光电课程设计报告--无接触式液面位置探测器的设计

3、

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。

4、

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：，又知道饱和压降=0.3V。得出。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100KΩ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。

：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。

5、

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。

6、

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；

对于第一个光敏三极管有=；

对于第二个光敏三极管，理想情况下有；实际计算有

；

。

7、

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。

8、

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