传感器技术课程设计论文.doc

吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第1章 前言1.1设计目的 传感器课程设计是传感器技术课程的一个重要的实践性教学环节，其目的在于：进一步巩固和加深学生所学的理论知识；培养学生运用理论知识独立解决有关本课程实际问题的能力，使学生对传感器的工作原理、设计理论和应用有较完整、系统的概念；使学生掌握传感器的选用原则、总体电路设计及元器件的选择的方法；进一步提高学生的绘图、计算和使用技术资料的能力。1.2 设计任务 1、设计制作一个光控开关电路； 2、用光敏二极管作为感光元件； 3、通过电位器调节感光灵敏度； 4、当光线低于设定值时，输出继电器动作，LED灯亮。1.3 设计要求 1、要求每个学生独立完成设计任务。 2、学会查阅技术手册和文献资料。 3、在实验室条件下，按照设计要求，完成电路制作实物进行调试试验，获得实验数据，验证设计有效性；第2章 总体设计方案2.1 原理框图LED发光二极管开关控制电路电源变换电路开关电路图2-1总体原理框图2.2总体电路图图2-2总体电路图2.3电路设计思路 整个电路由电源电路，光控电路等部分组成。电源由+10V电池供电，光控电路对外界光亮程度进行检测，输出与光亮程度相对应的电压信号。光控开关电路主要通过改变光敏二极管的正向与反向输入电压的不同，从而使光敏二极管的输出端输出稳定的高电平或低电平，继而使三极管导通或截止来控制继电器的闭合与断开。第3章 各部分设计原理3.1 电源变换电路图3-1电源变换电路整体图市电经过变压器耦合进行降压，然后通过一个由二极管组成的整流桥进行整流。二极管整流的原理是：如上图，当变压器副边输出在正半周时，电流分别经过D1，R1，D4回到变压器；当变压器副边输出在负半周时，电流分别经过D3，R1，D2回到变压器。这样，不管是在正半周还是负半周，始终有电流流过D2，而且方向不变。这叫做全波整流。通过如上处理，交流输入可以相当于一个稳定的直流输出，这给后面的控制部分提供了稳定的直流电压。3.2 开关电路 这部分就是一个双向晶闸管。首先介绍一下该器件。它是由2个反向并联的晶闸管构成。图3-2晶闸管原理图 图a)是器组成图。它是由P，N型材料如图叠在一起构成的。中间抽出一个引线作为控制电极G。当G上不加电压是，不管A，K之间为何种电压，总有PN结处于反偏，器件不导通；但是但AK间加上正向电压后，若GK间也加上正向电压，则下面的结导通。图b)是其等效图。这是VT2基极有电流Ib ，其发射极的电流为Ie，而VT2的集电极又是VT1的基极，那么VT1的发射极电流将为Ie，VT1的集电极极又是VT2的基极，如此循环下去，电流会在正反馈的作用下很快放大，是管子处于导通状态。这个过程叫做触发式导通。双向晶闸管是由2个反向并联的晶闸管构成，工作原理与上面相似，但是它在AK间的电压为正负极性时，只要G有触发电压，都可以导通。所以，在交流供电时也可以使用。当电压超过2V后双向晶闸管开始导通。一旦导通，其电阻比较小。3.3光控电路 工作原理：在黑暗状态下光敏电阻呈高阻态，电路在光敏电阻形成高电平。当足够的光照在光敏电阻上时，使其电阻值降低很低，既光敏电阻两边的电压就很小，既不能形成高电平，使电路不能工作灯不亮。 光敏三极管的工作原理和结构如下图所示，具有两个PN结。当光照射在基极-集电结上时，就会在集电结附近产生电子-空穴对，从而形成基极光电流。集电极电流是基极光电流的b倍。这一过程与普通三极管放大基极电流的作用很相似。所以光敏三极管放大了基极电流，它的灵敏图比光敏二极管高出许多。白天光照时，光敏三极管有较大电流通过，通过调节电位器使其开关电压小不导通，继电器失电，不动作。天黑后，光敏三极管几乎没电流通过电位器分压。使继电器得电吸合，其敞开触电闭合，路灯亮。