光电子技术课程设计-2014 《光电子技术》课程设计 指 导 书 湖 北 汽 车 工 业 学 院
理学部光信息教研室 2009年5月 设计一、红外报警器 一、概述 红外报警器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，它可以代替人看守或监视一定范围的场所，当有人或异物进入时，可发出声、光或以其它方式进行报警，告诉它的主人出现了意外情况，以便采取应急措施。 常用的红外报警器，按其工作方式可分为主动式和被动式两种。
驱动电路红外发射光源红外探测器及偏置放大及处理报警电路
发射部分接收部分 图1-1 主动式红外报警器的原理框图 图1-1是主动式红外报警器的原理框图。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。当没有人和物进入这两部分之间时，红外辐射没有被阻断，报警器处于一种状态，不报警；当有人或物进入这两部分之间时，红外辐射被阻挡，报警器立即翻转到另一种状态，即可发出报警信号。
报警电路
放大及处理
红外探测器及偏置
图1-2 被动式红外报警器的原理框图 被动式红外报警器的原理框图如图1-2所示，这种报警器实际上只有接收部分，当有人和物进入其监视范围内时，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。 因此，在设计和选用红外报警器时，必须根据不同的应用场合，作出合理的选择。这种选择是多种因素综合考虑的结果，答案不是唯一的。
二、设计任务 设计一个主动式红外报警器，要求： 1、发射部分与接收部分之间距离为1米，当有人或物进入两者之间时，红外报警器发出报警信号（LED闪烁）； 2、使用交流市电，但在停电时，报警器应能正常工作，即应有备用电源； 3、设计方案经济、实用、可靠。
三、设计步骤 1、查阅资料，进行调查。 2、复习有关课程内容，如光电子技术、电子技术基础等。 3、选择红外发光元件及接收元件。 4、设计发射部分电路。 5、设计接收部分电路。 6、在面包板上进行安装调试，应根据电路原理图画出元件布线图，再按图施工。 7、测试关键节点的电压波形，并作记录。
四、设计示例框图 要设计一个主动红外报警器，必须选择合适的红外发射二极管和光电二极管（或光电三极管），主要是使它们的发光波段与接收波段能够相互对应。 首先查阅光电器件手册，经多种因素考虑选择红外发射二极管SE301A，其发光波段在940nm附近，相应的接收器件选择PH302，其光谱响应曲线的峰值也在940nm附近，这样，发射与接收的光波是相对应的。 发射部分电路可由NE555定时器或其它元件组成多谐振荡器构成，调节NE555输出端限流电阻的大小可限制通过SE301A的电流，从而决定发射强度，也就决定了接收距离。 报警器的接收部分由通用运放构成，这里选择的是宽带运算放大电路LF353。接收电路的组成框图如下，当然，接收的方案不是唯一的。
接收部分PH302阻容耦合电路滤波放大报警信号
输出
图1-3 红外报警器接收部分原理框图 为了将光电接收二极管接收到的信号分离出来，可采用RC交流耦合电路，这样交流信号可输入到信号处理电路中同时又可将接收管的直流偏压隔离。为了使阻容耦合电路的输出特性不因负载变化而变化，通常以一运放构成的射随器将RC电路与信号处理电路隔离。射随器提高了信号源带负载的能力，其输出被送入下一级的运放中作滤波放大处理。由运放构成的滤波电路种类繁多，低通、高通、带通滤波器等各有各的特点，在设计滤波器时应根据实际情况合理选择。放大后的信号送入下一级，作出报警与否的相关处理。 在没有警情的正常状态中，接收电路收到发射信号，滤波放大部分有输出，此时报警信号输出处理电路不应输出报警信号；而在有警情的情况下，接收电路没有收到发射信号，滤波放大部分没有输出，此时报警信号输出处理电路应输出报警信号。 报警信号输出电路用运放构成。报警信号用LED的亮灭来表示，亮则表示有警情，灭则表示正常。LED由报警信号输出电路驱动，因此正常情况下报警信号输出电路应输出低电平，有警情时应输出高电平（要求LED闪烁则应输出脉冲）。对于集成运放而言，当同相输入端的电压大于反相输入端时输出 为正电平，反之则为负电平。因此如何控制驱动运放同相端与反相端的电平是整个设计的关键所在。 LF353是一双集成运放电路，因此接收部分用两块LF353就可完成所需的功能。 在不影响电气性能的前提下，尽量减少元器件的种类和电源种类，是简化电子设计及制作的一个重要原则。 在有交流电的地方，一般应选用交流电，经过变压、整流、稳压后作为产品的电源。因此在试验调试中应测出实际电流大小，以便为设计电源或选购电源提供依据。 根据设计任务，还应该准备备用电池和稳压电源并联，以便一旦停电时报警器可以照常工作。
