光电课程设计报告

光电技术综合

课程设计

题目名称无接触式液面位置探测器的设计学生姓名

学号

学生学院

专业班级

指导教师

2013 年 5 月 25 日

一、前言

光电技术课程设计的题目为《无接触式液面位置探测器的设计》，所设计的装置用于自动探测液面的位置，运用熟悉的三角法来计算液面高度，在液面位置到达预定高度时，通过LED做出相应显示。本设计中采用光电检测的办法对液面进行无接触式探测并快速做出响应，实验中采用半导体激光器LD作为光源，用光敏三极管作为探测器。

本次课程设计的目的主要是通过本课程设计能了解一些常用光电检测器件的工作原理，并能正确选用；掌握一些常用芯片（电压比较器LM339）的使用；学习PCB的绘制，并了解PCB的制作过程，提高动手能力，培养发现问题和着力解决问题的能力。

二、相关摘要及关键词

1、摘要：

本次设计方案所采用的主要元件包括LM339、NE555定时器等，通过利用光敏三极管在有光照和无光照时，集电极电平高低的不同来控制显示LED的亮和灭，以此来显示所测得的液面的高低。

2、关键词：光敏三极管、探测器、LM339、555定时器

三、设计方案

1、测量的主要方法

测量的总思路如图；利用我们熟悉的三角法来计算液面的高度。从图可以看

出，一旦激光器的角度决定后，激光的入射角就被决定了。对于不同的液面，由于不同的液面之间是彼此平行，所以只要确定一个液面高度的入射角度，就可以测到其余两个液面高度。此处我们把激光的入射角设为15度。

2、总设计原理图

本次课程设计的设计思路比较清晰，经过研究讨论和计算分析得出结构设计的原理图如下：

图1 方案设计所绘电路原理图

本次设计方案所采用的主要元件包括LM339、NE555定时器等，通过利用光敏三极管在有光照和无光照时，集电极电平高低的不同来控制显示led的亮和灭，以此来显示所测得的液面的高低。

所需主要的元器件清单如下：

元器件数目

光敏三极管3个

激光头1个

IC电压比较器LM339 1个

1/4色环电阻若干

瓷片电容若干

电解电容若干

LED灯红、绿、黄各1个

覆铜板1块

3、主要元件原理分析

（1）LM339功能分析

LM339类似于增益不可调的运算放大器，其集成块内部装有四个独立的电压比较器，每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。

图2 LM339封装及内部机构

（2）NE555定时器

NE555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成电路,其内部结构及管脚排列如图3所示。

图3 NE555内部结构及管脚排列

从结构图我们可以看出，555定时器是由分压器、比较器、基本R--S 触发器和放电三极管等部分组成。分压器由三个5的等值电阻串联而成。分压器为比较器、提供参考电压，比较器的参考电压为，加在同相输入端，比较器的参考电压为，加在反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放、组成。高电平触发信号加在的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R--S 触发器端的输入信号；低电平触发信号加在的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R —S 触发器端的输入信号。基本R--S 触发器的输出状态受比较器、的输出端控制。

四、理论计算

1、光电三极管的连接与参数选择

如图，当没有光照时，要使与集电极相连的输出端为高电平；有光照时，输出端为低电平。已知3DU5C 的饱和光电流是100uA 左右，暗电流为1uA 。要使光电三极管工作在线性区，就要使由集电极流向发射极的光电流小于等于100uA 。

如是有：R U V I Q CC 000c /）（-≥，

又知道饱和压降U Q 0=0.3V 。得出Ω≥K R 4700。为了保证光电三极管能较稳定的工作在线性区，和能稳定输出低电平，选择100K Ω作为光电三极管的上拉电阻。

2、LM339和555定时器的上拉电阻的选择

选择上拉电阻阻值的原则包括:

