探究紅外發(fā)射器、接收器工作原理

1、探究紅外發(fā)射器、接收器工作原理李首卿201311141049劉凡 201311141004一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 探究紅外發(fā)射器與紅外接收器的工作狀態(tài)(接通電壓,伏安特性曲線)；2、 探究紅外發(fā)射器與紅外接收器之間信號(hào)的傳遞關(guān)系；3、 探究信號(hào)的組成以及信號(hào)發(fā)射原理；4、 實(shí)現(xiàn)紅外發(fā)生器和紅外接收器信息交流。二、 實(shí)驗(yàn)器材紅外發(fā)射器x2、紅外接收器x2、數(shù)字示波器x2、信號(hào)發(fā)生器x2、定值電阻（180）x2、電流表x2、恒源電壓x2、電腦x2三、 實(shí)驗(yàn)原理1、 紅外發(fā)射器的原理及特性由紅外發(fā)光二級(jí)管矩陣組成發(fā)光體。紅外發(fā)射器由紅外輻射效率高的材料（常用砷化鎵）制成 PN 結(jié)，外加正向偏壓向 PN

2、結(jié)注入電流激發(fā)紅外光。光譜功率分布為中心波長 830 950nm ，半峰帶寬約 40nm 左右，它是窄帶分布，為普通 CCD 黑白攝像機(jī)可感受的范圍。其最大的優(yōu)點(diǎn)是可以完全無紅暴，（采用 940 950nm 波長紅外管）或僅有微弱紅暴（紅暴為有可見紅光）和壽命長。紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率用輻照度 W/m2 表示。一般來說，其紅外輻射功率與正向工作電流成正比，但在接近正向電流的最大額定值時(shí)，器件的溫度因電流的熱耗而上升，使光發(fā)射功率下降。紅外二極管電流過小，將影響其輻射功率的發(fā)揮，但工作電流過大將影響其壽命，甚至使紅外二極管燒毀。當(dāng)電壓越過正向閾值電壓（約0.8V左右）電流開始流動(dòng)，而且是一很陡

3、直的曲線，表明其工作電流對工作電壓十分敏感。因此要求工作電壓準(zhǔn)確、穩(wěn)定，否則影響輻射功率的發(fā)揮及其可靠性。輻射功率隨環(huán)境溫度的升高（包括其本身的發(fā)熱所產(chǎn)生的環(huán)境溫度升高)會(huì)使其輻射功率下降。 紅外二極管的最大輻射強(qiáng)度一般在光軸的正前方，并隨輻射方向與光軸夾角的增加而減小。輻射強(qiáng)度為最大值的 50% 的角度稱為半強(qiáng)度輻射角。不同封裝工藝型號(hào)的紅外發(fā)光二極管的輻射角度有所不同。2、 紅外接收器的原理及特性紅外接收器工作原理與紅外發(fā)射器相似，其本質(zhì)為一個(gè)三極管，一般是接收、放大、解調(diào)一體頭，一般紅外信號(hào)經(jīng)接收頭解調(diào)后，數(shù)據(jù) “0”和“1”的區(qū)別通常體現(xiàn)在高低電平的時(shí)間長短或信號(hào)周期上。在接受到光照或

4、者所接電壓改變時(shí)，其電阻會(huì)改變，在沒有光照，穩(wěn)定接通電壓下，其電阻十分大（幾千），有光照時(shí)電阻會(huì)下降到幾百歐姆。3、 紅外發(fā)射器與紅外接收器之間的信號(hào)傳遞紅外發(fā)射器在接通后，隨著信號(hào)發(fā)生器輸入的電壓信號(hào)變化，發(fā)射出不同的紅外信號(hào)，將紅外接收器安裝在信號(hào)有效接收距離之內(nèi)，并加上穩(wěn)定的接通電壓（此實(shí)驗(yàn)我們選擇電壓為4.0V）。將接收二極管與示波器相連，收集紅外接收器的電壓在一個(gè)周期內(nèi)的波形，設(shè)計(jì)程序，找出其中對應(yīng)的信號(hào)。四、 實(shí)驗(yàn)步驟1、 紅外發(fā)射器的特性：測量紅外發(fā)射器伏安特性曲線，得到紅外發(fā)射器的閾值電壓和正、反方向；2、 紅外接收器的特性：改變通過紅外發(fā)射器的電流強(qiáng)度和發(fā)射器與接收器之間的距

