传感器 光暗指示灯.doc

河北科技大学课程设计报告学生姓名： 韩拓 学 号：100701106专业班级： 信息学院电信101班 课程名称： 传感器课程设计 学年学期： 2 012 2 013 学年第 1 学期 指导教师： 陈书旺 2012年 11 月课程设计成绩评定表学生姓名韩拓学 号100701106成绩专业班级电信101班起止时间2012.11.31-2012.12.7设计题目 光暗提示灯指导教师评语指导教师： 年 月 日目录一、 设计要求-1二、 设计目的-1三、 总体电路原理设计-1四、 单元电路设计-1五、 元器件的选择-2六、 参数计算-9七、元件明细单-10八、总体工作电路-11九、安装与调试-12十、收获与体会-12 附录-14 设计题目：光暗提示灯一.设计要求1.利用光敏电阻的特性制作闪烁指示灯；2.当光线暗时，指示灯闪烁；3.采用6V供电。二.设计目的 每当光线暗时，它就会像黑暗中的小精灵一样指明方向，还可以用于礼品盒，迷你小夜灯及各种光控玩具。三.总体电路原理及框图LED指示光敏电阻分压电路电压比较振荡电路图1总体方案框图 光暗指示灯的方案框图如图1所示。电路由分压电路、电压比较电路、振荡电路和LED指示电路四部分组成。其中电压比较电路根据前面的分压结果输出高低电平，当输出高电平时555开始振荡使发光二极管发出闪烁光，达到指示效果。四.单元电路设计设计时须对整个系统进行全面综合考虑。以完成课题功能要求为前提，尽量使电路简单清晰。(1)电源部分：为了驱动比较器，电源电压设置6V。(2)分压电路：为了便于分压比较，另外三个分压电阻均设为与光敏电阻的亮阻相同的值。(3)比较电路：为了符合设计思维，光暗的时候光敏电阻阻值增大则分压增大，所以光敏电阻分压路接比较器的正输入端使之输出高电平从而使555振荡电路工作。(4)振荡电路：通过555定时器构成多谐振荡器产生的矩形脉冲来控制发光二极管。图b给出了输出端及电容器C上电压的波形。 (5)仿真时用滑动变阻器代替光敏电阻进行调节。(6)指示电路：用NE555组成振荡器来驱动发光管时，在放光管上串联了一个限流电阻，使得输出电流小于或等于发光管的最大正向电流，以免发光管烧坏。五.元器件简介1、光敏电阻光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。光敏电阻属半导体光敏器件，除具灵敏度高，反应速度快，光谱特性及r值一致性好等特点外，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，光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，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复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，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，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。 通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子空穴对，参与导电，使电路中电流增强。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。一般光敏电阻器结构如下图所示：光敏结构图光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成。光敏电阻器在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示 光敏电阻的主要参数是： （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。 2、LM324四运算放大器LM324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。 LM324的封装形式为塑封14引线双列直插式。特点 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(332V)； 双电源(1.516V) 低功耗电流，适合于电池供电 低输入偏流 低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至VCC-1.5V) 3、发光二级管 发光二极管简称LED，采用砷化镓、镓铝砷、和磷化镓等材料制成，其内部结构为一个PN结，具有单向导电性。当在发光二极管PN结上加正向电压时，PN结势垒降低，载流子的扩散运动大于漂移运动，致使P区的空穴注入到N区，N区的电子注入到P区，这样相互注入的空穴与电子相遇后会产生复合，复合时产生的能量大部分以光的形式出现，因此而发光。发光二极管在制作时，使用的材料有所不同，那么就可以发出不同颜色的光。4、NE555555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。4.1 555定时器的电路结构及其功能下图所示为双极型5G555定时器的逻辑图。它的电压比较器C1和C2(包括电阻分压器)、G1和G2组成的基本RS触发器、集电极开路的放电管V和输出缓冲级G3三部分组成。C1和C2为两个电压比较器，当CO端悬空时，他们的基准电压为VCC经3个5k的电阻分压后提供。UR1=2/3VCC为比较器C1的基准电压，TH（阈值输入端）为其输入端。UR2=1/3VCC为比较器C2的基准电压，TR（触发输入端）为其输入端。