盲人紅外線探測器課設(shè)正文

目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1概述 22主要器件的功能和運用 2\o"CurrentDocument"2.1紅外線二極管原理介紹 22.1.1紅外線二極管的主要特性 22.1.2紅外線二極管的元件符號和封裝符號 32.1.3紅外線二極管的工作原理 4\o"CurrentDocument"2.2LM324的工作原理 5\o"CurrentDocument"LM324的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳圖 5\o"CurrentDocument"LM324的工作原理 6\o"CurrentDocument"LM324的特點及參數(shù)描述 6\o"CurrentDocument"2.3晶體管的工作原理 72.3.1晶體管的引腳圖 82.3.2晶體管的工作原理 9\o"CurrentDocument"盲人紅外線距離探測器的具體設(shè)計和原理 .9\o"CurrentDocument"3.1紅外線距離探測器電路設(shè)計方案 10\o"CurrentDocument"3.2紅外探測電路的系統(tǒng)框圖 10\o"CurrentDocument"3.3紅外探測的具體設(shè)計及原理 10紅外探測原理圖設(shè)計 10紅外探測的電路分析 11紅外遙控系統(tǒng)的應(yīng)用\o"CurrentDocument"3.4紅外探測電路板制作及數(shù)據(jù)測量分析 133.4.1紅外探測電路的電路板制作 14\o"CurrentDocument"心得體會 15參考文獻 16\o"CurrentDocument"致謝 171概述紅外接收二極管又叫紅外光電二極管，也可稱紅外光敏二極管,英文名Infraredreceiverdiode。它廣泛用于各種家用電器的遙控接收器中，如音響、彩色電視機、空調(diào)器、VCD視盤機、DVD視盤機以及錄像機等。它廣泛用于各種家用電器的遙控接收器中，如音響、彩色電視機、空調(diào)器、VCD視盤機、DVD視盤機以及錄像機等。紅外接收二極管能很好地接收紅外發(fā)光二極管發(fā)射的波長為940nm的紅外光信號，而對于其他波長的光線則不能接收。因而保證了接收的準確性和靈敏度。紅外接收二極管的結(jié)構(gòu)如圖所示。最常用的型號為RPM-301B。2主要器件的功能和運用2.1紅外線二極管原理介紹2?1?1紅外線二極管的主要特性光敏二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理光敏二極管又稱光電二極管，它與普通半導體二極管

