光电越界报警器设计

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1、 一一 系统设计系统设计 1 1 设计思路设计思路题目要求设计光电越界报警器，针对重点区域的安全问题设计一个光电越界报警器，有物体越界时有报警信号，否则无信号。在设计中我采用了光敏电阻作为敏感元件，它在有光照射和无光照射时的电阻值相差较大，从而影响电路中的电流变化。后续放大电路采用了三极管放大电路，再通过放大后的值驱动发光二极管发光报警。 2 2 方案论证与比较方案论证与比较 2.1 光源的光源的选择选择光电报警装置中光源大多使用小型白炽或自然光源，但白炽灯使用寿命短，不易聚焦，散热量大：而自然光不稳定会造成电路不稳定。这里采用发光二极管（LED） ，它性能更加优异，且应用广泛、价格低廉，因此

2、本设计中光源选用发光二极管。 2.2 光敏元件的光敏元件的选择选择 方案一：采用光敏电阻。光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内，应用广泛。方案二：采用光电二极管。光电二极管具有体积小，频率特性好，线性好等特点，适合作为测量元件。但其弱光下灵敏度低，输出光电流小。在本设计光敏元件需要灵敏度要高，因此选用方案一。 2.3 放大放大电电路的方案路的方案论证论证与与选择选择 方案一：采用三极管放大电路。它不但有放大的作用还有开关的作用。因此其应用广泛。方案二：采用单片集成测量放大器。单片集成测量放大器精度很高，体积小，调节方便，能够达到设计所需的各项精度要求，但是

3、其价格较贵。在用光敏元件作为前置元件时，由于它们的输出电阻很高，可视为电流源，此时测量放大电路即为微电流放大电路。因此本设计中选用方案一。 3 3 系系统统组组成成 经过方案比较与论证，最终确定系统组成框图如图（8）所示。在没有物体经过时发光二级管发出的光直接照射到光敏电阻上，光敏电阻由于受到光照而阻值较小，使落在三光敏电阻 发光电路 报警电路放大电路图（图（8）系统组成方框图）系统组成方框图极管上的电压较小，从而使基极电流较小，使三极管处于截止状态，不能使接在其集电极的发光二极管发光，即没有报警信号。当有物体经过时，发光二极管发出的光被遮挡住，照射在光敏电阻上的光通量减少，光敏电阻的阻值升高

4、，是落在三极管上的电压升高，从而使流过集极的电流增大，经三极管放大后足够驱动报警的发光二极管发光，从华东交通大学课程设计1而实现报警。 3 3放大电路设计放大电路设计 放大电路采用复合晶体管放大，将二只三极管适当的连接在一起，以组成一只等效的新的三极管。两个三极管接在一起，极性只认前面的三极管。具体接法和其等效 电路如下图（9），图（9）复合管及其等效电路 两个相同极性的三极管 (S9014),为前面三极管集电极跟后面三极管集电极相接， 然 后前面三极管发射极跟后面三极管基极相接 。前面三极管 的基极为复合管的基极， 后面三极管的发射极为复合管的发射极，其用法跟单个三极管一样，放大倍数是两 个

5、三极管放大倍数的乘积。 且复合管的类型与前面晶体管的类型是相同的，与后面三 极管无关。放大倍数计算为：I =I+I=I+（1+）I （1-1）c11b22b11b211b=I 121b又因这里两个三极管同型号，所以=，即12（1-2）2 14 4完整电路设计完整电路设计 此光电越界报警器的完整设计电路图如图（10） 。完整电路的原理框图如上图（8）所示前面的发光电路用二极管发光 D1，发出的光照射在光敏二极管上，即光电转换器件。光敏二极管由于接受光照阻值较小，从而使后面的复合管处于截止状态，不能驱动后续的报警光电二极管 D2 发光，不会发生报警;当有物体经过发光电路与接收电路之间时，发光二极管

