光电开关 课程设计

吉林省经济管理干部学院吉林经济职业技术学院2010-2011学年第二学期课程设计项目类别：电子组装工艺设计题目：光电开关的设计及制作班级：09电子信息工程技术学号：09010601013姓名：指导教师：吕晓辉设计日期：2011年6月27日——2010年7月8日设计目标此次的任务是利用所学过的传感器知识做一款有关光电知识的简易光电传感器。目标描述制作一个能测量光线强弱的光电装置，并能输出控制信号来控制一路信号的通与断。设计过程一、设计要求与方案论证1.1设计要求：1.1.1基本功能制作一个能测量光线强弱的光电装置，并能输出控制信号来控制一路信号的通与断。。。1.2系统基本方案选择和论证1.2.1单片机芯片的选择方案和论证：2.1单元电路的具体设计所谓的光电开关，就是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的它是利用被检测物体对红外光束（区分点）的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。根据设计的要求和任务，我设计了如下的电路图，此电路图由三大部分组成，分为：电桥电路、放大电路、控制电路。下图为设计的图1总电路图图1（总电路图）2.1.1光电开关组成及其原理其图所示为光暗控制继电器电路，由R1光敏电阻，其灵敏度是相当高的，R2滑动变阻器R3R4构成了电桥，分压电路，在黑暗的条件下或者光线暗至一定程度时，当调节好滑动变阻器的时候，使LM358输出为0调零，用万用表测量。LM358内部可以当做两个放大器用，此时，我们就用一个即可，单电源双电源都可，当照度较低时，VT1不导通；当有一定照度的光照射时，光敏电阻阻值变小，VT1获得足够的基极电流而导通，产生较大的集电极电流，使继电器吸合。该电路的光触发电平电源电压及环境光度的影响比较大三、系统的软件设计3.1.光敏电阻用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，然后接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。光敏电阻的原理结构如图所示。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。光敏电阻其图2如下：图2（光敏电阻）其主要参数为：（1）光电流、亮电阻。光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。（2）暗电流、暗电阻。光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。（3）灵敏度。灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。（4）光谱响应。光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。（5）光照特性。光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。在大多数情况下，该特性为非线性。（6）伏安特性曲线。伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件来说，其光电流随外加电压的增大而增大。（7）温度系数。光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。（8）额定功率。额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所允许消耗的功率，当温度升高时，其消耗的功率就降低。3.2放大器件的选用此次课设我所用的放大器为LM358双运放大器，我也考虑到用741放大器，但是只能用双电源，为了不麻烦，就考虑了LM系列，开始的时候考虑到用LM324，放大倍数是没有问题，但是电源电压要求比较高，并且过高电压就不保证线性，最后选用了LM358，其失调电压会小一些，其原理图3如下：图3（LM358放大器）LM358内部包括有两个的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器。适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。特性：·内部频率补偿·.直流电压增益高（约100dB）·.单位增益频带宽（约1MHz）·电源电压范围宽：单电源（3-30V）；双电源（±1.5V—±15V）·低功耗电流，适合于电池供电·地输入偏流·地输入失调电压和失调电流·共模输入电压范围宽，包括接地·差模输入电压范围宽，等于电源电压范围·输出电压摆幅大（0—Vcc-1.5V）3.3.继电器选用本实验最后驱动控制模块是继电器。继电器是一种电子控制期间，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），用场应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中也有起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。该实验设计采用的是电磁继电器。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触电簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。由于实验室内部的器件有限，老师把唯一上课用的辅助教材，其可以供12V的继电器给了我，它就是电磁式继电器。3.4.二极管以及三极管选用选用在选取二极管的时候，有考虑到用1N4001，但通过查询资料发现1N4007的效果比1N4001的效果好，最后选取了1N4007,1N4007是1N代表一个PN结，4007是零件序号。以下是我在网络上搜到的1N4007的图4；图4（1N4007）三极管选用的时候9013是NPN低频放大，耐压40V－50V，0.5A，0.625W，150MHZhFE（β），100～1000(放大倍数分段可选)其图5为9013示意图：图5（9013）4.注意事项本实验应该注意的事项有以下两点：1，在连接电路的过程当中，应该放下心来认认真真的焊电路板，如果不耐心很可能会把珍贵的器件焊坏，比如放大器的管脚焊坏，三极管的ebc极要搞清楚，不能随便乱焊，此电路中应用的是NPN型的9013三极管，下面控制着继电器；2，在连接继电器的过程中，一定不能接反，否则继电器通电之后就会废掉。5.仪器的组装与测试5.1.组装在安装的过程中，只要耐下心来，把握好手法，依照“稳准狠”的原则，先装矮后装高、先装小后装大、先装耐焊等等。5.2特别注意布线尽量使电源线和地线靠近实验电路板的周边，以起一定的屏蔽作用；最好分模块安装。此外焊接时不能出现虚焊、漏焊，更不能出现过焊，因为有些器件，不能耐高温，比如焊接三极管时，电烙铁绝对不能停留太久。5.3调试过程本实验将电路连接好后，附上电源，若有信号进来，但继电器不吸合，则可能是信号太小没有达到继电器闭合的电流限度。应该调整光敏电阻的光度。看实验是否达到预定效果。若没有，则用示波器逐个检测信号，再检查是否存在虚焊的问题。直到达到实验效果。调试过程中如果发现电路不是怎么灵敏，可以调节放大器，增加其灵敏度。此外，还需要多次上电调试，观察是否有其他状况，是否有不稳定的情况发生。结论此次的课程设计让我们对传感器这个词有了深刻的体会，不仅学到了一些生活上的小窍门，而且还学到了书本上没有的东西。并且老师详细的给我们讲解每个器件的应用，应该注意哪些问题，例如继电器不能接反，否则器件损坏，二极管在此图中是保护继电器防止继电器损坏，LM358的管脚和一些它的资料，此图中最重要的器件就是光敏二极管，在高温，多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性，可广泛应用于照相机、太阳能庭院灯、草坪灯、验钞机、石英钟、音乐杯、礼品盒、迷你小夜灯、光声控开关、路灯自动开关以及各种光控玩具、光控灯饰、灯具等光自动开关控制领域。光电开关应用的环境是影响其长期工作可靠性的重要条件。当光电开关工作于最大检测距离状态时，由于光学透镜会被环境中的污物粘住，甚至会被一些强酸性物质腐蚀，以至降低使用参数特性。电路图的结合能够使继电器顺利的工作。收获与心得通过这次传感器的课程设计实验，让我学到了很多知识，尤其软件的应用，例如VISIO画图软件，multisim仿真软件，protel画图软件等等，尤其是几位学长为了我详细的指导如何应用multisim仿真软件，让我感受到了这个软件的神奇之处。此次的课设课题的选择、方案的设计和修改、电路的仿真再到实物的制作，都是自己亲手做的，尤其是实物的制作极大的提高了我的动手能力在焊接过程中稍不小心就可能焊错一个引脚、一根导线都会导致整个电路无法正常工作，而且还有被烫伤的经历。在调试的过程中，是最痛苦的事情，当发现电路不能正常运行，又不知道错在哪里的时候，就非常的迷茫，试了很多次，试到没耐心，濒临崩溃边缘，浪费了很多的时间，最后还是要靠老师来解决，用万用表来测量哪里没有接上，结果是漏焊的原因。在仿真的过程中，老师教导可以把继电器用做可控硅来代替，这样同样会表现出现象，而且简单，也可用发光二极管来代替，省时省力，因此，此次课设对我未来的毕业论文打下了坚实的基础教师评价成绩：指导教师：日期：