紅外接收二極管結(jié)構(gòu)示意圖在結(jié)構(gòu)上是相似的。在光敏二極管管殼上有一個能射入光線的玻璃透鏡，入射光通過透鏡正好照射在管芯上。發(fā)光二極管管芯是一個具有光敏特性的PN結(jié)，它被封裝在管殼內(nèi)。發(fā)光二極管管芯的光敏面是通過擴散工藝在 N型單晶硅上形成的一層薄膜。光敏二極管的管芯以及管芯上的 PN結(jié)面積做得較大，而管芯上的電極面積做得較小，PN結(jié)的結(jié)深比普通半導體二極管做得淺，這些結(jié)構(gòu)上的特點都是為了提高光電轉(zhuǎn)換的能力。另外，與普通半導體二極管一樣，在硅片上生長了一層SiO2保護層，它把PN結(jié)的邊緣保護起來，從而提高了管子的穩(wěn)定性，減少了暗電流。光敏二極管與普通光敏二極管一樣，它的PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，因?光敏二極管工作時應(yīng)加上反向電壓，如圖所示。當無光照時，電路中也有很小的反向飽和漏電流，一般為1*10-8--1X10-9A（稱為暗電流），此時相當于光敏二極管截止;當有光照射時，PN結(jié)附近受光子的轟擊，半導體內(nèi)被束縛的價電子吸收光子能量而被擊發(fā)產(chǎn)生電子一空穴對0這些載流子的數(shù)目，對于多數(shù)載流子影響不大，但對P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子來說，則會使少數(shù)載流子的濃度大大提高，在反向電壓作用下，反向飽和漏電流大大增加，形成光電流，該光電流隨入射光強度的變化而相應(yīng)變化。光電流通過負載RL時，在電阻兩端將得到隨人射光變化的電壓信號。光敏二極管就是這樣完成電功能轉(zhuǎn)換的。2.1.2紅外線二極管元件符號和封裝符號（1）紅外線二極管的元件符號如圖2.1.2紅外線二極管元件符號和封裝符號（1）紅外線二極管的元件符號如圖2-1所示圖2-1紅外線二極管的元件符號2）紅外線二極管的封裝符號如圖2-2所示，它采用金屬殼2腳封裝圖2-2紅外線二極管的封裝符號3）紅外二極管實物圖如圖實圖12?1?3紅外線二極管的工作原理紅外接收頭一般是接收、放大、解調(diào)一體頭，一般紅外信號經(jīng)接收頭解調(diào)后，數(shù)據(jù)“0”和T”的區(qū)別通常體現(xiàn)在高低電平的時間長短或信號周期上，單片機解碼時，通常將接收頭輸出腳連接到單片機的外部中斷，結(jié)合定時器判斷外部中斷間隔的時間從而獲取數(shù)據(jù)。重點是找到數(shù)據(jù)“0”與T”間的波形差別。3條腿的紅外接收頭一般是接收、放大、解調(diào)一體頭，接收頭輸出的是解調(diào)后的數(shù)據(jù)信號（具體的信號格式，搜“紅外信號格式”，一大把），單片機里面需要相應(yīng)的讀取程序。紅外通信是利用紅外技術(shù)實現(xiàn)兩點間的近距離保密通信和信息轉(zhuǎn)發(fā)。 它一般由紅外發(fā)射和接收系統(tǒng)兩部分組成。發(fā)射系統(tǒng)對一個紅外輻射源進行調(diào)制后發(fā)射紅外信號，而接收系統(tǒng)用光學裝置和紅外探測器進行接收，就構(gòu)成紅外通信系統(tǒng)。先講一講什么是紅外線。我們知道，人的眼睛能看到的可見光按波長從長到短排列，依次為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫。其中紅光的波長范圍為0.62?0.76pm；紫光的波長范圍為0.38?0.46pm。比紫光波長還短的光叫紫外線，比紅光波長還長的光叫紅外線。紅外線遙控就是利用波長為 0.76?1.5pm之間的近紅外線來傳送控制信號的。2.1LM324的工作原理2?2?1LM324的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳圖LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器可用圖2-4所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-(-)為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+(+)為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖2-5。圖2-5LM324的引腳圖2?2?2LM324的工作原理LM324是四運放集成電路,它采用14腳雙列直插塑料封裝。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。由于LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。LM324作反相交流放大器、作交流信號三分配放大器、作有源帶通濾波器、應(yīng)用作測溫電路、應(yīng)用作比較器。在用作測溫電路時,感溫探頭采用一只硅三極管3DG6,把它接成二極管形式。硅晶體管發(fā)射結(jié)電壓的溫度系數(shù)約為-2.5mV/°C,即溫度每上升1度,發(fā)射結(jié)電壓變會下降2.5mV。運放Al連接成同相直流放大形式，溫度越高，晶體管BG1壓降越小，運放A1同相輸入端的電壓就越低，輸出端的電壓也越低。2?2?3LM324的特點及參數(shù)描述參數(shù)描述——運放類型:低功率；放大器數(shù)目：4；帶寬:1.2MHz；針腳數(shù):14；工作溫度范圍：0°Cto+70°C；封裝類型:SOIC；-3dB帶寬增益乘積：1.2MHz；變化斜率:0.5V/“s；器件標號:324；器件標記:LM324AD；增益帶寬：1.2MHz；工作溫度最低：0°C；工作溫度最高：70°C；放大器類型：低功耗；溫度范圍：商用；電源電壓最大：32V；電源電壓最小:3V；芯片標號:324；表面安裝器件:表面安裝；輸入偏移電壓最大：7mV；運放特點:高增益頻率補償運算；邏輯功能號:324；額定電源電壓,+:15V。LM324的特點：短路保護輸出；真差動輸入級；3?可單電源工作：3V-32V；4?低偏置電流：最大lOOnA；每封裝含四個運算放大器；具有內(nèi)部補償?shù)墓δ?；共模范圍擴展到負電源；行業(yè)標準的引腳排列；輸入端具有靜電保護功能。2.3晶體管的工作原理2.3.1晶體管的引腳圖晶體管的引腳圖如下所示：

引原理2?3?2晶體管的工作引原理上不導通的一種工作狀態(tài)（工作還是FET（場效應(yīng)晶體管）,都是一1曲線上，其范圍都是處于最下面狀態(tài)就是電流很小、基本電壓軸）.晶體管的工作狀態(tài)（工作模式）有放大狀態(tài)、飽和狀態(tài)、截止狀態(tài)和反向放大狀態(tài)四種.截止模式）.這種狀態(tài),不管是上不導通的一種工作狀態(tài)（工作還是FET（場效應(yīng)晶體管）,都是一1曲線上，其范圍都是處于最下面狀態(tài)就是電流很小、基本電壓軸）.（1）對于BJT:BJT的截止狀態(tài)就是發(fā)射結(jié)和集電極都是反偏的狀態(tài)，輸出電流當然很小;這是一種”關(guān)”態(tài).在共基極組態(tài)中，該很小的輸出電流也就是集電結(jié)的反向飽和電流Ibco;而在共發(fā)射極組態(tài)中,該很小的輸出電流是E、C電極之間的所謂穿透電流Ieco.一般，Ie要比Ibco大得多.因為Ieco實際上也就是基極開路時的E、C電極之間的電流；而對于共發(fā)射極組態(tài)來說，即使基極開路，但發(fā)射結(jié)上還是加有正向電壓、集電結(jié)上加有反向電壓，即BJT仍然是處于放大狀態(tài)，只不過這時通過發(fā)射結(jié)的”輸入電流”是很小的Ibco,因此輸出的集電極電流Ic就應(yīng)該是:Ic=Ibco+pIbco=（l+p）Ibco.⑵對于FET:FET的截止狀態(tài)就是沒有溝道的狀態(tài)，當然這時不會導電；通過的電流也

