光电检测报警器(最终稿2.0)讲解

课程设计(论文)说明书

题目：光电检测报警器

院（系）：信息与通信学院

专业：电子信息工程

学生姓名：宋永胜

学号：1200220624

指导教师：张法全

职称：副教授

2014年１１月２0 日

摘要

本设计是基于红外对管（反射式）和LM311电压比较器的光电检测报警器。

红外对管是红外线发射管与光敏接收管，或者红外线接收管，或者红外线接收管配合在一起使用时候的总称。本次设计使用红外对管（反射式）构成光电转换元件。

LM311电压比较器主要功能是电压的比较。在本次设计中LM311的功能是比较两输入端电压数值的高低，使输出翻转，去控制蜂鸣器。LM311设计运行在更宽的电源电压：从标准的±15V运算放大器到单5V电源用于逻辑集成电路。其输出兼容RTL,DTL 和TTL以MOS电路。此外，LM311可以驱动继电器，开关电压高达50V，电流高达50mA。

关键字：红外对管；红外线发射管；红外线接收管；LM311电压比较器；逻辑集成电路

Abstract

This design is the photoelectric detection alarm for pipe and the LM311 voltage comparator based infrared.Infrared tube is the infrared transmitting tube and an infrared photosensitive receiving tube, or an infrared receiving tube, or an infrared receiving head with term when used together. The design of infrared tube to form a photoelectric conversion element.The main function of LM311 voltage comparator voltage comparison, comparing the two input voltage value level, to make the output flip, to control the buzzer to achieve the purpose of control. The design and operation of LM311 in the power supply voltage and wider: from + 15V operational amplifier to standard single 5V power supply used in logic integrated circuit. The output is compatible with RTL, DTL and TTL in MOS circuit. In addition, LM311 can drive a relay, switch voltage up to 50V, current up to 50mA. Keywords: infrared emitting diode and a photosensitive receiving tube,；LM311 voltage comparator,；logic integrated circuit

目录

引言 (3)

1 设计要求 (4)

2设计思路 (4)

2.1 整体设计框图 (4)

2.2 设计方案的选择与论证比较 (4)

2.2.1光电转换模块 (4)

2.2.2报警器模块 (5)

2.3 硬件部分 (5)

2.3.1整体电路设计 (5)

2.3.2光电转换模块 (6)

2.3.3报警模块 (8)

3 相关参数计算 (8)

4结论 (9)

谢辞 (11)

参考文献 (12)

附录 (13)

引言

随着社会的不断进步,电子技术的不断发展，人们生活水平得到了很大的改善,许多高科技产品越来越成为家庭生活的必需品，由此人们对自己所居住环境的安全需求就越来越高,特别是家居安全，主人们要时刻留意不速之客的光顾自己家。为此许多小区，家庭，学校都安装了报警系统，这能有效的保证居民的人身财产安全。该设计利用红外对管的特性进行安全检测监控，并进行报警的系统的设计。

目前,在市场上所能见到的防盗报警装置有多种多样,它们的控制原理也不尽相同。这里除了在基本电路上的差异外,主要表现在对不同传感器的使用上。传感器的种类繁多,性能和要求千差万别。其中红外对管（反射式）进行安全检测报警的报警器，具有低成本,易普及, 高可靠性等突出优点,具有广泛的市场发展前景。

1 设计要求

光电检测报警器

要求： 设计一个光电检测有无物体系统，当一定距离内有物体时（直线正对面），发出警报。 2 设计思路 2.1整体设计框图

图1 系统设计思路图 2.2设计方案的选择与论证比较 2.2.1光电转换模块

方案一： 用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以随着周围环境的改变而改变。当光敏电阻受到光照射或被遮挡而处于阴暗面时，阻值会有明显的变化，将这种阻值的变化通过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受光照影响很大，不能稳定工作。因此我考虑其他的更加稳定的方案。

方案二： 用红外发射管和接收管制作红外对管传感器。红外发射管发出红外线，当发出的红外线在比较光亮的环境中，若接收管能接收到发射回来的红外线则检测出在有光的环境，进而输出低电平，若接收不到发射管发出的红外线则检测出在黑暗的环境，输出高电平，这样制作的光电检测报警器就满足了设计的要求，而且工作稳定，受其他因素影响较小，价格实惠。