CO为控制端，当外接固定电压UCO时，则UR1=UC0、UR2=1/2UCO。RD 为直接置0端，只要RD =0，输出u0便为低电平，正常工作时，RD 端必须为高电平。它的各个引脚功能如下：1脚：GND(或VCC)源负端VSS或接地，一般情况下接地。2脚：TR低触发端。 3脚：OUT（或Vo）输出端。4脚：R是直接清零端。当R端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。 5脚：CO(或VC)为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。6脚：TH高触发端。 7脚：D放电端。4.2 555定时器的应用分类NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率的脉波讯号。 NE555的特点有： 1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。 2.它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑闸配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。 3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。 4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。六.参数计算(1)根据光敏电阻的阻值：亮阻约600欧姆，暗阻约1.1K欧姆，选择三个700欧姆的电阻与其构成分压电路。(2)闪烁频率由555构成的多谐振荡器的振荡周期即为发光二极管的闪烁周期，计算公式为： T=0.69（R1+2R2）C =0.69（10*103+2*2*103）*100*10-6 =1s七.元件明细表光暗指示灯元件明细表名称规格数量光敏电阻亮600，暗1.1K1比较器LM3241定时器NE5551电阻7003电阻11K1电阻2K1电容0.01uF1电容100uF1发光二极管LED-RED1八总体工作电路 总原理图如上图所示。该电路可以在光线变暗的情况下发出闪烁的指示光。当加上电源后，电容C2经外接电阻R4与R5由Vcc充电，电容器C2两端电压一直上升到2/3Vcc(第六脚之临界电压)，于是触发555的第三脚的输出为低电平0。此外，集成电路内部放电管被驱动而导通，使得第七脚接地，将电容C2上的电荷经电阻R4放电，电容器的电压就开始下降，直到它降到触发端1/3Vcc，正反器再次被触发，使第三脚输出回到高电平1，且放电管截止，于是电容器C2再次经由电阻R5及R4充电，重复这些动作就会产生振荡。 充电路径：由Vcc出发，经由R5及R4至电容器C2。 放电路径：由电容器C2出发，经由R4至NE555之第七脚。频率f=1.44/(R5+2R4)C2555输出的信号经过 R6限流后，驱动二极管发出闪烁光。九安装与调试操作步骤：1、配齐元件和其他附件，并对元件进行检测。 2、根据电路图合理安排元件安装位置和走线。 3、安装元件，检查无误后下焊。 4、按图接线。调试：当用手或用其他不透光物体遮挡光敏电阻，二极管发出闪烁的红光，即达到了设计要求。如果没有出现预期的效果，那就要回过头仔细检查错误。一直到达到设计要求为止。十收获与体会 课程设计就这样匆匆过去了，我们收获的是知识，收藏的是记忆，这次课程设计遇到的困难可能不及我们人生道路上所会遇到困难的万分之一，因此把这些挫折积攒起来将会终身受用，继续努力攀过眼前的一座座高峰，这次课程设计也是锦囊中的一个值得珍惜的回忆！ 回想课程设计的学习，我已经能自己制作一个简易的闪烁指示灯电路，这其中的兴奋是无法用言语表达的。为了做好这次课程设计，我在网上搜索了课程设计的相关内容，也到学校图书馆借相关书籍，经过不断比较，最终敲定了设计有关光敏电阻的闪烁指示灯电路。我认为设计此装置可以让我们在黑暗中寻求光明，可用于夜灯和各种光控玩具，设计简单而实用性强。传感技术是一门综合性的课程知识，想做好这次课设，必须要有较好的理论知识，例如：电路，模电，还有画图时，也要用软件画图Protel仿真软件的使用。只有熟悉了这些们课程才能真正的完成这次课设。从最初的找材料、分析设计、仿真、购买元器件、焊接调试到最终的验收，一套完整的程序做下来，我深刻体会到了做电子器件的不易，也加深理解了电子电路的原理。整个设计实现了从单一的理论学习到解决实际问题的转变。通过本次的课程设计，我最大的收获就是提高了自身的动手能力，培养了我的寻求解决问题的能力，也增强了我其它方面的能力。在设计中，我充分应用所学的知识，例如，光敏电阻的特性、比较器LM324、发光二极管、定时器555等元件的应用。这次实践使我受益匪浅，在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增强了我的实际操作能力。在让我体会到设计电路艰辛的同时，更让我体会到了成功的喜悦和快乐。通过此次电路设计，加深了对课本知识的认识理解，对电路设计方法和实际电路连接也有了一定的初步认识。通过此次课程设计，收获如下： 1.在本次课程设计中，我对光敏电阻、LM324、NE555等元件加深了了解，和巩固了对它们的使用，对于传感器电路的运用有了更深一步理解，为以后的电路分析和设计奠定了一定的基础。2.提高实践动手能力。大学中许多的时间都是在学习理论知识，很少参与实践中去，课程设计给我们提供了一个宝贵的机会，理论用于实践，从设计，仿真，安装调试，每一步的进行，都会带来受益非浅的实际操作训练，许多的实践经验是我们在课本上学不到的，必须经过这样严格的自己动手，才会从中体会出设计成果的喜悦。理论知识总是要用于实践中才得以升华，我们应该更多的参与实践，以增强我们对电子专业的兴趣