就是漏結(jié)的反向飽和電流，非常小?這也是一種”關(guān)”態(tài)?注意：FET的截止狀態(tài)不同于其飽和狀態(tài)（即放大狀態(tài)）?截止狀態(tài)是根本不存在溝道的狀態(tài)，而飽和狀態(tài)是有溝道、但溝道在漏極一端被夾斷了的狀態(tài)；因此截止狀態(tài)的輸出電流很小，而飽和狀態(tài)的輸出電流很大?此外，對于MOSFET,也要注意區(qū)分截止狀態(tài)與亞閾狀態(tài)這兩種工作狀態(tài).亞閾狀態(tài)是半導體表面多數(shù)載流子耗盡、能帶彎曲，但又沒有完全形成溝道的一種狀態(tài)（又稱為弱反型狀態(tài)，這時耗盡層厚度尚未達到最大）；因此在亞閾狀態(tài)工作時，有較小的電流沿著表面流動、并受到柵極電壓的控制，從而可用作為低功耗的開關(guān)?3紅外線距離探測器電路的具體設(shè)計和原理3盲人紅外線距離探測器的具體設(shè)計和原理3.1紅外線距離探測器電路設(shè)計方案|一|一|一卜|計」_圖3-2采用了LM324集成運算放大器，晶體管和紅外二極管來制作紅外線距離探測器電路方案（1）采用了LM324集成運算放大器，晶體管和紅外二極管來制作紅外線距離探測器電路，此方案思路清楚，簡單明了，比較容易實現(xiàn)，所以最終采用方案（1）來設(shè)計紅外線距離探測器電路。3.2紅外線距離探測器電路的系統(tǒng)框圖紅外線距離探測器電路的系統(tǒng)框圖設(shè)計：利用LM324集成運算放大器，晶體管和紅外二極管來制作紅外線距離探測器電路，它由被測實體、LM324集成運算放大器，晶體管和紅外二極管系統(tǒng)組成.系統(tǒng)框圖如圖3-3所示圖3-3測溫電路系統(tǒng)框圖

3.3紅外線距離探測器的具體設(shè)計及原理3.3.1紅外線距離探測器電路原理圖設(shè)計XJIXJI探測器電路圖探測器電路圖A圖A圖3-4探測器電路原理圖3.3.2紅外線距離探測器3.3.2紅外線距離探測器的電路分析工作原理:光敏二極管VD1(PH302)及集成運算放大器A1構(gòu)成紅外線接收機和放電器，晶體管VT2(BT33)構(gòu)成可控聲頻振蕩器，晶體管VT3、VT4及紅外發(fā)射二極管VD2?VD4構(gòu)成紅外線發(fā)射機。其中VD2用2C253,VD4用2CWSS管發(fā)射機中的晶體管VT3(BT33)為重復頻率1000Hz的窄脈沖振蕩器，電容器C7充電到5?6V后，通過VT3很快放電，由于放電經(jīng)過VT4的發(fā)射結(jié)，此時VT4導通，紅外發(fā)射二極管VD2?VD4流過電流，產(chǎn)生紅外線輻射脈沖。由目標(障礙物)反射的紅外線脈沖輸入紅外接收光敏二極管VD1,由其變換成電信號，然后經(jīng)放大器A1放大，已放大的信號加到由VD5、VD6(SE303)構(gòu)成的倍壓整流器上，經(jīng)整流的信號由電容器C5濾波，送入聲頻可控振蕩器。如果離障礙物距離大于1.5m，VT2發(fā)射極上的電壓不足以使其工作。當距離縮短時，反射訊號電平增大，聲頻振蕩器開始工作。反射訊號越強，也就是目標越近，則電容C6充電越快，振蕩器的頻率越高，振蕩器的動作閾值可通過電位器RP1進行調(diào)節(jié)。為使振蕩器動作準確，提高其工作穩(wěn)定性，振蕩器經(jīng)參數(shù)穩(wěn)壓器VT1(3DJ8)及VD7(SE303)供電。整個探測器由DC1和DC2電池組供電，每一組由5節(jié)1.2V鎳鎘電池串聯(lián)而成。為了給電池充電，探測器預先設(shè)置插孔XJ2。XJ1為外接耳機插孔，當外部耳機接入時，內(nèi)部耳機BL1斷開。3?3?3紅外遙控系統(tǒng)的應(yīng)用常用的紅外遙控系統(tǒng)一般分發(fā)射和接收兩個部分。發(fā)射部分的主要元件為紅外發(fā)光二極管。它實際上是一只特殊的發(fā)光二極管，由于其內(nèi)部材料不同于普通發(fā)光二極管，因而在其兩端施加一定電壓時，它便發(fā)出的是紅外線而不是可見光。目前大量使用的紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線波長為 940nm左右，外形與普通發(fā)光二極管相同，只是顏色不同。紅外發(fā)光二極管一般有黑色、深藍、透明三種顏色。判斷紅外發(fā)光二極管好壞的辦法與判斷普通二

