光电课程设计报告--无接触式液面位置探测器的设计

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1、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

2、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

3、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

4、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LM3391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

5、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

6、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2LM339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3NE555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

7、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

8、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