5、離，分別測量接收器的伏安特性曲線；3、 探究信號(hào)的組成：通過紅外遙控器、紅外接收器和數(shù)字示波器的組合，顯示紅外遙控器發(fā)射信號(hào)的組成結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)；4、 簡單信號(hào)嘗試：輸入一串簡單波形，紅外發(fā)射器發(fā)射并紅外接收器接收；5、 意義信號(hào)嘗試：通過LABVIEW編寫控制信號(hào)發(fā)射和接受的程序，將信號(hào)規(guī)律化，賦予其信息意義，紅外發(fā)射器發(fā)射并紅外接收器接收；6、 信號(hào)的溝通：兩個(gè)主控臺(tái)分別發(fā)射并接收信號(hào)。五、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容詳細(xì)分析1、 紅外發(fā)射器的特性在此步驟的電路中，主要使用數(shù)據(jù)采集卡控制電壓輸出以及數(shù)據(jù)的采集輸入。電源電壓通過Labview中的DAQ助手簡單編程控制輸出，使其數(shù)值均勻增大。同樣通過DAQ助手采集

6、電路中紅外發(fā)生器兩端的電壓值和通過的電流值數(shù)值。將電壓電流值畫圖處理得到紅外發(fā)生器的伏安特性曲線?？梢钥闯銎浔举|(zhì)是一個(gè)紅外二極管，具有正反方向以及閾值電壓的特點(diǎn)。反向電壓不做討論，通過讀圖可以得到：正向的閾值電壓是1V左右。也就是說之后的實(shí)驗(yàn)中我們需要控制紅外發(fā)射器兩端電壓使其高于1V以便正常發(fā)射信號(hào)。另外區(qū)分紅外發(fā)射器正向與反向，方便實(shí)驗(yàn)器材的組裝。2、 紅外接收器的特性同樣使用數(shù)據(jù)采集卡控制紅外接收器電流、電壓數(shù)據(jù)的采集。在紅外發(fā)射器的回路中，采用可調(diào)的恒流電源，并串聯(lián)接入電流表。固定發(fā)射器與接收器距離后，每當(dāng)選定一個(gè)紅外發(fā)射器所在回路中的電流值，改變紅外接收器回路中的電壓值并采集其電流、

7、電壓數(shù)據(jù)。使用MATLAB作圖分析：橫坐標(biāo)為電壓值，縱坐標(biāo)為電流值。首先觀察同一幅圖片中的九條曲線的特點(diǎn)。非常明顯地可以看出來每一條曲線都具有兩個(gè)拐點(diǎn)，其形狀像一個(gè)“S”。第一個(gè)特點(diǎn)：九條曲線左下方的拐點(diǎn)基本重合，電壓值為同一數(shù)值，此電壓便是紅外接收器的觸發(fā)電壓。無論紅外發(fā)射器的功率多么大，紅外接收器端的電壓若沒有達(dá)到此電壓值，電路便無法導(dǎo)通，紅外接收器無法正常工作。第二個(gè)特點(diǎn)：達(dá)到觸發(fā)電壓后，隨著電壓增大，電流值迅速攀升，經(jīng)過右上角的第二個(gè)拐點(diǎn)進(jìn)入一個(gè)平穩(wěn)的階段并且達(dá)到飽和值。比較九條曲線可以知道，紅外發(fā)射器的功率越大，即光強(qiáng)越強(qiáng)，紅外接收器的飽和電流值也越大。然后通過兩幅圖之間的對比可以發(fā)

8、現(xiàn)，其紅外線的強(qiáng)度隨距離增大迅速衰減，在接收器和發(fā)射器之間距離是零的時(shí)候，100mA的發(fā)射器電流強(qiáng)度，接收器的電流強(qiáng)度飽和值可以達(dá)到接近7mA；然而當(dāng)距離增大為兩格，飽和電流強(qiáng)度僅僅接近1.8mA。這一步實(shí)驗(yàn)是為了確定最好發(fā)揮紅外接收器工作性能的環(huán)境。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到：其一控制紅外接收器回路的電壓為3V-4V之間，此工作電壓狀態(tài)下其電流可以達(dá)到飽和值，即紅外接收器的電流可以跟隨紅外發(fā)射器端的電流變化而變化，完成信號(hào)的傳遞；其二我們紅外發(fā)射器的功率并不大，在實(shí)驗(yàn)中為了保持精確盡量縮短接收器與發(fā)射器的距離。3、 探究信號(hào)的組成此圖是利用數(shù)字示波器獲取的美的空調(diào)遙控器其中一個(gè)按鍵發(fā)出的信號(hào)。一個(gè)

