光電課程設(shè)計(jì)報(bào)告--無(wú)接觸式液面位置探測(cè)器的設(shè)計(jì)

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

2、<p>　　學(xué)生學(xué)院 </p><p><b>　　專業(yè)班級(jí) </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(jì)的題目為《無(wú)接觸式液面位置探測(cè)器的設(shè)計(jì)》 ，所設(shè)計(jì)的裝置用于自動(dòng)探測(cè)液面的位置，運(yùn)用熟悉的三角法來(lái)計(jì)算液面高度，在液面位置到達(dá)預(yù)定高度時(shí)，通過(guò)LED做出相應(yīng)顯示。本設(shè)計(jì)中采用光電檢測(cè)的辦法對(duì)液面進(jìn)行無(wú)接觸式探測(cè)并快速做出響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)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(cè)器。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)的目的主要是通過(guò)本課程設(shè)計(jì)能了解一些常用光電檢測(cè)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(guò)程，提高動(dòng)手能力，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和著力解決問(wèn)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(jì)方案所采用的主要元件包括LM339、NE555定時(shí)器等，

5、通過(guò)利用光敏三極管在有光照和無(wú)光照時(shí)，集電極電平高低的不同來(lái)控制顯示LED的亮和滅，以此來(lái)顯示所測(cè)得的液面的高低。</p><p>　　關(guān)鍵詞：光敏三極管、探測(cè)器、LM339、555定時(shí)器</p><p><b>　　設(shè)計(jì)方案</b></p><p><b>　　測(cè)量的主要方法</b></p><p&g

6、t;　　測(cè)量的總思路如圖；利用我們熟悉的三角法來(lái)計(jì)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(duì)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(gè)液面高度的入射角度，就可以測(cè)到其余兩個(gè)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(jì)原理圖</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路比

7、較清晰，經(jīng)過(guò)研究討論和計(jì)算分析得出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理圖如下：</p><p>　　圖1 方案設(shè)計(jì)所繪電路原理圖</p><p>　　本次設(shè)計(jì)方案所采用的主要元件包括LM339、NE555定時(shí)器等，通過(guò)利用光敏三極管在有光照和無(wú)光照時(shí)，集電極電平高低的不同來(lái)控制顯示led的亮和滅，以此來(lái)顯示所測(cè)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>　　（1）LM339功能分析</p><p>　　LM339類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器，其集成塊內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個(gè)稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓（也稱為門(mén)限電平，

9、它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點(diǎn)），另一端加一個(gè)待比較的信號(hào)電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開(kāi)路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)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(hào)檢測(cè)等場(chǎng)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(shí)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(huì)影響輸出端高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時(shí)，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(jī)構(gòu)</p><p><b>　　NE555定時(shí)器</b></p><p>　　NE555定時(shí)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(shí)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(gè)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(gè)結(jié)構(gòu)相同

12、的集成運(yùn)放、組成。高電平觸發(fā)信號(hào)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(hào)；低電平觸發(fā)信號(hào)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(hào)。基本R--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(jì)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(méi)有光照時(shí)，要使與集電極相連的輸出端為高電平；有光照時(shí)，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(shí)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(dòng)電流，速度快的，考慮應(yīng)當(dāng)足夠??；電阻小，電流大。</p><p&

15、gt;　　3、對(duì)于高速電路，過(guò)大的上拉電阻可能邊沿變平緩（特別是吳源的信號(hào)）。</p><p>　　綜合考慮以上三點(diǎn),通常在1k 到10k 之間選取。對(duì)下拉電阻也有類似道理。 </p><p>　　因此選擇如圖上拉電阻。</p><p>　　：該電容的作用主要有兩方面；一是形成使555定時(shí)器觸發(fā)的下降沿；二是將電容兩邊的狀態(tài)隔絕開(kāi)來(lái)。</p><

16、p>　　3、555定時(shí)器的設(shè)置</p><p>　　連線如下圖；參考資料把555定時(shí)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(shí)間設(shè)為5s。利用公式t=1.1RC（也就是利用電容充放電的時(shí)間來(lái)控制暫穩(wěn)態(tài)時(shí)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(guò)程</b></p>

17、<p>　　首先根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的功能畫(huà)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(huà)圖選擇元件型號(hào)和封裝。</p><p>　　生成PCB文件，并對(duì)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(duì)已經(jīng)銅板上并不清晰的線和沒(méi)有能印上的線

18、用油性筆進(jìn)行填充。</p><p>　　有蝕刻溶液對(duì)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(pán)孔上進(jìn)行鉆孔。</p><p>　　對(duì)照PCB圖和原理圖，將元件逐一焊在板上。</p><p><b>　　測(cè)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(shí)驗(yàn)仿真波形如下圖示，圖中沒(méi)有三角形符號(hào)的是555的輸入，有三角形的是555的輸出，555的輸出端開(kāi)始是低電平的，后來(lái)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(méi)有三角形的依舊是是555的輸入

20、。沒(méi)光時(shí)，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(shí)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(cè)量裝置產(chǎn)生誤差的原因主要有兩個(gè)。一個(gè)是由于激光照射到水面時(shí)會(huì)發(fā)生發(fā)射和折射，而折射光經(jīng)過(guò)在水與容器的交界面的反射又會(huì)形成另一束反射光。當(dāng)然這種誤差可以通過(guò)調(diào)整入射角和光敏三級(jí)管間距來(lái)避免。</p><p>　　另一個(gè)是由于制作工藝的原因，各個(gè)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(gè)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(zhǎng)，而第二個(gè)光敏三極管與第一個(gè)光敏三極管的間距為；</p><p>　　對(duì)于第一個(gè)光敏三極管有=；</p><p>　　對(duì)于第二個(gè)光敏三極管，理想情況下有；實(shí)際計(jì)算有 ； 。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p&

23、gt;　　通過(guò)以上一系列的分析結(jié)果，加上實(shí)物的操作，可以認(rèn)為這次課程設(shè)計(jì)是比較成功的，雖然在設(shè)計(jì)的過(guò)程有點(diǎn)坎坷，但是最終仿真設(shè)計(jì)還有實(shí)物制作都達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，所要求實(shí)現(xiàn)的功能都已基本實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　心得體會(huì)</b></p><p>　　通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我重新了解了之前學(xué)過(guò)的一些課程，將以前學(xué)過(guò)的一些理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中。以前做的課程設(shè)計(jì)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(lái)第一次做實(shí)物，從參數(shù)的計(jì)算、畫(huà)原理圖，畫(huà)PCB到制板、焊接、以及測(cè)試都需要我們自己去做。而且與以往不同，以前是單獨(dú)做的課程設(shè)計(jì)，這一次是需要通過(guò)小組合作來(lái)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(gè)課程設(shè)計(jì)當(dāng)中，對(duì)我們來(lái)說(shuō)最難的就是做實(shí)物，因?yàn)榫褪请娮泳€路CAD我們也是剛學(xué)，畫(huà)PCB板之類的都不熟；其次，制板是我們從來(lái)沒(méi)有做過(guò)的事情，對(duì)

25、制板步驟也是不太清楚……剛開(kāi)始看到課程設(shè)計(jì)的題目時(shí)，我們都覺(jué)得比較難，就是因?yàn)榕c過(guò)去相比較多了做實(shí)物這一項(xiàng)，但做下來(lái)就覺(jué)得不是太難，只是因?yàn)闆](méi)做過(guò)才會(huì)覺(jué)得難，原來(lái)有些事看起來(lái)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(shí)例》陳振官等編著，國(guó)防工業(yè)出版社，2006年</p>