光电课程设计

光电技术课程设计课题：光电报警系统设计与实现姓 名：姚海军指导教师：曾业战李春来院部：物理与电子学院班 级：电子09-1学 号：140925000702012 年 06 月 05 日目录1. 设计课题2. 设计目的3. 设计要求4. 设计框图及总体概述5. 各单元电路的设计方案及原理6. 调试的过程及结果7. 设计、安装及调试中的体会及对课程设计建议8. 参考文献9. 附录、 设计课题光电报警系统设计与实现二、设计目的本课程设计的基本目的在于巩固电子技术、光电技术、感测技术以及传感器 原理等方面的理论知识，从系统角度出发，培养综合运用理论知识解决实际问题 的能力，并养成严谨务实的工作作风。通过本电路的设计、安装及调试，掌握简 单的光与电的接口设计，课程设计报告撰写。巩固模电、数字和光电课程相关知 识，熟悉DXP2004软件或Cadence的使用，初步掌握光电系统设计方法和研发 流程，逐步熟悉开展工程实践的程序和方法。三、设计要求用 NE 555构成占空比为 50%多谐振荡器作发光二极管的调制电路，并对参数 选择进行分析说明；选用 LF353 构成比较放大器进行报警电路设计；画出所做实 验的全部电路图，并注明参数；记录调试完成后示波器输出的各测量点电压波形。四、设计框图及总体概述光电报警系统是一种重要的监视系统。目前其种类日益增多。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。红外报警系统是各种报警器中使用最多的一种，它是利用在红外波 段的光电探测器制作的一种光电探测系统。常用的红外报警器，按其工作方式可 分为被动式和主动式两种。被动式红外报警器只有接收部分，当有人和物体进入其监视范围之内时， 人或物体发出的红外辐射被相应的红外探测器接收后，经过信号放大和处理，就 会发出报警。主动式红外报警器的原理框图如图 1 所示。由红外光源发出的红外辐射被红 外探测器接收，红外辐射信号变为电信号，经信号放大和处理电路后送报警电路。 这种报警器实际上分成发送和接收两部分，分开放置。当没有人和物体进入这两 部分之间，红外辐射没有被阻挡时，报警处于一种状态，不报警。一旦有人或物 体进入这两部分之间。红外辐射被阻挡，报警器立即翻转到另一种状态，即可报光电报警系统的总体框图如下:五、各单元电路的设计方案及原理1.用555 定时器组成多谐振荡器555 定时器电路是一种中规模集成定时器，目前应用十分广泛。通常只需外 接几个阻容元件,就可以构成各种不同用途的脉冲电路,如多谐振荡器、单稳态触 发器以及施密特触发器等。555 定时电路有 TTL 集成定时电路和 CMOS 集成定时 电路,它们的逻辑功能与外引线排列都完全相同。 广泛用于信号的产生、变换， 还常用语控制与检测电路中。555定时器的内部电路由分压器，电压比较器C1和C2，简单SR锁存器，放 电三极管T以及缓冲器G组成。比较器的参考电压由三只5KQ的电阻器构成分 压，它们分别使高电平比较器C1同相比较端和低电平比较器C2的反相输入端的 参考电平为Vcc32和Vcc31Cl和C2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关 状态。当输入信号超过2/3VCC时触发器复位，555的输出端3脚输出低电平， 同时放电，开关管导通；当信号自 2 脚输入并低于 Vcc3 时，触发器置位， 555 的 3 脚输出高电平，同时放电，开关管截止。内部结构如下：555 构成多谐振荡器的原理图如下：555定时器构成多谐振荡器的工作原理：接通电源后，电容C被充电，当Vc上升到2/3Vc，使Vo为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过R2和T放电,Vc下降。当Vc下降到1/3Vcc时，Vo翻转为高电平电容器C放电所需的时间为tpl=R2C*ln2=0.7R2C,当放电结束时，T截止，Vcc通过R1,R2向电容器C充电,Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间为tph=(Rl+R2)C*ln2.如此周而复始，于是在电路输出端产生一个周期性的矩形波。电路工作波形如下：因此，振荡频率为 f=l/(tph+tpl)=l.43/(Rl+R2)C 电路输出波形的占空比为 q(%)=Rl/(Rl+R2)*l00%振荡发射电路如下：Pl+5VR2U1R3R165T5.7K2.C2 NE555104M 32.