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、一、前言前言 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，并能正确选用；掌握一些常用芯片（电压比较器

2、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、二、相关摘要及关键词相关摘要及关键词 1、摘要：、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：关键词：光敏三极管、探测器、LM339、555 定时器 三、三、设计方案设计方案 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

3、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

4、 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

5、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

6、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 RS 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、四、理论计算理论计算 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