6、 D1 发出的光背遮挡而不能照到光敏电阻上，光敏电阻阻值升高，所分电压增大，使复合管处于放大状态，可以驱动后续的报警发光二极管发光，实现报警。 三三 系统测试系统测试 1 1 方方案案调调试试 方案设计完成之后进入电路连接与调试阶段。连接电路前先找好了所需的元器件，在实验室的面包板上进行电路的连接工作。电路华东交通大学课程设计2连接过程中应注意各个元器件的极性和适用电压等。1）发光二极管的两个管脚，较长的一个管脚接电源的正极，较短的一个接入电源的负极。2）三极管的管脚识别：首先用万用表的 1K 电阻当，依次测量三个脚之间的正、反电阻，若某一脚对另两脚之间的正向和反向电压分别相等，各自性质犹如二

7、极管，则该脚便是基极 B（一班中间的脚就是基极） ；再用万用表测量另两个未知的脚趾间的正反向电阻。测得正向较小的电阻时黑笔所接为集电极，红笔所接为发射极。这样三极管的三个管脚都确定出来了。连接好电路后，进行可行性调试。接通电源，改变变阻器的阻值，使报警发光二极管处于不发光状态。 首先调试前置放大模块。按电路图接好元器件后，检测运算放大器的输入与输出是否对应成比例的放大。经检测发现，输入为 0.09V，输出为 0.18V 左右。输出信号过于微小，随即调整放大倍数为 100，改变和值，是输出信号电压达 1.8V。用万用不能检测到2R3R电路中的电流。其次调试二阶带通滤波电路。在接好电路之后，输入端

8、接函数发生器的正弦信号，用示波器检测输出信号，发现输出只有干扰信号。不断调整输入正弦信号的频率，但频率从低到高变化时，输出仍为干扰信号。检查电路的接线、电阻电容的值和面包板接线口，经过调整确认无误仍不能得到预期效果，改变电容的值输出也为干扰信号，因此决定先放弃调试此二阶带通滤波电路而重新设计调试一低通滤波电路。再次设计调试低通滤波电路。利于测控电路书中的知识，设计了一个无限增益巴特沃斯低通滤波电路。由于不知输出光电信号与噪声信号的频率，于是先设计次低通滤波电路的截止频率为 2 千赫兹照所设计的参数接好电路调试，用正弦信号作为输入，输出接示波器，当调整输入信号频率是，输出产生了预期效果，对于频率

9、为 2 千赫兹以上的输入信号，输出将产生严重的失真。此低通滤波器设计成功。最后进行整体电路的调试。将前置放大电路的输出信号波器发现只能测得干扰的杂信号，其输入信号也为干扰信号，且当改变光电二极管的光强时，此干扰信号为发生任何改变。再将前置放大电路与低通滤波电路按方案连接好，发现输出也为干扰信号。此电路并没有检测出光电二极管所受光强改变时的信号。因此为解决电路调试过程中问题，应及时完善调试的电路。 （2）调试结果）调试结果按设计方案接好电路，电源采用稳压电源，调节为 5 伏。将发光二极管与光电二极管平行排放。调节滑动变阻器 Ro 使得其上的压降相对于光电二极管上的压降要大很多。一切准备就绪后，将

10、白纸片置于光电二极管前方，光电二极管接收到来自白纸反射的光，此时 Ro 上的压降约为 4.6 伏。将黑色纸片置于光电二极管的前方，Ro 上的压降改变很大，约为 1 伏左右。将黄色纸片置于光电二极管的前方，Ro 上的压降约为 4 伏左右。通过后接运算放大电路，观察到的变化将更加明显。如果直接将 Ro 两端接示波器，重复上述步华东交通大学课程设计3骤时，将会看到输出信号幅值的跳变。综上分析，此次系统方案的设计基本满足了设计要求，而且调试结果证明本设计的传感器对纸张白度检测有较高的精度。因此可认为，本次纸张白度光电检测传感器的设计基本上取得了成功，满足了设计的要求。6.6.心得体会心得体会转眼间此次

11、课程设计即将接近尾声，被曹老师誉为大学期间最重要的一次课程设计就这样匆忙过去了。回想刚开始选题的那份激情，一切都历历在目。在确定选题之初，大家对家电类办公类的题格外感兴趣，争先恐后的，到后来像我这样下手晚的该改了三次题才没选到重的。我的选题为纸张白度光电检测传感器设计，初次看到此题时一片茫然，看不透其中的核心原理。后来经多方打听才知道是利用纸张反射的光强大小来判断纸张白度，纸张越白其反光能力越强。在初步明白原理后再开始查找资料。刚开始只能是试探性的凭感觉输入关键字查找信息，所查资料并不多，收获也只是了解了该种传感器的应用范围和光路原理，并没有找到现成的设计方案。于是决定先了解所采用的光敏元件。

