模电课程设计.doc

郑州科技学院模拟电子技术课程设计 题 目 光敏报警器 学生姓名 某某 某 专业班级 电气工程及其自动化1班 学 号 院 （系） 电气工程学院 指导教师 完成时间 2015年 6 月 5 日 目 录摘 要11 课程设计的目的22 课程设计的任务与要求22.1 课程设计的任务22.2课程设计的要求23 设计方案与论证23.1设计方案23.2 方案论证34 设计原理及功能说明44.1电路工作原理44.2功能说明55 单元电路的设计55.1 光敏二极管55.2 继电器65.3 报警器76 硬件的制作与调试86.1硬件电路的制作86.2 硬件电路的调试97 总结10参考文献12附录1 总体电路原理图13附录2 实物图14附录3 元器件清单15摘 要报警器的应用非常广泛。在汽车、摩托车报警器，仓库大门，以及家庭保安系统中，几乎无一例外地使用了报警器电路。随着社会科学技术的迅速发展，人们对报警器的性能提出了越来越高的要求。传统的报警器通常采用触摸式、开关报警器等。这类报警器具有性能稳定、实用性强等特点，但是也具有应用范围窄等缺点。而且安全性能也不是很好。光电报警就很好的改善了这点。如今，光电报警器已经广泛应用到工农业生产、自动化仪表、医疗电子设备等领域本实验的设计借助于模拟电路和数字逻辑电路，采用模块化的设计思想，使设计变得简单、方便、灵活性强。电路简单容易实现，工作稳定，因此得到了广泛的应用。与传统的报警器相比较，光电报警器可应用的范围更加地广泛,它可应用于传统报警器不能应用的范围，如防盗报警、火灾探测、煤气泄露报警、交流电流越限报警、玻璃破碎探测等。由于盗窃率的不断提高，故设计了一个用于防盗光敏报警器，但它有一些缺点，本文接下来先介绍这种用于防盗的光电报警电路及系统。1 课程设计的目的根据所学内容设计电路，将理论和实践相结合，更加熟练地理解和掌握三极管的工作原理，通过独立地设计设计出比较复杂的电子线路，并且经过调试和仿真，初步掌握电子线路单元的分析和设计方法。巩固学习知识，提高动手能力和创造能力，为今后的工作和学习奠定坚实的基础。2 课程设计的任务与要求2.1 课程设计的任务根据所学知识，将光敏二极管、三极管、继电器、蜂鸣器，设计成为一个光敏报警器。2.2课程设计的要求（1）采用光路控制结构，设计光敏报警器。（2）当光敏二极管被遮挡时，电路处于断路状态，无电流，蜂鸣器不响；当光敏二极管受到一定强度的光照时，电路导通，有电流，蜂鸣器报警。（3）设计结束后，进行仿真调试。（4）不断检测设计和实践相差情况。（5）得出系统整机电路图。（6）完成课程实验报告。3 设计方案与论证3.1设计方案本课程设计就是用继电器、三极管、二极管和光敏二极管组成防盗电路。继电器和光敏二极管组成一类似开关作用的装置，再通过蜂鸣器来发出警告。电路又包括：光照采集电路，放大电路和报警电路。原理框图如下：信号转换电路报警电路光敏电阻图3-1 原理框图3.2 方案论证（1）光照强度的信号采集部分采用光敏电阻作为信号采集器件。光敏电阻是基于光电导效应的一种光电器件，无光照时,光敏电阻值（暗电阻）很大,电路中电流（暗电流）很小；当受到光照时，半导体材料电导率增加，电阻减小。其阻值随光照增强而减小。光敏电阻作为光电式传感器的一种，它具有灵敏度高、光谱响应范围宽；体积小、重量轻、机械强度高、耐冲击、耐震动、抗过载能力强和寿命长等特点。所以选择光敏电阻采集光照信号，并把不同的光照强度转化为不同的电阻值。把光敏电阻串联在直流电路中即可把不同的电阻值转化为不同的电压值，电路如原理图所示。于是，就把对光照信号的处理转化为对电压信号V的处理。（2）信号处理部分当没有光照射光敏二极管时，光敏二极管电阻很大，相当于开关断开。此时三极管不工作，无电流通过，所以继电器不工作，蜂鸣器不响；当有光照射光敏二极管时，光敏二极管电阻迅速变小，相当于开关导通，此时三极管工作，继电器回路导通工作，蜂鸣器导通开始蜂鸣报警。（3）报警器部分采用有源蜂鸣器作为报警器件。电路连接如原理图所示，三极管在某种程度上可以作为开关使用，所以用两个NPN型BJT三极管的导通来控制报警电路的导通，一个作为光控开关，另一个作为继电器开关。这样光强就可以控制报警器了。设计方案采用了当光照较强时报警。工作过程分析如下：当光照较强时，三极管被导通，报警电路被导通，蜂鸣器报警。4 设计原理及功能说明4.1电路工作原理蜂鸣报警器继电器光敏二极管信号转换器图4-1 电路的工作原理图光敏报警器是利用基于光电效应的传感器（即光电传感器）。光电传感器在受到可见光照射后即产生光电效应，将光信号转换成电信号输出。利用它能测量光线的遮挡，组成报警电路。将报警器连接在需要报警的器物之下，使其初始状态下没有光进入。电路图中用开关代替光敏二极管。当没有光照射光敏二极管时，相当于开关断开。此时无电流通过继电器，所以继电器不工作，蜂鸣器不响。当有光照射光敏二极管时，相当于开关导通，有电流通过继电器，继电器回路导通工作，蜂鸣器导通开始蜂鸣报警。4.2功能说明报警器是一个需要电路导通时工作，不需要电路导通时不工作的一类器件,其中控制媒介为光线。这个光敏报警器就是当光敏二极管接受一定强度的光照时，光敏二极管的电阻变小，经过信号转换电路，将光信号转换成为电信号，进而控制继电器的开关是闭合。当继电器开关处于闭合状态时，蜂鸣器开始报警。5 单元电路的设计5.1 光敏二极管图5-1 光敏二极管原理图（1）光电流、亮电阻。光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。（2）暗电流、暗电阻。光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。