9、簡單信號(hào)有下面幾個(gè)特殊部分構(gòu)成（猜想，由左至右）：第一部分是啟動(dòng)子，作為一串信號(hào)的開頭，不發(fā)生變化；第二部分為密碼子，分為占空比較大和占空比較小兩種形狀，分別代表“1”和“0”，傳遞信息；第三部分為連接部分，連接兩個(gè)部分的信號(hào)，可能具有終止子的作用；第四部分同第二部分也是密碼子。改變不同的按鍵，改變的僅僅是二、四兩個(gè)部分中的某一個(gè)“0”或“1”。而且此信號(hào)是在一段高頻載波上通過調(diào)制做出來的。4、 信號(hào)的編制與接收保持通過紅外發(fā)射器有效電流為20mA，紅外接收器路端電壓為4V，信號(hào)有效長度（密碼子個(gè)數(shù)）為8位。電路圖如下：紅外發(fā)射器LABVIEW編程如下圖所示：我們所做的信號(hào)只包含啟動(dòng)子和密碼子

10、，并沒有終止子（在識(shí)別的時(shí)候直接挑選啟動(dòng)子后的密碼子事先規(guī)定好的具體個(gè)數(shù)作為所傳遞的信息）。我們的啟動(dòng)子是100hz占空比為1/2的方波，密碼子有兩個(gè),為10hz占空比為1/4的方波和占空比是3/4的方波，分別代表“0”和“1”。密碼子一共八位，啟動(dòng)子在整個(gè)數(shù)組的最前邊。此程序便是對上述語言的轉(zhuǎn)述。紅外接收器LABVIEW編程如下圖所示：此程序較為復(fù)雜，里面包含了一個(gè)for循環(huán)和一個(gè)while循環(huán)，同時(shí)循環(huán)中還內(nèi)置了復(fù)雜的條件語句。我們先來看for循環(huán)，此部分程序首先將傳來的方波信號(hào)進(jìn)行去雜處理，挑選峰峰值的一半作為判斷依據(jù)，將高壓變?yōu)?和低壓變?yōu)?；接著根據(jù)啟動(dòng)子和密碼子“0”、“1”的數(shù)值

11、特點(diǎn)：啟動(dòng)子為十組1、1、0、0；“0”的特點(diǎn)為10個(gè)連續(xù)的1和30個(gè)連續(xù)的0；“1”的特點(diǎn)則是30個(gè)連續(xù)的1和10個(gè)連續(xù)的0。連續(xù)的1不斷相加，0則不作任何處理，這樣我們便得到了一組僅有2、10和30組成的數(shù)組。附圖為未處理的信號(hào)波形。后面的while循環(huán)是為了判斷啟動(dòng)子的程序，啟動(dòng)子在新的數(shù)組中的特點(diǎn)是十個(gè)連續(xù)的數(shù)字2。通過條件判斷數(shù)出2的個(gè)數(shù)，當(dāng)其等于十的時(shí)候便意味著找到了啟動(dòng)子。此時(shí)進(jìn)行最后的判斷，從啟動(dòng)子往后的八個(gè)數(shù)字開始判斷與20的大小，將數(shù)字轉(zhuǎn)化為代表信息的“0”和“1”。5、 信號(hào)的溝通分別由兩臺(tái)電腦各控制一套發(fā)射和接收裝備。實(shí)驗(yàn)非常成功，“海峽兩岸”成功進(jìn)行了信息準(zhǔn)確的傳遞和溝通。實(shí)驗(yàn)到此結(jié)束。六、 實(shí)驗(yàn)不足與改進(jìn)此實(shí)驗(yàn)中的不足以及需要改進(jìn)的地方還是蠻多的：1、 在測量紅外發(fā)射器特性的時(shí)候并沒有測量當(dāng)電壓達(dá)到何值時(shí)可能其達(dá)到功率飽和的狀態(tài)。因此在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候僅僅通過試驗(yàn)選取了一個(gè)較小的適當(dāng)?shù)碾娏?。如果能夠接著深入研究的話?yīng)該對其進(jìn)行詳細(xì)測量。2、 在測量紅外接收器特性的時(shí)候并沒有定量地對距離的影響進(jìn)行分析預(yù)測量，僅僅做到了定性。同樣處于實(shí)驗(yàn)結(jié)果精準(zhǔn)的考慮僅僅通過試驗(yàn)選取了一個(gè)較小且適當(dāng)?shù)木嚯x。3、 真實(shí)紅外遙控器的信號(hào)以高頻信號(hào)作為載波，可以防止空間中的噪聲。但是由于技術(shù)性的缺陷并沒有做到將信號(hào)調(diào)制到高頻載波上。4、 紅外發(fā)射器的功率較小