透明度报警器模拟电子线路课程设计报告

课程设计说明书

课程设计名称：模拟电路

课程设计题目：透明度报警器

学院名称：信息工程学院

专业：通信工程班级： 100421

学号： 10042121

姓名：黄香华

评分：教师：李翔文

20 12 年 3 月 3 日

模拟电路课程设计任务书

20 11 －20 1 2 学年第 2 学期第 1 周－ 2 周

目录

摘要 (4)

前言 (5)

第一章设计任务 (6)

第二章系统组成及工作原理 (7)

第三章设计电路图及方案介绍选择 (10)

第四章重要原件及其介绍 (14)

第五章设计原理及参数计算 (17)

第六章实验与调试及测试结果及其分析 (18)

第七章实验结论及其体会 (19)

附表元件清单 (20)

附录参考文献 (21)

摘要

报警器广泛应用于医用，工业，军事以及日常生活等领域。对研究具有一定的学术价值和广泛的市场前景。本文设计了一种透明度报警器，广泛应用工业生产和日常生活中，家庭使用要求能设计一种更实惠，性能灵敏可靠的防盗报警器。通过光敏三极管和发光二级管的共同作用来产生稳定光强，将光强转化为光电流，送入Lm324为芯片的比较器来实现设置阀值电压的作用，起到设置报警阀值的目的。

通过小组的分工协同合作，反复改善方案，调试，从而完成了此课题。

关键词：

透明度光敏三极管防盗报警器Lm324芯片

前言

这几年随着物质生活的不断丰富，人民的生活水平有了很大的提高。各种贵重的物品为越来越多的家庭所拥有，而且人们手中尤其是城市市民的积蓄数额也十分可观。因此越来越多的家庭对财产安全问题十分关心。目前，许多家庭都使用了较为安全的防盗门，如果能设计一种更为安全使用的报警装置，必将在防盗和保证财产安全方面发挥更加有效的作用。

该报警器适用于家庭报警，也适用于中小企业事业单位。其具有感应灵敏，可靠，通过感应光线的变化，来感应是否有物体遮挡，从而实现报警作用。并且是光线与警报同时作用的结果。

本次课程设计加深了我对所学理论知识的理解，并能将其熟练应用，做到理论与实际相结合。而用实际器件搭建电路，培养我分析问题、解决问题的实践能力。在本次课程设计受益匪浅，为将来的学习，毕业设计以及工作打下坚实的基础。对于提高我们学生的电子工程素质和科学实验能力非常重要，是电子技术人才培养成长的必由之路。

第一章设计任务

一．通过判断收到的被动光强的变化判断透明度，当透明度变化时报警

二．利用光强度伺服环路实现二极管发射的光线稳定均匀，光敏三极管接收点

的信号通过电流电压变换，积分器处理，送入比较器，与设定信息进行比较。

第二章系统组成及工作原理

一．光强度伺服环路

伺服是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装制输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便。，光强度伺服环路是利用光强来反向调控光强度的变化，控制光强度的稳定和便于控制光强度的大小。在报警电路中利用光强度伺服环路可以精确控制光强度和避免因为光强度的不稳定导致报警器的误报行为。原理图如下：

二．电流电压变换

电流电压变换有好多种方式，如下所示：

分压器方法：利用如图下图分压电路，将电流通入电阻。在电阻上采样出电压信号。其中，可以使用电位器调节输出电压的大小。这种方法最简单，但需要考虑功率和放大倍数的选择问题。