（3）灵敏度。灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。( 4 ) 在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。（5）光敏电阻的光谱特性光谱特性与光敏电阻的材料有关。硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。（6）光敏电阻的伏安特性在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。（7）当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏，电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。5.2 继电器图5-2 继电器原理图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。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”。5.3 报警器图5-3 蜂鸣器工作原理（1）压电式蜂鸣器 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.5-15V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.5-2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。（2）电磁式蜂鸣器 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。6 硬件的制作与调试6.1硬件电路的制作（1）准备所需要的电子元件：电路板、光敏二极管、三极管、电阻、继电器、蜂鸣器、若干导线等；（2）将电子元件按照原理图安放在电路板上；（3）将零件焊接在电路板上，焊接时应注意不要焊接有虚焊点，这样的话在电路调试过程中很难找出错误的地方，很有可能导致无法成功调试处作品来。熔焊：将焊件接头加热至熔化状态，不加压完成焊接的方法。在加热的条件下增强了金属的原子动能，促进原子间的相互扩散，当被焊金属加热至溶化状态形成液体熔池时，原子之间可以充分扩散和紧密接触，因此冷却凝固后，即形成牢固的焊接接头（可用冰作比喻）。常见的有气焊、电弧焊、电渣焊、气体保护焊等都属于熔焊的方法。压焊：是焊接过程中必须对焊件施加压力（加热或不加热），以完成的焊接方法。这类焊接有两种形式，一是将被焊金属接触部分加热至塑性状态或局部熔化状态，然后施加一定的压力，以使金属原子间相互结合形成牢固的焊接接头，如锻焊、接触焊、摩擦焊和气压焊等就是这种压焊方法。二是不进行加热，仅在被焊金属的接触面上施加足够的压力，借助于压力所引起的塑性变形，以使原子间相互接近而获得牢固的接头，这种方法有冷压焊、爆炸焊等（主要用于复合钢板）。钎焊：是采用比母材熔点低的金属材料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头之间间隙并与母材相互扩散实现联接焊件的方法。常见的钎焊方法有烙铁焊、火焰钎焊。（4）用导线按照原理图连接相应电子原件。6.2 硬件电路的调试首先，在装上干电池电池之前，先用万用表测试各个电子元件供电的电压是否正常。其次，观察电路板电子元件焊接是否有短路，开路等现象，排除此现象后方可装上干电池。再次，调试电路各级电路工作是否正常，是否达到预计要求的效果。最后，将光敏电阻接受一定强度的光照，若整个电路工作，蜂鸣器报警，需让报警器长时间运行，以检验系统的稳定性。图6-1 硬件电路图当光敏二极管不接受光照时，电路电阻较大电路不导通，蜂鸣器不响。当光敏二极管接受一定的光照时，光敏二极管电阻变小，电路导通有电流通过继电器，使继电器开关闭合，蜂鸣器报警。7 总结为期一周的模电课程设计圆满结束了，在此期间我学到了很多知识，从MULTISIM仿真软件到电路图的设计，工作原理的构想等，让我将本学期的模电知识都运用出来，非常有成就感。这次的课程设计也有一定的不足之处，光敏报警器只能在白天时工作，而往往发生物品盗窃事件都出现在夜晚，经查阅资料我们可知，将光敏二极管换成基于LM393芯片的反射式红外线巡线传感器，由于是传感器是自带红外光源，所以白天晚上都能使用，更加的实用！我对传感器、电路系统设计有了更深的的理解也加强了我的实际动手能力。也第一次这么近距离的了解自动化的含义，了解传感器。接触到我们以后需要使用和进一步了解的程序。不管是电路理论，还是实际应用，经过此次设计后我的能力都有了不少提升。同时针对自己设计的电路，能不断考虑它的缺点与不足，设想各种情况的发生，提高了自己的分析能力和创造力。这次的课程设计不仅让我巩固了书本上的知识，而且让我学到了许多课外知识。在本次课程设计时，也暴露了自己的不少毛病，如设计过程中缺乏规范化，标准化，仿真软件不熟悉，知识面狭隘，学过的知识遗忘了。我会努力将基础打牢，争取在下一次的课程设计中有新颖的想法，做的东西功能更为全面。平常我们上课学习理论知识有时觉得挺容易的，但一旦自己真正动手设计，才发现自己有很多不足，只有实践才能锻炼自己，提高自己的能力。参考文献1 陶红艳.传感器及现代检测技术M.北京：清华大学出版社,2009.3.2 江学文等.光电技术M.北京：科学出版社,2009.1.3 (日)高桥清.传感器电子学M.北京：宇航出版社,1987.11.4 黄贤武，曲波，郑筱霞，刘文杰.传感器实际应用电路设计M.西安