基于以上两种方案的分析与考虑，决定选择红外对管作为光电转换模块。 2.2.2报警器模块

方案一： 采用扬声器作为系统报警器，电路要增加元器件，并且扬声器的占用空间比较大，而且相对其他报警器元件要贵，超出预算，所以放弃。

方案二：采用无缘蜂鸣器，价格便宜，体积小，报警声音清晰，但是要加入驱动电路，它才能正常工作。

方案三：采用有源蜂鸣器，价格便宜，体积小，方便携带，报警声音清晰，重要的是它可直接与输出信号的引脚相连，就可以正常工作，所需设计的电路相对简单。

基于以上三种方案，选择方案三中的有源蜂鸣器作为报警器。

2.3硬件部分

2.3.1整体电路设计

原理图：

图2 光电检测报警电路原理图

本电路由光电转换和报警系统组成，通过红外接收管接收到的红外发射管发出的红外线的有与无来输出高低电平，由LM311电压比较器来比较两输入端电压数值的高低，使输出翻转，经过三极管8050放大后，去控制蜂鸣器，达到报警的目的。

2.3.2光电转换模块

红外线发射与接收的方式有两种，其一是直射式，其二是反射式（此次设计采用的是反射式）。反射式指发光管与接收管并列一起，平时接收管始终无红外线照射，只在发射管发出的红外线遇到反射物时，接收管接收到反射回来的红外线才工作。

光电转换模块采用红外对管（反射式），发射管串接一个300欧姆的电阻，以防止发射管被烧坏，在接收管串接一个10k的电阻。100k精密可调电位器来调节比较器的参考电压，通过比较器LM311来输出比较的电平高低。当没有物体遮挡红外对管时，接收管相当于短路，输出低电平。当有物体遮挡时，接收管截止，输出高电平。

图3 原理图中的光电转换模块所采用的红外对管——红外发射管和红外接收管(1)红外线发射管主要有三个常用的波段，如下850NM，875NM，940NM。根据波长的特性运用备的产品也有很大的差异，850NM波长的主要用于红外线监控，875NM主要用于医疗设备，940NM波段的主要用于红外线控制设备，比如红外线遥控器、光电开关、光电计数设备等。

图4 红外线发射管

图5 红外线发射管的主要参数

(2)红外接收管不受可见光的干扰，感光面积大，灵敏度高，属于光敏二极管，一般只对红外线有反应。

图6 红外接收管

红外接收管与光敏二极管，普通半导体二极管在结构上是相似的。在光敏二极管管壳上有一个能射入光线的玻璃透镜，入射光通过透镜正好照射在管芯上。光敏二极管管芯是一个具有光敏特性的PN结，它被封装在管壳内。光敏二极管的管芯以及管芯上的PN结面积做得较大，而管芯上的电极面积做得较小，PN结的结深比普通半导体二极管做得浅，这些结构上的特点都是为了提高光电转换的能力。

2.3.3报警模块

(1)由光电模块产生的高低电平信号，输入到LM311比较器中。由LM311电压比较器来比较两输入端电压数值的高低，经使输出翻转，经过三极管8050的放大后，去控制蜂鸣器有没有报警声。

LM311电压比较器主要功能是电压的比较，比较两输入端电压数值的高低。LM311设计运行在更宽的电源电压：从标准的±15V运算放大器到单5V电源用于逻辑集成电路。其输出兼容RTL,DTL和TTL以MOS电路。此外，LM311可以驱动继电器，开关电压高达50V，电流高达50mA。

图7 原理图中的报警模块

图8 LM311内部电路图

(2)三极管8050是非常常见的NPN型晶体三极管，在各种放大电路中经常看到它，

应用范围很广，主要用于高频放大，也可用作开关电路。

图9 8050三极管

8050三极管参数：

类型:开关型;

极性:NPN;

材料:硅;

最大集电极电流(A):0.5 A;

直流电增益:10 to 60;

功耗:625 mW;

最大集电极-发射极电压(VCEO):25;[1]

特征频率:150 MHz

PE8050 硅 NPN 30V 1.5A 1.1W

3DG8050 硅 NPN 25V 1.5A FT=190 *K

2SC8050 硅

NPN 25V 1.5A FT=190 *K

MC8050 硅 NPN 25V 700mA 200mW 150MHz

CS8050 硅 NPN 25V 1.5A FT=190 *K

3 相关参数计算

红外线发射二极管在使用时，由电流驱动，发光强度是与电流成比例变化，所以电

流控制方式的重要性就相对的增加了。图13所示为其电阻负载驱动方式，这是最简单的驱动方式，驱动电源是直流电源，根据图14所示的正向电压、电流特性可绘出其负载线，并求出其工作点。该工作点所对应的电压、电流分别为Vf 及If ，其算式为：