图3-3光敏三极管3.4 继电器工作原理 继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。当输入量(如电压、电流)达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器。具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。1、电路符号继电器线圈在电路中用一个长方框符号表示，如果继电器有两个线圈，就画两个并列的长方框。同时在长方框内或长方框旁标上继电器的文字符号“J”。继电器的触点有两种表示方法：一种是把它们直接画在长方框一侧，这种表示法较为直观。另一种是按照电路连接的需要，把各个触点分别画到各自的控制电路中，通常在同一继电器的触点与线圈旁分别标注上相同的文字符号，并将触点组编上号码，以示区别。2、触点形式继电器的触点有三种基本形式：1.动合型（H型）线圈不通电时两触点是断开的，通电后，两个触点就闭合。以合字的拼音字头“H”表示。2.动断型（D型）线圈不通电时两触点是闭合的，通电后两个触点就断开。用断字的拼音字头“D”表示。3.转换型（Z型）这是触点组型。这种触点组共有三个触点，即中间是动触点，上下各一个静触点。线圈不通电时，动触点和其中一个静触点断开和另一个闭合，线圈通电后，动触点就移动，使原来断开的成闭合，原来闭合的成断开状态，达到转换的目的。这样的触点组称为转换触点。用“转”字的拼音字头“z”表示。3.4 LED发光二极管 LED是发光二极管( Light Emitting Diode, LED)的简称，也被称作发光二极管，这种半导体组件一般是作为指示灯、显示板，它不但能够高效率地直三丰光电接将电能转化为光能，而且拥有最长达数万小时10 万小时的使用寿命，同时具备不若传统灯泡易碎，并能省电等优点。发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。 发光二极管的反向击穿电压约5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。限流电阻R可用下式计算：R（EUF）IF式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的一般工作电流。发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应按电源正极。有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。把它的管心做成条状，用7条条状的发光管组成7段式半导体数码管，每个数码管可显示09十个数目字。LED（发光二极管）是利用化合物材料制成pn结的光电器件。它具备pn结结型器件的电学特性：I-V特性、C-V特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。 第4章 元器件的组装焊接及调试4.1 元器件的组装 在元器件的组装过程中要分清楚各个电阻的阻值大小，整流二极管的组装方向，以及光控芯片的安装方向要安装正确，光敏二极管和LED灯的安装要分清楚正负极。 4.2 元器件的焊接 1.功率不大的电阻、二极管等两脚元件，尽量平卧插入印刷板上后焊接，空间面积不够时，才竖起插入印刷板后焊接；2.电容尽量插到底后焊接；3.三极管、可按硅等三脚元件也尽量插到底后焊接；4.本电路中光敏电阻及驻极体话筒的脚插入印刷板的深度要视安装情况确定，不能任意剪短脚的长短；5.集成块插到底后再焊接。6.在焊接元器件的时候要注意不要产生虚焊，由于某些元器件的焊盘之间的距离过小，在焊接的过程中要小心焊接不能让两个焊盘连接产生短。4.3元器件的调试电子元器件的焊接是一个精密的操作，必须细心又细心，不容有一丝的失误。