光电检测技术课程设计 -庭院报警器电路设计.doc

东 北 石 油 大 学课 程 设 计课 程 光电检测技术课程设计 题 目 庭院报警电路设计 院 系 电子科学学院 专业班级 应物07-2班 学生姓名 学生学号 060901340212 指导教师 2011年 3 月 10 日东北石油大学课程设计任务书课程 光电检测技术题目 庭院报警电路设计专业 应用物理 姓名 学号060901340212主要内容：利用激光电筒光敏三极管及555专用集成电路，设计一庭院防盗报警电路。基本要求：（1）分析光敏三极管的原理与特性。（2）庭院防盗报警电路总体框图。（3）设计光电转换电路、控制电路。（4）对电路进行仿真研究。（5）完成课程设计总结报告。主要参考资料：1 肖景和编著，集成运算放大器应用精粹M.北京:人民邮电出版社,2006.11.2 陈振宫等编著，光电子电路制作实例M.北京:国防工业出版社 2006.4.3 黄继昌等编著，实用报警电路M.北京:人民邮电出版社, 2005.2,200.完成期限 指导教师 专业负责人 2010年3月10日目录第1章 概述11.1 庭院报警器的实用价值11.2 庭院报警器的前景1第2章 庭院报警器报警原理与总体设计22.1 光敏三极管的原理及特性22.2 给出整体框图22.3 主要工作器件3第3章 各部分电路设计43.1 光电转换电路设计43.2 驱动电路设计53.3 放大电路设计83.4 庭院防盗报警电路设计8第4章 安装与调试104.1 测试元器件104.2 搭建电路104.3 调试10第5章 结论11参考文献12第1章 概述1.1 庭院报警器报警的实用价值随着社会的不断进步,电子技术的不断发展,人们生活水平得到了很大的改善,许多高科技产品的使用越来越成为家庭生活的主旋律,因此人们对自己所处环境的安全需求就越来越高,特别是家居安全,不得不时刻留意不速之客的光顾.为此许多小区、家庭都安装了报警系统,这有效的保证了居民的人身财产安全.在本文中,介绍一种利用光敏三极管传感器进行安全检测监控,并进行报警的系统的设计.1.2 庭院报警器的前景目前,在市场上所能见到的防盗报警装置有多种多样,它们的控制原理也不尽相同。这里除了在基本电路上的差异外,主要表现在对不同传感器的使用上。传感器的种类繁多,性能和要求千差万别。其中光敏三极管传感器进行安全检测监控的庭院报警器，具有低成本,易普及, 高可靠性等突出优点,具有广泛的市场发展前景第2章 庭院报警器报警原理与总体设计2.1 光敏三热释极管的原理及特性光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。 晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种，从三个区引出相应的电极，分别为基极b发射极e和集电极c。发射区和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的PN结叫集电极。基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大，PNP型三极管发射区发射的是空穴，其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里；NPN型三极管发射区发射的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。发射极箭头向外。发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。 当光源照射到光敏三极管表面上，使光敏三极管产生集电极电流，该电流的大小与光照的强弱，亦即流过二极管的正向电流的大小成正比。2.2 给出整体框图该系统的设计思路如图2.2所示是否有人进入庭院.初始化报警是否 图2.2 系统设计思路图系统由人为启动,初始化时延迟一段时间,然后进入警戒状态,检测在规定范围内是否有人活动,如果发现有人通过则启动警铃报警。2.3 主要工作器件激光电筒唯昕vesine绿色激光电筒材质：硬质铝 外观表面处理：阳极氧化黑开关方式：轻触式开关波长：532nm； 启动时间3秒 工作电压：DC3.7V尺寸：148mm*22mm 光敏三极管3DU31参数名称符号单位测试条件最小值中间值最大值击穿电压V(Br)CEVIce=0.5uA30最高工作电压V(Rm)CEVIce=Id10暗电流IDUaV=V(Rm)CE0.0010.1光电流ILMaE=1000Lx V=10V1.5开关时间TrusRL=50 Vce=10V3Taus2Tfus3Tsus2峰值波长nm8800输出功率PoMw182025NE555集成电路特性 555集成电路开始是作定时器应用的，所以叫做555定时器或555时基电路。