光電課程設(shè)計報告--無接觸式液面位置探測器的設(shè)計

1、<p><b>　　光電技術(shù)綜合</b></p><p><b>　　課程設(shè)計</b></p><p>　　題目名稱 無接觸式液面位置探測器的設(shè)計</p><p>　　學(xué)生姓名 </p><p>　　學(xué) 號 </p>

2、<p>　　學(xué)生學(xué)院 </p><p><b>　　專業(yè)班級 </b></p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　2013 年 5 月 25 日</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　

3、光電技術(shù)課程設(shè)計的題目為《無接觸式液面位置探測器的設(shè)計》 ，所設(shè)計的裝置用于自動探測液面的位置，運用熟悉的三角法來計算液面高度，在液面位置到達(dá)預(yù)定高度時，通過LED做出相應(yīng)顯示。本設(shè)計中采用光電檢測的辦法對液面進(jìn)行無接觸式探測并快速做出響應(yīng)，實驗中采用半導(dǎo)體激光器LD作為光源，用光敏三極管作為探測器。</p><p>　　本次課程設(shè)計的目的主要是通過本課程設(shè)計能了解一些常用光電檢測器件的工作原理，并能正確選用；掌

4、握一些常用芯片（電壓比較器LM339）的使用；學(xué)習(xí)PCB的繪制，并了解PCB的制作過程，提高動手能力，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題和著力解決問題的能力。</p><p><b>　　相關(guān)摘要及關(guān)鍵詞</b></p><p><b>　　1、摘要：</b></p><p>　　本次設(shè)計方案所采用的主要元件包括LM339、NE555定時器等，

5、通過利用光敏三極管在有光照和無光照時，集電極電平高低的不同來控制顯示LED的亮和滅，以此來顯示所測得的液面的高低。</p><p>　　關(guān)鍵詞：光敏三極管、探測器、LM339、555定時器</p><p><b>　　設(shè)計方案</b></p><p><b>　　測量的主要方法</b></p><p&g

6、t;　　測量的總思路如圖；利用我們熟悉的三角法來計算液面的高度。從圖可以看出，一旦激光器的角度決定后，激光的入射角就被決定了。對于不同的液面，由于不同的液面之間是彼此平行，所以只要確定一個液面高度的入射角度，就可以測到其余兩個液面高度。此處我們把激光的入射角設(shè)為15度。</p><p><b>　　2、總設(shè)計原理圖</b></p><p>　　本次課程設(shè)計的設(shè)計思路比

7、較清晰，經(jīng)過研究討論和計算分析得出結(jié)構(gòu)設(shè)計的原理圖如下：</p><p>　　圖1 方案設(shè)計所繪電路原理圖</p><p>　　本次設(shè)計方案所采用的主要元件包括LM339、NE555定時器等，通過利用光敏三極管在有光照和無光照時，集電極電平高低的不同來控制顯示led的亮和滅，以此來顯示所測得的液面的高低。</p><p>　　所需主要的元器件清單如下：</p

8、><p>　　3、主要元件原理分析</p><p>　?。?）LM339功能分析</p><p>　　LM339類似于增益不可調(diào)的運算放大器，其集成塊內(nèi)部裝有四個獨立的電壓比較器，每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，

9、它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點），另一端加一個待比較的信號電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選

10、3-15K）。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因為當(dāng)輸出晶體三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。 </p><p>　　圖2 LM339封裝及內(nèi)部機構(gòu)</p><p><b>　　NE555定時器</b></p><p>　　NE555定時器是一種模擬電路和數(shù)字電

11、路相結(jié)合的中規(guī)模集成電路,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳排列如圖3所示。</p><p>　　圖3 NE555內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳排列</p><p>　　從結(jié)構(gòu)圖我們可以看出，555定時器是由分壓器、比較器、基本R--S觸發(fā)器和放電三極管等部分組成。分壓器由三個5的等值電阻串聯(lián)而成。分壓器為比較器、提供參考電壓，比較器的參考電壓為，加在同相輸入端，比較器的參考電壓為，加在反相輸入端。比較器由兩個結(jié)構(gòu)相同

12、的集成運放、組成。高電平觸發(fā)信號加在的反相輸入端，與同相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本R--S觸發(fā)器端的輸入信號；低電平觸發(fā)信號加在的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本R—S觸發(fā)器端的輸入信號?；綬--S觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器、的輸出端控制。</p><p><b>　　理論計算</b></p><p>　　光電三極管的連接與參數(shù)選擇

13、</p><p>　　如圖，當(dāng)沒有光照時，要使與集電極相連的輸出端為高電平；有光照時，輸出端為低電平。已知3DU5C的飽和光電流是100uA左右，暗電流為1uA。要使光電三極管工作在線性區(qū)，就要使由集電極流向發(fā)射極的光電流小于等于100uA。</p><p>　　如是有：，又知道飽和壓降=0.3V。得出。為了保證光電三極管能較穩(wěn)定的工作在線性區(qū)，和能穩(wěn)定輸出低電平，選擇100KΩ作為光電三

14、極管的上拉電阻。</p><p>　　2、LM339和555定時器的上拉電阻的選擇</p><p>　　選擇上拉電阻阻值的原則包括:</p><p>　　1、從節(jié)約功耗及芯片的灌電流能力考慮應(yīng)當(dāng)足夠大；電阻大，電流小。</p><p>　　2、從確保足夠的驅(qū)動電流，速度快的，考慮應(yīng)當(dāng)足夠小；電阻小，電流大。</p><p&