霍尔传感器方法：使用霍尔效应，在元件两端通过电流I，并在元件垂直方向上施加磁感应强度B的磁场，即会输出电压。由下面的公式获得线性关

系。其中，RH为霍尔常数，I为输入电流，B为磁感应强度，d为霍尔元件厚度。这种方法多用于对电流的测量，虽然也可以实现转换，但是精度有限

积分电路：电压可以看作是电流的积分，利用如下图电路

为保证精度，选取运放时尽量找输入阻抗大的。该电路常用于P I D调节，积分电路成熟且放大倍数和精度较好。但要注意这种电路输出电压和输入电流的相位是相反的

跨阻放大器：充分利用运放“虚短”和“虚断”的概念，将电流转换为电压信号，如图电路

电流通过电阻，在电阻上产生压降，建立起电压和电流的关系为

这种方法避免了运放输入失调电压和输入偏置电流和失调电流影响带来的积分误差。也避免了电容的漏电流带来的误差。但未获得稳定的高精度放大，对电阻和运放的精度要求较高。

三极管方法：三极管同样具有放大能力，但应用上多采用运放。电路下如图

在本设计方案中，一方案选择的是跨阻放大器，二方案选择的是三极管方法

三．积分器：积分器是实现对输入信号进行积分运算的电路。

积分器具有广泛的用途，如A／D转换器、压控振荡器、波形发生器、扫描电路等许多方面都用到它，是一种重要的基本电路。原理图如下

四．电压比较器：电压比较器，其基本功能是对两个输入电压进行比较，并根据比较结果输出高电平或低电平电压，据此来判断输入信号的大小和极性。电压比较器常用于自动控制、波形产生与变换，模数转换以及越限报警等许多场合。电压比较器通常由集成运放构成，与普通运放电路不同的是，比较器中的集成运放大多处于开环或正反馈的状态。只要在两个输入端加一个很小的信号，运放就会进入非线性区，属于集成运放的非线性应用范围。在分析比较器时，虚断路原则仍成立，虚短及虚地等概念仅在判断临界情况时才适应。比较器分为：过零比较器；一般单限比较器；滞回比较器。本设计选择的是单限比较器，原理图如下

若Va>Vb, 则Uo=+Uom 若 Va

第三章设计电路图及方案介绍选择方案一：

系统模块：

（1）光强度伺服环路：

（2）电流电压变换：（3）积分器：

（4）比较器：

设计电路图

电路上图所示，该图主要由2个伺服环路组成，第一个环路包括IC1a，IC1b 和IC1c及外围电路其用途是提供一个较大的时间常数从而使透过被监视流体的光照比较稳定。第二个环路包括IC1d及外围电路，这个环路的时间常数较小，用于为透明度的突然变化设定一个检测门限。电路工作时发光二极管D1由光强度伺服环路驱动。由D1发出的光射到光敏三极管，当光强度突然发生变化时光敏三极管所接收到得光转变为与之成比例的电流，运算放大器IC1c 将此电流转变为电压输出，运算放大器IC1a连接为积分器形式，IC1c的输出电压经电阻R3 。送入积分器的反相输入端，电阻R1，R2用来设定门限值，积分器则将IC1c输出的与光电流成比例的电压与此门限相比较，输出到IC1d，经过比较电压值，驱动继电器工作，接通报警电路，产生报警

方案二：

系统模块：

电流电压变换：（2）比较器：

（1）

电路设计图：

此电路图中，经过LED发出的光被光敏三极管接收，当光线突然变暗时三极管9013集电极与发射极两端产生突变电压，经过与比较器限定的比较电压比较，当产生的电压大于比较打压时，比较器输出-Uom电压，蜂鸣器报警；当光线突然变强时，集电极与发射极两端电压突然变小，经过与比较器的比较电压相

比小于比较电压时比较器输出+Uom电压，二极管发光。

方案选择

方案一优点：

二极管发光强度便于精确控制，发光强度稳定，反相输入端的信号进行滤波，排除干扰噪声对比较器的影响。

方案二优点：

电路简单，同样能实现透明度报警的功能，只需要调节一个电位器就可以最后选择：

经过理论分析和实际焊接和调试，最后选择方案二，主要因为方案一电路复杂，实践过程中由于电路多处知识点模糊，以致模块与模块之间衔接不上，如：部分电路之间的外接电源问题，不明确具体的数值，导致电路无法实现功能。在加上电路实际过于复杂，需要用到5个芯片和两部分电路板，而导致在实际焊接中焊接容易发生错误，且焊接中易烧坏芯片，操作需要很小心，导致焊接也很复杂，检查电路是相应也不易的情况，出现了调试困难等诸多问题。