極管一樣：用萬用表電阻擋量一下紅外發(fā)光二極管的正、反向電阻即可。紅外發(fā)光二極管的發(fā)光效率要用專門的儀器才能精確測定， 而業(yè)余條件下只能用拉距法來粗略判定。接收部分的紅外接收管是一種光敏二極管。在實際應(yīng)用中要給紅外接收二極管加反向偏壓，它才能正常工作，亦即紅外接收二極管在電路中應(yīng)用時是反向運用，這樣才能獲得較高的靈敏度。紅外接收二極管一般有圓形和方形兩種。由于紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率一般都較?。╨OOmW左右），所以紅外接收二極管接收到的信號比較微弱，因此就要增加高增益放大電路。前些年常用yPC1373H、CX20106A等紅外接收專用放大電路。最近幾年不論是業(yè)余制作還是正式產(chǎn)品，大多都采用成品紅外接收頭。成品紅外接收頭的封裝大致有兩種：一種采用鐵皮屏蔽；一種是塑料封裝。均有三只引腳，即電源正（VDD）、電源（GND）和數(shù)據(jù)輸出（VO或OUT）。紅外接收頭的引腳排列因型號不同而不盡相同，可參考廠家的使用說明。成品紅外接收頭的優(yōu)點是不需要復雜的調(diào)試和外殼屏蔽，使用起來如同一只三極管，非常方便。但在使用時注意成品紅外接收頭的載波頻率。紅外遙控常用的載波頻率為38kHz，這是由發(fā)射端所使用的455kHz晶振來決定的。在發(fā)射端要對晶振進行整數(shù)分頻，分頻系數(shù)一般取12，所以455kHzT2=37.9kHz=38kHz。也有一些遙控系統(tǒng)采用36kHz、40kHz、56kHz等，一般由發(fā)射端晶振的振蕩頻率來決定。紅外遙控的特點是不影響周邊環(huán)境、不干擾其它電器設(shè)備。由于其無法穿透墻壁，故不同房間的家用電器可使用通用的遙控器而不會產(chǎn)生相互干擾；電路調(diào)試簡單，只要按給定電路連接無誤，一般不需任何調(diào)試即可投入工作；編解碼容易，可進行多路遙控。由于各生產(chǎn)廠家生產(chǎn)了大量紅外遙控專用集成電路，需要時按圖索驥即可。因此，現(xiàn)在紅外遙控在家用電器、室內(nèi)近距離（小于10米）遙控中得到了廣泛的應(yīng)用。

3.4紅外線距離探測器電路的電路板制作及數(shù)據(jù)測量分析3.4.1紅外線距離探測器電路的電路板制作紅外線距離探測器電路的PCB版圖如圖3-4所示:R?P0T2NPNC266u0.04R?P0T2NPNC266u0.04圖3-4紅外線距離探測器電路PCB版圖4心得體會時間過的很快，從3周的課程設(shè)計中我學會了很多，理論跟實踐是有很多不同的，書本上學習的知識只有在運用中才知道不足也更清楚實踐的重要。回顧過去的三周，深刻意識到只要用心去做，就會有意想不到的收獲。這一次的課程設(shè)計告訴我生活不是想象中的那么簡單。在設(shè)計過程中我對數(shù)字電路的理論有了更透徹理解。當然其中也包括焊接普通元件與電路元件的技巧、印制電路板圖的設(shè)計制作、穩(wěn)壓電源的工作原理等等。這些知識不僅在課堂上有效，在日常生活中更是有著現(xiàn)實意義，也對自己的動手能力是個很大的鍛煉。在實習中，我鍛煉了自己動手能力，提高了自己解決問題的能力。通過本次實踐也培養(yǎng)了我理論聯(lián)系實際的能力，提高與同學間的團隊合作能力，增強了獨立工作的能力。最主要的是收獲頗豐，我基本掌握手工電烙鐵的焊接技術(shù)，能夠獨立的