R Vf Vcc If /)(-=

图10 发光二极管的驱动电路 图11 发光二极管正向电流－电压特性及工作点

在进行设计时，最重要的是在If 电流的控制，设计出的If 不能太大，若大于If 发射管可能会烧毁，If 若太小，则其发射束就会变小。另外在取电源电压时也必须要考虑它的其稳定性，为了发射管发射红外线光束的稳定，电源电压的稳定就是必须要考虑的问题，所以在精密的红外线控制中，应尽量做到电源的稳定，有时为求其稳定性也可将电源提高，电源提高之后，为了保持电流的不变，所使用的限流电阻也相应的提高，此时电源电压小的变动，电流的变化就不会很大。假设电源电压VCC=5V ，电流If 取小于If<13mA ，由图8的特性曲线求得电压Vf=1.2V 代入驱动公式可得：

R Vf Vcc If /)(-=

得R =300Ω，此时发射管的串接电阻R=300Ω，红外线发射二极管即可取得13mA 的驱动电流。

4 结论

所设计的光电检测报警器具有低成本,易普及, 高可靠性等突出优点具有广泛市场发展前景，具有广泛的市场发展前景。本次设计过程还算比较顺利，成品出来后，经过验证，手指或其他物体放在红外发射管上方10cm 左右处，成功发出报警声。在做这个光电检测报警器的几周里，我遇到了很多问题，在选择什么方案去做光电转换部分时，很是犹豫，最终在老师和同学的帮助下，让我知道了各种光电转换元件的可能性以及可行性，并最终选择红外对管作为光电转换元件。在做板的过程我也明白了一个道理——我们不管做什么事都要认真去做，决不能马马虎虎。因为我的板子完成后，去做试验时蜂鸣器没有声音，在仔细排查问题后，发现只是焊接出了问题。在这几周做这个课设的时

间里，让我重新学习之前学习过的理论知识，更让我明白理论只有结合实际才能发挥出作用。另外这次课设也让我进一步的了解了电子元件的基本使用，加深了对数字电路和模拟电路的认知，更深刻了解设计性作品理论和知识结合的重要性。

谢辞

在这次课设的完成过程中，我遇到了很多难题，在解决这些难题的过程中，很多同学和老师都给我了很多的帮助和建议。由于我自己的能力不足，正是他们给我的帮助让我一点点的去理解并掌握各方面的电路知识。他们的帮助加上我自己不断的上网查找资料和翻阅电路方面的书籍，一步一步地，我还算顺利的完成了这次的课设。这次课设让我收获了很多，不仅仅是理论知识和动手能力，更让我懂得要对别人给予的帮助，心怀感恩，所以在这里我向帮助过我的同学和老师表达谢意。

参考文献

［1］阎石.数字电子技术基础. 北京：高等教育出版社，2010

［2］王卫东.模拟电子技术基础（第2版）.北京：电子工业出版社，2010 ［3］王卫东.高频电子电路（第3版）. 北京：电子工业出版社，2014

［4］王丽.模拟电子电路.北京：人民邮电出版社，2010

［5］熊兴良.血浆泄露在线检测报警系统的研制.医疗卫生装备, 2004, 25(4) ［6］李晓波.基于嵌入式的光电检测研究.福建：福建师范大学，2005.

附 录

（1） 元器件清单

.

图12 元器件清单

（2） PCB

图13 PCB 图

100k 精密可调J2

3P

3P

110k R2, R3, R4电阻电阻3300R1电阻电阻1470R5电阻

电阻

1lm311

U18P DIP

8P DIP /SOP 1NP N8050 DIP J1NP N8050 DIP NP N8050 DIP 1拨动开关 三?

K1拨动开关 三?拨动开关 三?1红外发射D13mmLE D 3mmLE D 1红外接收D23mmLE D

3mmLE D

1蜂鸣器

J3蜂鸣器

蜂鸣器

1迷你

USB 贴片DC1

迷你USB 贴片迷你USB 贴片

1

（2）设计成品实物图

图14 设计实物图