光电检测、比较报警电路原理图ci104 GND100D0 LEDO光电检测和比较电路主要是用LF353运算放大器，其中LF353是一个低价、 高速的JFET输入的并且有着非常低的输入偏置电压的运算放大器。只需给他提 供很小的供电电流就能获得一个很大的增益带宽和很快很高的转换速率。除此以 外，匹配的高电压 JFET 输入提供非常低的输入失调电流和偏置电流。 LF353 可 以用在高速积分器、数模转换器、采样保持电路和许多其他的电路。LF353工作 温度从0C到70C。光放大器原理：利用光敏二极管的反向特性，当接收到光信号时，光敏二极管导通良好，产 生电压，放大器即可对信号处理；当没有接收到光信号时，光敏二极管截止，放 大器的同相端电压几乎为0。利用1/2LF353构成的光放大器光比较器原理：用1/2LF353构成一个比较放大器。放大器的正端加2V左右偏压，负端加信 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检波电路，再经 R5C3 低通滤波器后得到直流电压，使后面的放大器负载输入端电位大于（或等 于）正输入端电位。则放大器输出电压近似为 0， LED 管截止，不发光。当光线 被阻断时，信号消失，光放大器只有正端加正电压，输出为正电压， LED 指示管 导通发出黄色光以示报警。电阻R8是LED限流电阻。原理图如下：六、调试过程及结果1. 合理布局，分级安装作为一个小型系统，安装前要对整机合理布局，安装时应按顺序（如从输入级到输出级）逐步安装。安一级调试一级，直到整机安装完毕。2. 电路的调试 电路的调试采用先分级调试，再联级调试，最后进行整机性能测试。 首先调试 555 定时器是否振荡产生方波信号。这部分调试相对比较的简单。直接测 555 的 3 脚 Vo 输出。由原理可知输出的占空比为 50%,振荡频率为 12.5K。 用示波器测的符合要求。其次整体测试。用示波器测的 LF353 的管脚 2,5 并没有什么变化。在分析之 后才发现时由于光电二极管和红外发光二极管接错了。在修改之后。测得2.5有 相应的电压。并且二极管也发光了。符合课题要求3. 调试结果用示波器观察到各部分的图形NE555 芯片 3 脚输出波形图放大器输出电压波形图比较器输出电压 1比较器输出电压 1fiv-y.45- - xx圭TU1JJS1浮1比较器输出电压 2七、设计、安装及调试中的体会及对课程设计建议通过本次光电设计，使我对光电知识的实际应用有了更深刻的理解和体会， 这次课程设计，不仅提高了我的动手能力,使我对设计的整个流程有了一定的了 解，更使我了解光电知识应用的广泛性和前景。设计的成功，极大的提高了的我 的自信心，促进了我对光电的学习兴趣，使我明白了理论联系实际的重要性。此次设计使得我清楚了一项设计的整体流程：明确设计要求，功能及功能 模块的设计，查阅相关资料和确定元器件，电路连接、调试、调整改进与检查， 电路成型，总结；设计电路时，我上网查阅了很多资料和论文，这也培养了我搜 索知识的能力，开拓了我的视野。电路的设计，还巩固了我模电的知识。电路的 连接和调试极大的提高了我的动手实践能力，这也是目前我最缺乏的。调试过程 中，使我明白动手的重要性，实践出真知。理工科的学生，就应该具备这样的动 手能力。最后，设计报告的制作，又使我熟练掌握了原理图的绘制，Word软件 的多功能操作。还培养了我整理知识的能力，使我熟悉了报告制作的基本要求。总之，这次设计，使我认识到了自己知识的局限性，培养了我的动手能力， 并使我体会到了成功的感觉，对我今后的学习起到了极大的促进作用。对课程的建议：1、希望能安排一个正式的时间给我们做课程设计，这样能突出课程设计的重要 性，不然有的同学硬是要等到最后一天才做。2、在调试之前对同学们进行仪器使用的简单培训。有许多同学不知道用函数发 生器和示波器。八、参考文献1 江月松.光电技术与实验.北京：北京理工大学出版社，2008.2 康华光.电子技术基础（数字部分）.北京：高等教育出版社，2006.3 康华光.电子技术基础（模拟部分）.北京：高等教育出版社，2004.九、附录1.器件清单器件名称规格NE555NE555LF353LF353红外发光二极管个BT401光电二极管个2CU2B整流二极管400电容个发光二极管LED普遍发光二极管LED个电阻56K3电阳100电阻电阻100IC电阻单位 个个I 个 个 尽2.总体原理图PlPlRIOU2E：100100浪1IKDILED1&NDGNDGill：U2ALF353GNDCl 血GNLN4007(jND.C2 NE555104TOOKCl104R1CZF(jND3.PCB 版图发射部分：I nil接收部分：