在实际操作中，最容易出现的一种违反操作步骤的做法就是烙铁头不是先与被焊件接触，而是先与焊锡丝接触，熔化的焊锡滴落在尚末预热的被焊部位，这样很容易产生焊点虚焊，所以烙铁头必须与被焊件接触，对被焊件进行预热是防止产生虚焊的重要手段。通过老师的细心教导，我知道了不标准锡点的判定主要有几点要注意从而避免的地方。虚焊，看似焊住其实没有焊住，主要有焊盘和引脚脏污或助焊剂和加热时间不够。短路，有脚零件在脚与脚之间被多余的焊锡所连接短路。偏位，由于器件在焊前定位不准，或在焊接时造成失误导致引脚不在规定的焊盘区域内。少锡是指锡点太薄，不能将零件铜皮充分覆盖，影响连接固定作用。多锡，零件脚完全被锡覆盖，及形成外弧形，使零件外形及焊盘位不能见到,不能确定零件及焊盘是否上锡良好。极性反向，极性方位正确性与加工要求不一致，即为极性错误。缺件，应放置零件的位置，因不正常的原因而产生空缺。锡球、锡渣，PCB板表面附着多余的焊锡球、锡渣，会导致细小管脚短路等等。经历过多次的焊接，本以为可以轻车熟路的完成设计任务，但却因为粗心大意而出错了。在当时，为了方便而没有去按照规定去操作，将电烙铁随意的放在桌子上，导致自己不小心被烫伤，严重的影响了后续的课程设计工作安排。这一次的教训深深地将我警醒：永远都不要因为感觉自己的熟练就松懈。学术上的问题，不管是理论还是实践，都不是一个小问题，都要认真努力去对待。4.4 问题及解惑因对焊接知识了解很少，别且焊接技术有限，主要问题出在焊接电路的时候.最初连完电路在测试过程中,发光二极管没有任何反应，再把电路重新检查一遍后发觉有焊点焊的很松造成了接触不良。光敏电阻的选择方面也出现了问题。起初的光敏电阻灵敏度有限，导致发光二极管并不能在正常光下熄灭，而是只有再强光照射时才熄灭。后更换了一个灵敏度较高的热敏电阻，这个问题得以解决，使二极管在正常光线下可以熄灭。总 结这次的课程设计让我真的很难忘，经过两周的努力，终于顺利完成了课程设计。开始做课程设计不知道从何入手，对课程设计很不了解，困难很多，经过查阅资料，和同学讨论，终于了解了许多。在做课程设计的过程中，我学会了很多。同时对传感器这门课的知识又弄懂了不少，增加了对传感器这门课程的学习兴趣。课程设计是每个大学生必须面临的一项综合素质的考验，如果说在我们的学习阶段是一个知识的积累过程，那么现在的课程设计就是对过去所学的知识的综合应用，是对理论进行深化和重新认识的实践活动。在这期间，我们有艰辛的付出，当然也有丰收的喜悦。首先，学习能力和解决问题的信心都得到了提高。通过这次课程设计，我不仅对理论有了更深一步的认识，还培养了自学能力和解决问题的能力，更重要的是，培养了克服困难的勇气和信心。其次，培养自己团队合作的精神。致 谢在整个设计过程中，老师给了我们很大的帮助，从选题到写报告她都悉心的给我们讲解，在我们遇到困难的时候，总是孜孜不倦的为我们解惑。老师认真负责的态度，踏实敬业的工作精神，将使我终身受益。 在此次的课程设计中除了感谢老师给我们的帮助，给我最大帮助的就是我的同学们了，在此期间，同学们互相的解答彼此的疑惑。感谢一路走来，总是有他们的帮助。如果没有他们无私的帮助与指导，我想我就不会那么快的得到实验结果。从课程设计我学到的不仅仅是知识，还懂得了要完成一件事，有的时候只靠自己独自一人是无法快速高效的完成的，甚至有可能一直都不能够完成。三个臭皮匠能顶一个诸葛亮，团队合作是一种很好的方式，它可以弥补个人之间的不足，大众的智慧才是真正的智慧。这在我今后的学习和工作中减少凡错误的可能，凡是得多听听别人的意见。最后，感谢我的老师及同学们在我遇到难题的时候帮助我渡过难关，在他们的帮助下我完成了这次课程设计，对此，我表示深深的感谢。 参考文献 1 童诗白.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2005. 2 秦长海，张天鹏，翟亚芳.数字电子技术M.北京：北京大学出版社，2012. 3 邱关源，罗先觉.电路（第五版）M.北京：高等教育出版社，2006. 4 阎石.数字电子技术（第五