15、gt;　　3、對于高速電路，過大的上拉電阻可能邊沿變平緩（特別是吳源的信號）。</p><p>　　綜合考慮以上三點,通常在1k 到10k 之間選取。對下拉電阻也有類似道理。 </p><p>　　因此選擇如圖上拉電阻。</p><p>　?。涸撾娙莸淖饔弥饕袃煞矫?；一是形成使555定時器觸發(fā)的下降沿；二是將電容兩邊的狀態(tài)隔絕開來。</p><

16、p>　　3、555定時器的設(shè)置</p><p>　　連線如下圖；參考資料把555定時器連接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，為了使LED燈顯示5s，我們使其暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間設(shè)為5s。利用公式t=1.1RC（也就是利用電容充放電的時間來控制暫穩(wěn)態(tài)時間）。首先選用47uF的電解電容，由此可以算出R=100KΩ左右。</p><p><b>　　制作過程</b></p>

17、<p>　　首先根據(jù)要實現(xiàn)的功能畫出原理圖，并根據(jù)資料和各元件的功能確定元件的具體參數(shù)。并使用電子線路CAD軟件畫圖選擇元件型號和封裝。</p><p>　　生成PCB文件，并對PCB圖進(jìn)行布局和布線。得到最終的PCB圖。打印PCB圖并準(zhǔn)備做板。</p><p>　　將打印的PCB圖貼到覆銅板上，并用電熨斗把圖上的碳粉轉(zhuǎn)移到覆銅板的銅面上。對已經(jīng)銅板上并不清晰的線和沒有能印上的線

18、用油性筆進(jìn)行填充。</p><p>　　有蝕刻溶液對銅板進(jìn)行腐蝕。</p><p>　　洗干凈已經(jīng)腐蝕完成的板，并在焊盤孔上進(jìn)行鉆孔。</p><p>　　對照PCB圖和原理圖，將元件逐一焊在板上。</p><p><b>　　測試和調(diào)整。</b></p><p><b>　　結(jié)果分析&

19、lt;/b></p><p><b>　　1、仿真結(jié)果分析</b></p><p>　　相關(guān)實驗仿真波形如下圖示，圖中沒有三角形符號的是555的輸入，有三角形的是555的輸出，555的輸出端開始是低電平的，后來有光照就變成高電平，然后慢慢有變成低電平。</p><p>　　下圖有三角形的是lm339的輸出，沒有三角形的依舊是是555的輸入

20、。沒光時，lm339的輸出是高電平，有光就是低電平。</p><p><b>　　下圖為PCB電路圖</b></p><p><b>　　實物展示</b></p><p><b>　　如圖所示</b></p><p><b>　　誤差分析</b></

21、p><p>　　本測量裝置產(chǎn)生誤差的原因主要有兩個。一個是由于激光照射到水面時會發(fā)生發(fā)射和折射，而折射光經(jīng)過在水與容器的交界面的反射又會形成另一束反射光。當(dāng)然這種誤差可以通過調(diào)整入射角和光敏三級管間距來避免。</p><p>　　另一個是由于制作工藝的原因，各個光敏三極管與激光器之間不是完全等間距。而我們選用的激光入射角是以最接近激光器的光敏三極管為準(zhǔn)，因此難以做到完全符合。下面是關(guān)于這個的一

22、些小分析：</p><p>　　假設(shè)激光到最接近它的光敏三極管的距離為L，而第二個光敏三極管與第一個光敏三極管的間距為；</p><p>　　對于第一個光敏三極管有=；</p><p>　　對于第二個光敏三極管，理想情況下有；實際計算有 ； 。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p&

23、gt;　　通過以上一系列的分析結(jié)果，加上實物的操作，可以認(rèn)為這次課程設(shè)計是比較成功的，雖然在設(shè)計的過程有點坎坷，但是最終仿真設(shè)計還有實物制作都達(dá)到了設(shè)計的要求，所要求實現(xiàn)的功能都已基本實現(xiàn)。</p><p><b>　　心得體會</b></p><p>　　通過本次課程設(shè)計，我重新了解了之前學(xué)過的一些課程，將以前學(xué)過的一些理論知識應(yīng)用到實際當(dāng)中。以前做的課程設(shè)計都是只

24、需要做到仿真成功就可以，這一次是我們上大學(xué)以來第一次做實物，從參數(shù)的計算、畫原理圖，畫PCB到制板、焊接、以及測試都需要我們自己去做。而且與以往不同，以前是單獨做的課程設(shè)計，這一次是需要通過小組合作來完成，除了需要理論和技術(shù)外，還需要與組員之前的合作和協(xié)調(diào)，使我們的協(xié)調(diào)能力也得到了一定的提高。在這個課程設(shè)計當(dāng)中，對我們來說最難的就是做實物，因為就是電子線路CAD我們也是剛學(xué)，畫PCB板之類的都不熟；其次，制板是我們從來沒有做過的事情，對

25、制板步驟也是不太清楚……剛開始看到課程設(shè)計的題目時，我們都覺得比較難，就是因為與過去相比較多了做實物這一項，但做下來就覺得不是太難，只是因為沒做過才會覺得難，原來有些事看起來很難做到，但只要著手去做，才能去征服它！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　《光電子電路及制作實例》陳振官等編著，國防工業(yè)出版社，2006年</p>