1、从节约功耗及芯片的灌电流能力考虑应当足够大；电阻大，电流小。

2、从确保足够的驱动电流，速度快的，考虑应当足够小；电阻小，电流大。

3、对于高速电路，过大的上拉电阻可能边沿变平缓（特别是吴源的信号）。

综合考虑以上三点,通常在1k 到10k 之间选取。对下拉电阻也有类似道理。

因此选择如图上拉电阻。

C20：该电容的作用主要有两方面；一是形成使555定时器触发的下降沿；二是将电容两边的状态隔绝开来。

3、555定时器的设置

连线如下图；参考资料把555定时器连接成单稳态触发器，为了使LED灯显示5s，我们使其暂稳态的持续时间设为5s。利用公式t=1.1RC（也就是利用电容充放电的时间来控制暂稳态时间）。首先选用47uF的电解电容，由此可以算出R=100KΩ左右。

五、制作过程

1、首先根据要实现的功能画出原理图，并根据资料和各元件的功能确定元件的具体参数。并使用电子线路CAD软件画图选择元件型号和封装。

2、生成PCB文件，并对PCB图进行布局和布线。得到最终的PCB图。打印PCB 图并准备做板。

3、将打印的PCB图贴到覆铜板上，并用电熨斗把图上的碳粉转移到覆铜板的铜面上。对已经铜板上并不清晰的线和没有能印上的线用油性笔进行填充。

4、有蚀刻溶液对铜板进行腐蚀。

5、洗干净已经腐蚀完成的板，并在焊盘孔上进行钻孔。

6、对照PCB图和原理图，将元件逐一焊在板上。

7、测试和调整。

六、结果分析

1、仿真结果分析

相关实验仿真波形如下图示，图中没有三角形符号的是555的输入，有三角形的是555的输出，555的输出端开始是低电平的，后来有光照就变成高电平，

然后慢慢有变成低电平。

下图有三角形的是lm339的输出，没有三角形的依旧是是555的输入。没光时，lm339的输出是高电平，有光就是低电平。

下图为PCB电路图

2、实物展示

如图所示

3、误差分析

本测量装置产生误差的原因主要有两个。一个是由于激光照射到水面时会发生发射和折射，而折射光经过在水与容器的交界面的反射又会形成另一束反射光。当然这种误差可以通过调整入射角和光敏三级管间距来避免。

另一个是由于制作工艺的原因，各个光敏三极管与激光器之间不是完全等间距。而我们选用的激光入射角是以最接近激光器的光敏三极管为准，因此难以做到完全符合。下面是关于这个的一些小分析：

假设激光到最接近它的光敏三极管的距离为L ，而第二个光敏三极管与第一个光敏三极管的间距为L L ?+；

对于第一个光敏三极管有d 1=θtan 2L ；

对于第二个光敏三极管，理想情况下有d d 122=；实际计算有

θtan 22d 2L L ?+=' ；θtan 2d d d 22L ?=-=?' 。

七、结论

通过以上一系列的分析结果，加上实物的操作，可以认为这次课程设计是比较成功的，虽然在设计的过程有点坎坷，但是最终仿真设计还有实物制作都达到了设计的要求，所要求实现的功能都已基本实现。

八、心得体会

通过本次课程设计，我重新了解了之前学过的一些课程，将以前学过的一些理论知识应用到实际当中。以前做的课程设计都是只需要做到仿真成功就可以，这一次是我们上大学以来第一次做实物，从参数的计算、画原理图，画PCB 到制板、焊接、以及测试都需要我们自己去做。而且与以往不同，以前是单独做的课程设计，这一次是需要通过小组合作来完成，除了需要理论和技术外，还需要与组员之前的合作和协调，使我们的协调能力也得到了一定的提高。在这个课程设计当中，对我们来说最难的就是做实物，因为就是电子线路CAD 我们也是刚学，画PCB 板之类的都不熟；其次，制板是我们从来没有做过的事情，对制板步骤也是不太清楚……刚开始看到课程设计的题目时，我们都觉得比较难，就是因为与过去相比较多了做实物这一项，但做下来就觉得不是太难，只是因为没做过才会觉得难，原来有些事看起来很难做到，但只要着手去做，才能去征服它！

参考文献：

《光电子电路及制作实例》陈振官等编著，国防工业出版社，2006年 《光电检测技术与应用》郭培源等编著，北京航空航天大学出版社 《数字电子技术基础》阎石主编，清华大学电子学教研组编

高等教育出版社 第五版 2006.5