第四章重要原件及其介绍

光敏三极管3DU22：

光敏三极管一般在基极开放状态使用(外部导线有两条线的情形比较多)，而将电压施加至射极、集极之两个端子，以便将逆偏压施至集极

接合部。在此状态下，光线入射于基极之表面时，受到反偏压之基极、集电极间即有光电流(Iλ)流过，发射极接地之晶体管的情形也一样，电流以晶体管之电流放大率(hfe)被放大而成为流至外部端子之光电流(Ic)，如下图所示

3DU22资料

允许功耗50 mW

最高工作电压≥30U CEM/V

暗电流≤0.3ID/μA

光电流 1 ~ 2 mA

峰值响应波长0.88 μm

LM324芯片

L M3内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适合于电源电压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。

内部电路图

管脚排列图

参数

9013 三极管：

9013 是一种NPN 型硅小功率的三极管它是非常常见的晶体三极管，在收音机以及各种放大电路中经常看到它，应用范围很广,它是NPN 型小功率三极管，参数：

结构NPN；

集电极-发射极电压25V

集电极-基极电压45V

发射极-基极电压5V

集电极电流Ic Max 0.5A

耗散功率0.625W

工作温度-55℃~ +150℃

特征频率150MHz

放大倍数D64-91 E78-122 F96-135 G122-166 H144-220 I190-300

主要用途放大电路

第五章设计原理及参数计算

电路原理：

LED发出的光被光敏三极管接收，当光线突然变暗时三极管9013集电极与发射极两端产生突变电压，经过与比较器限定的比较电压比较，当产生的电压大于比较打压时，比较器输出-Uom电压，蜂鸣器报警；当光线突然变强时，集电极与发射极两端电压突然变小，经过与比较器的比较电压相比小于比较电压时比较器输出+Uom电压，二极管发光。

参数计算：

电路中R1阻值为510欧姆，以保护发光二极管；除了报警电路其余定值电阻均为1K欧姆，报警电路输入电压为正负30伏，需要使用的电压为4伏左右，故选用的两个电阻分别为26K欧姆，4K欧姆.这取4K欧姆电阻两端的电压。

第六章实验与调试及测试结果及其分析

在焊接过程中不熟悉相关的元器件，应查资料，避免导致焊接错误，如光敏三极管的两管脚焊接时要注意焊接错误。LM324注意先焊接底槽实验调试时在将芯片装上去。

将全部元件焊接上去并接通电源，将一万用表的红表笔接在三极管的集电极，另一万用表红表笔接在4K电阻的一段，其余黑表笔都接地，将万用表都调为电压档。将光敏三极管遮光或者不遮光后调节电路中唯一的电位器（电位器调节：如下表，当光敏三极管遮光时万用表一产生电压为5V,而不遮光是产生电压

为-30V左右，而在4K电阻两端的电压为-4V，则蜂鸣器报警，二极管不发光，电路不正常工作

在光敏三极管不遮光的情况下，电压比较器输出的电压为+30V

左右，在4K两端的电压为+4V，这二极管发光，蜂鸣器不报警，电路正常

第七章实验结论及其体会

经过十余天的奋战，终于完成了一个还算可以的设计———透明度报警器，这几天我过的很充实，是我大学生活里继两次实习后又一次最充实的生活，看着自己的劳动成果，心里有种说不出的感觉。毕竟自己的努力还算有所回报，我为自己的努力感到自豪，当然我也认识到了自己学习中的不足。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

在设计，焊接，调试该透明度报警器电路时，更加深刻的了解到了伺服环路，电流电压变换，积分电路，电压比较器的原理和用法。特别是了解伺服环路和光敏三极管的应用让我印象颇深使我有效的结合所学知识，把理论应用于实际。

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在老师的身上我学也到很多实用的知识，在次我们表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢

附表元件清单