但后来经过开发，它除了作定时延时控制外，还可用于调光、调温、调压、调速等多种控制及计量检测。此外，还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路，用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制等。由于它工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被广泛用于各种电子产品中，555集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较器、基本R-S触发器、放电管以及缓冲器等，电路比较复杂，是模拟电路和数字电路的混合体。 第3章 各部分电路设计3.1 光电转换电路设计 如图3.1所示，光电转换采用光敏三极管构成。当光敏三极管受到光照时a、b极相当于短路，当光敏三极管被遮挡是a、b极相当于断路。这就有了高低电平的输出来控制后面的数字电路部分，实际上这部分是实现了把电信号转换为数字信号的功能。a激光电筒R1bVT13DURP2RP1R2图3.1光电转换电路电路图 3.2 驱动电路设计 驱动电路如图3.2.2所示。555时基电路的工作过程如图3.2.1所示：当2脚，即比较器A2的反相输入端加进电位低于VDD的触发信号时，则VT9、VTll导通，给双稳态触发器中的VTl4提供一偏流，使VTl4饱和导通，它的饱和压降Vces箝制VTl5的基极处于低电平，使VTl5截止，VTl7饱和，从而使VTl8截止，VTl9导通，VT20完全饱和导通，VT21截止。因此，输出端3脚输出高电平。此时，不管6端(阈值电压)为何种电平，由于双稳态触发器(VTl4-VTl7)中的47k电阻的正反馈作用(VTl5的基极电流是通过该电阻提供的)，3脚输出高电平状态一直保持到6脚出现高于VDD的电平为止。当触发信号消失后，即比较器A2反相输入端2脚的电位高于VDD，则VT9、VTll截止，VTl4因无偏流而截止，此时若6脚无触发输入，则VTl7的Vces饱和压降通过4.7k电阻维持VTl3截止，使VTl7饱和稳态不变，故输出端3脚仍维持高电平。同时，VTl8的截止使VT6也截止。当触发信号加到6脚时，且电位高于VDD时，则VTl、VT2、VT3皆导通。此时，若2脚无外加触发信号使VT9、VTl4截止，则VT3的集电极电流供给VTl5偏流，使该级饱和导通，导致VTl7截止，进而VTl8导通，VTl9、VT2。都截止，VT21饱和导通，故3脚输出低电平。当6脚的触发信号消失后，即该脚电位降至低于VDD时，则VTl、VT2、VT3皆截止，使VTl5得不到偏流。此时，若2脚仍无触发信号，则VTl5通过4.7k电阻得到偏流，使VTl5维持饱和导通，VTl7截止的稳态，使3脚输出端维持在低电平状态。同时，VTl8的导通，使放电级VT6饱和导通。通过上面两种状态的分析，可以发现：只要2脚的电位低于VDD，即有触发信号加入时，必使输出端3脚为高电平；而当6脚的电位高于VDD时，即有触发信号加进时，且同时2脚的电位高于VDD时，才能使输出端3脚有低电平输出。4脚为复位端。当在该脚加有触发信号，即其电位低于导通的饱和压降0.3V时，VT8导通，其发射极电位低于lV，因有D3接入，VTl7为截止状态，VTl8、VT21饱和导通，输出端3脚为低电平。此时，不管2脚、6脚为何电位，均不能改变这种状态。因VT8的发射极通过D3及VTl7的发射极到地，故VT8的发射极电位任何情况下不会比1.4V电压高。因此，当复位端4脚电位高于1.4V时，VT8处于反偏状态而不起作用，也就是说，此时输出端3脚的电平只取决于2脚、6脚的电位。 根据上面的分析，CA555时基电路的内部等效电路可简化为如图所示的等效功能电路。显然，555电路(或者专556电路)内含两个比较器A1和A2、一个触发器、一个驱动器和一个放电晶体管。两个比较器分别被电阻R1、R2和R3构成的分压器设定的VDD和VDD。参考电压所限定。为进一步理解其电路功能，并灵活应用555集成块，下面简要说明其作用机理。从图15可见，三个5k电阻组成的分压器，使内部的两个比较器构成一个电平触发器，上触发电平为VDD，下触发电平为VDD。在5脚控制端外接一个参考电源Vc，可以改变上、下触发电平值。比较器Al的输出同或非门l的输入端相接，比较器A2的输出端接到或非门2的输入端。由于由两个或非门组成的RS触发器必须用负极极性信号触发，因此，加到比较器Al同相端6脚的触发信号，只有当电位高于反相端5脚的电位时，RS触发器才翻转；而加到比较器A2反相端2脚的触发信号，只有当电位低于A2同相端的电位VDD时，RS触发器才翻转。