12、本次设计所采用的光敏元件我初步锁定为光电池、光电二极管、光电三极管和光敏电阻中的一种，了解方式为网络和图书馆的相关书籍。在对它们的特性了解之后将范围锁定在光电池和光电二极管上。它们两者在受到一定强度的光强时，光电池与光照成线性关系，性能较好，且实验室里有此类元件。在了解到无论是光电池还是光电二极管，其输出光电流都很小，为几毫安，肯定需要放大并且滤除相关干扰信号。为了避免自己设计上的不足和相关参数难以确定的问题，于是决定找到相关类似的方案借鉴，遂到网上一直想方设法搜索微弱信号的处理电路，终于找到了相近的设计。再经过自己整合取舍，一套完整的方案就此确定了。进入调试实物阶段心情应该是复杂的，夹杂着看

13、到希望之光的欣喜和调试阻碍的失落烦躁。经过这两次课程设计的锻炼让我明白调试其实是有技巧的。有时候调试的成败只在一个微小的细节上。调试首先应该明确是分模块进行的，而在各模块调试中，连接好电路并没达到预期效果时，怎么处理显得非常关键。如果只单单的拔了电路重新接过是很不明智的，既浪费时间又找不出症结所在，微电子实习时我就这样犯傻过。我认为遇到此种情况时，应该首先对照电路图检查是否存在电路连接错误，然后用万用表逐条线路检查压降或阻值的变化排查因元器件损坏，面包板内部接线错误，导线接触不良而带来的影响。最后可根据经验关键部分元器件，改变其原来的参数，因为有时候设计是按理想情况计算的，再加上元件参数的偏差

14、可能对电路影响很大，这样边测边试的方法还算是比较合理的。在调试二阶带通滤波电路时遇到了很大的阻碍，一直调试也没能成功，也没能查出来原因。而且由于我不知道需要通过信号的频率和噪声信号的频率，给自己重新设计也带来了麻烦。于是抱着试试的心态自己设计了一个低通滤波器，截止频率为一千多赫兹。华东交通大学课程设计4接到放大信号后并没能达到效果，找到其他同学的不同通频带的滤波器也没取得成效。我也陷入了茫然之中。后来找到了老师谈谈意识到充分研究光电二极管的重要性。一旦充分了解了其性质，一切复杂问题都简单化了。回到实验室，和郑丰翔同学一起讨论，找到了关键的突破点后，开始自己重新设计电路。由于光电二极管的阻值随光

15、照信号的变化改变很灵敏，完全可以利用这个特性将光信号变化转化为光电二极管上压降的变化。于是刚开始想到利用电桥单臂电路，可是经过试验后发现自然光的变化使得其他三个臂上的电阻难以确定。后来想到利用最简单的电路，只要匹配好阻值，光电二极管上压降随光照变化很灵敏。用一只发光二极管发光，光经过纸张的反射被光电二极管接收。这样当采用 5 伏的外接电源时，白纸和黑纸片能使发光二极管上压降相差 3.5 伏左右。黄纸片和白纸片能使发光二极管上压降相差 1 伏左右。这样调试基本上就算成功了。其实真的很感谢我们测控专业的老师，是他们的努力让我们专业拥有了自己的实验室，有这样的动手机会的确很好。而且要特别感谢我们的曹

16、老师，在这两次的课设中都投入了相当大的精力，一心想着提高我们整体的综合能力，可谓用心良苦啊。最后道一句：大家辛苦了，老师您辛苦了，继续加油！ 7.7.参考文献参考文献1 刘笃仁，韩保君传感器原理及应用技术M 西安：西安电子科技大学出版社，2003.154-168.2 张国雄，金篆芷测控电路M 北京：机械工业出版社，2004113-1233秦曾煌.电子技术第六版M. 北京：高等教育出版社，2004.112-156.4 黄智伟全国大学生电子设计竞赛训练教程M 北京：电子工业出版社，2005.274-286.5刘少强,张靖.传感器设计与应用实例M. 北京：中国电力出版社，2008.156-180.6韩兵.光电控制系统技术与应用M. 北京