设计二、红外可逆计数器的设计 一、设计任务 设计一个红外可逆计数器，要求： 1、当一物体沿某一方向经过计数器时，计数器进行加一计数；而一物体沿反方向经过计数器时，计数器进行减一计数； 2、用数码管显示当前的计数值，最大计数值为1000； 3、设计方案经济、实用、可靠。
二、设计步骤 1、查阅资料，对设计题目进行分析。 2、复习有关课程内容，如光电子技术、电子技术基础、单片机原理等。 3、根据附录选择合适的元器件。 4、设计计数器硬件电路。 5、如设计涉及到软件，编写程序并调试仿真。 6、在面包板上进行安装调试，应根据电路原理 图画出元件布线图，再按图施工。 7、测试关键节点的电压波形，并作记录。 8、设计硬件电路的PCB板图，制作焊接电路板。
三、示例框图 下图是一个基于单片机系统的红外可逆计数器设计方案：
红外发射电路B红外发射电路A红外探测电路B
红外探测电路A物体运动方向单片机系统
计数
显示
图2-1 红外可逆计数器原理框图 在该方案中，红外发射电路与探测电路均称用双路设计，这两路探测器探测的信号送入单片机系统，由单片机对双路信号进行分析，判断物体的运动方向并决定计数方式，然后再由单片机驱动显示电路，将结果显示出来。 为了防止误动作，发射电路可采用方波调制电路，当没有物体经过探测器区间时，A、B两路探测电路输出特定的电平（如低电平），而当有物体经过探测区间时，物体将挡住红外光，探测电路接收不到红外线，其输出发生变化，对单片机而就可接收到一个电平跳变沿，根据A、B两路信号跳变沿变化的次序就可决定物体运动的方向，当然也可决定计数器是执行加计数还是减计数了。 方波发生器的组成方式很多，可以用集成运放构成，可以用一些定时芯片构成，也可以用一些数字门电路构成。接收电路由三极管、集成运放及周边元件组成，通常由前置放大、限幅、滤波、检波、积分等模块构成，一些专用的芯片还会设计自动增益控制等模块，这要根据实际运用中的需求设计。接收电路要求抗干扰能力强，灵敏度高，输出电压满足单片机要求等。 显示模块用数码管构成，可由单片机直接驱动， 也可用一些外围芯片来驱动，比如锁存器芯片，七段数码管译码芯片等。
设计三、电机转速与方向光电测量系统设计 一、设计任务 设计一个直流电机转速与方向的光电测量系统，要求： 1、用光电方式测量电机的转速与转向，并用数码管显示转速与转动状态； 2、采用单片机系统； 3、设计方案及程序要运行可靠。
二、设计步骤 1、查阅资料，对设计题目进行分析。 2、复习有关课程内容，如光电子技术、电子技术基础、单片机原理等。 3、根据附录选择合适的元器件。 4、设计测量系统的硬件电路。 5、编写单片机程序并调试仿真。 6、在面包板上进行安装调试，应根据电路原理图画出元件布线图，再按图施工。 7、测试关键节点的电压波形，并作记录。 8、设计硬件电路的PCB板图，制作焊接电路板。
三、设计示例 下图是基于单片机系统的电机转速与方向光电测量系统的设计方案：
红外发射电路C红外发射电路A红外探测电路C红外探测电路A单片机系统转速状态显示红外发射电路B红外探测电路B
转动方向
斩光器 图3-1 电机转速与方向光电测量系统框图 为了确定电机的转速与转向，在本设计中采用三个探测电路来实现。探测电路A作为主探测器，用于测量电机的转速；探测电路B、C作为辅助探测器，与探测器A共同确定电机的转动方向；斩光器用于调制红外光，产生脉冲信号。原理如下：某一时刻发射电路A穿过斩光器产生一脉冲信号，以此脉冲信号触发单片机，开始对单片机的机器周期进行计数，当发射电路A第二次穿过斩光器产生一脉冲信号时触发单片机停止计数，根据单片机的机器周期及计数值就可算出电机转一周所用的时间，从而计算出电机的转速。转动方向可根据产生脉冲A、B、C的顺序来确定，顺序不同，则转动方向不同。 上述用于确定转速时只计了电机转一周的时间，由于单片机本身的时钟频率比较低，其机器周期比较长，因而只计电机转一周的时间其误差将比较大，为了减小测量误差，通常可用延长计时的方法来解决，即计电机转N周的时间。 实际上，用一路辅助电路也可以确定电机的转动方向，这时如何做？