84R6+-5RR+S3+72-R1 图3.2.1 CA555时基电路等效电路图8463IC1 555R3251图3.2.2驱动电路图3.3 放大电路设计 “放大”的本质是实现能量的控制，即能量的转换：用能量比较小的输入信号来控制另一个能源，使输出端的负载上得到能量比较大的信号。放大的对象是变化量，放大的前提是传输不失真。庭院防盗报警器放大电路如图3.3所示。K1SVD1VT290136VK1-1图3.3放大电路图 3.4 庭院防盗报警电路设庭院防盗报警器的电路如图2所示。激光电筒与光敏三极管VT1形成一条防盗警戒线，它可以设置在庭院内盗贼容易入侵的地方。平时，激光电筒发出的激光被光敏三极管VT1接收，555时基电路IC1的阈值端6脚和触发端2脚的电位可达4V以上。于是IC1的3脚输出低电平，VT2截止，继电器K1不工作，电路误报警发出。当有盗贼入侵穿越警戒线时，激光被遮挡切断，此时光敏三极管VT1因无光照而截止，IC1的2、6脚变为低电平，其3脚输出高电平，使VT2导通，继电器K1得电工作，其触点K1-1闭合，使继电器K1自锁，触点K1-2也闭合，使电铃B得电发出报警声。K1-2B220V8激光电筒4R1K163IC1 555R3VD1S2VT13DUVT2901351RP26VK1-1RP1R2图2庭院防盗报警器电路图 第4章 安装与调试4.1 测试元器件进过使用万用表及相关仪器测试，所购买元器件均合格。激光电筒，合格。光敏三极管，合格555专用集成电路，合格其他外部元器件，合格4.2 搭建电路按照设计电路图进行正确电路搭建。准备焊接:清洁被焊元件处的积尘及油污,再将被焊元器件周围的元器件左右掰一掰,让电烙铁头可以触到被焊元器件的焊锡处,以免烙铁头伸向焊接处时烫坏其他元器件。焊接新的元器件时,应对元器件的引线镀锡。加热焊接:将沾有少许焊锡和松香的电烙铁头接触被焊元器件约几秒钟。若是要拆下印刷板上的元器件,则待烙铁头加热后,用手或银子轻轻拉动元器件,看是否可以取下。清理焊接面:若所焊部位焊锡过多,可将烙铁头上的焊锡甩掉(注意不要烫伤皮肤,也不要甩到印刷电路板上!),用光烙锡头沾些焊锡出来。若焊点焊锡过少、不圆滑时,可以用电烙铁头蘸些焊锡对焊点进行补焊。检查焊点:看焊点是否圆润、光亮、牢固,是否有与周围元器件连焊的现象。4.3 调试 调试是本课程最后一步工作，也是设计成败的关键。按照电路图进行电路连接，在电路连线时，一定要十分仔细，为减少连线对电路的干扰，连线要尽量减少交叉，在进行通电调试之前，要对电路进行反复彻底检查，以免电路连接错误而导致器件或试验设备的损坏。第5章 结论经过为期一周的闪光报警电路的设计过程，查阅资料、小组讨论，课程设计基本取得成功，已经达到预期的报警要求。本设计的优点主要在于它具有体积小重量轻、功耗低、工作可靠等优点，在焊接过程中由于焊点焊锡过少、不圆滑时,导致部分电路无法发挥其作用，后经排查原因，找出错误焊后来用电烙铁头蘸些焊锡对焊点进行补焊。经重新调试，最终使报警器达到预期要求。通过这次课程设计,我学到了很多书本上没有的实际的知识,熟悉了一些元器件、芯片在工程中的灵活运用。在设计及制作过程中，遇到过一些困难。通过上网和去图书馆查资料解决之。并且在网上搜集到了一些元器件及电路的相关资料对以后的学习及工作是很有帮助的。最重要的是我学会了自学的方法，这将使我今后离开学校，踏上社会是相当有帮助的。其次是进一步熟练地掌握和运用了相关的专业软件，提高了我们自身的专业素质。这也是我们工科学生所必须掌握的基础技能。同时也深深的体会到，我们书本上所学的知识和实际的东西相差甚远，我们所不懂的知识还有很多，因此今后我们要更加注重实际方面的锻炼和运用。参考文献1 肖景和编著，集成运算放大器应用精粹M.北京:人民邮电出版社,2006.11.2 陈振宫等编著，光电子电路制作实例M.北京:国防工业出版社 2006.4.3 黄继昌等编著，实用报警电路M.北京:人民邮电出版社, 2005.2,200.12东北石油大学课程设计成绩评价表课程名称光电检测技术题目名称庭院报警电路设计学生姓名苍明宇学号060901340212指导教师姓名职称序号评价项目指 标满分评分1工作量、工作态度和出勤率按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。202课程设计质量课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。453创新工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应用价值。54答辩能正确回答指导教师所提出的问题。30总分评语：指导教师： 年 月 日