感謝我的老師和同學向我提出了寶貴的意見和建議，在此我向他們表示深深的感謝。在多年的學習生活中，還得到了許多學院領導、通信工程系領導和老師的熱情關心和幫助。在日常學習和生活中，老師和同學都給予了我很大的幫助。我也要感謝我的父母和親人，他們在我的學業(yè)中給了我莫大的鼓勵、關愛和支持。最后，向所有關心和幫助過我的領導、老師、同學和朋友表示由衷的謝意！在此為大學三年學習劃上了完美的句號！</p&g