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光电技术课程设计实验一光敏电阻光控灯设计实验二光敏电阻可控振荡器电子鸟设计实验三光敏二 三 极管光控开关设计实验四光敏三极管光控语言电路设计实验五硅光电池光照度计设计实验六红外报警设计 实验一光敏电阻光控灯设计一 实验原理光敏电阻在黑暗的室温条件下 由于热激发产生的载流子使它具有一定的电导 该电导称为暗电导 其倒数为暗电阻 一般的暗电导值都很小 或暗电阻阻值都很大 当有光照射在光敏电阻上时 它的电导将变大 这时的电导称为光电导 电导随光照量变化越大的光敏电阻 其灵敏度就越高 这个特性就称为光敏电阻的光电特性 也可定义为光电流与照度的关系 光敏电阻在弱辐射和强辐射作用下表现出不同的光电特性 线性和非线性 实际上 它的光电特性可用在 恒定电压 下流过光敏电阻的电流与作用到光敏电阻上的光照度E的关系曲线来描述 不同材料的光照特性是不同的 绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的 光敏电阻的本质是电阻 符合欧姆定律 因此它具有与普通电阻相似的伏安特性 在一定的光照下 加到光敏电阻两端的电压与流过光敏电阻的亮电流之间的关系称为光敏电阻的伏安特性 二 光敏电阻光控灯设计实验参考原理如图 当外界光线突然变暗时 光敏电阻阻值增大 电容E1正极电位升高 电源经R5 E1 R6和Q3的发射结对E1进行充电 此充电电流使得Q3导通 使得继电器线圈通电工作 常闭触点断开 常开触点闭合 实现对外电路的控制 此时LED1发光二极管点亮发光 当E1充电稳定后 Q3失去基极电流而截止 继电器常开触点断开 发光二极管熄灭 调整E1的容值可改变LED点亮时间 E1容值越大 延迟时间愈长 三 光敏电阻光控灯设计实验步骤1 打开实验箱电源 调节照度计 调零 旋钮 至照度计显示为 000 0 为止 关闭实验箱电源 2 J7 J8分别连接实验箱上的光敏电阻结构件黄 蓝插孔 同时将套筒红 黑插孔与照度计红 黑插孔相连 3 连接模块上的J1插孔至J5插孔 J2插孔至J6插孔 打开实验箱电源 按下开关K1和K4 同时保证其余开关都弹起 4 调节光源照度观察模块上LED1灯亮灭延时情况 照度从最大值调到照度最小值 5 将 电源调节 旋钮逆时针旋至不可调位置 关闭实验箱电源 四 要求 1 利用二次开发实验模块自行搭建电路 电路如图所示 2 参考电路原理图自行进行调试 实验二光敏电阻可控振荡器电子鸟设计一 实验参考原理图 二 实验参考原理手控电子鸟电路的振荡是通过控制555的复位端4实现的 拨位开关K7拨向左端 4端接高电平 电路产生振荡输出音频信号 扬声器发声 K7拨向右端 4端断开 电路停止工作 电路中555芯片与电阻R22 RL及电容C1组成无稳态振荡器 振荡频率为f 1 43 R22 2RL C1 光敏电阻的电阻值随着光照强弱变化而变化 照在RL上的光线越强 RL阻值越小 振荡频率f就越高 调节光源调节单元的 照度加 或 照度减 旋钮 以改变投射到RL上的光线强度 蜂鸣器就能模拟出忽高忽低 非常逼真的多种 鸟鸣声 且指示灯LED亮 三 实验实验步骤利用二次开发实验模块自行搭建电路 电路如图4 2所示 参考电路原理图自行进行调试 1 打开实验箱电源 调节照度计 调零 旋钮 至照度计显示为 000 0 为止 关闭实验箱电源 2 J7 J8分别连接实验箱上的光敏电阻结构件黄 蓝插孔 同时将套筒红 黑插孔与照度计红 黑插孔相连 3 打开实验箱电源 按下开关K1和K6 K7拨向左端 同时保证其余开关都弹起 4 调节光照强度 听蜂鸣器声音变化 用示波器观察蜂鸣器正端波形 或R23左端波形 5 将 电源调节 旋钮逆时针旋至不可调位置 关闭实验箱电源 四 实验注意事项1 打开电源之前 将 电源调节 旋钮逆时针调至底端 2 实验操作中不要带电插拔导线 应该在熟悉原理后 按照电路图连接 检查无误后 方可打开电源进行实验 3 若照度计 电流表或电压表显示为 1 时说明超出量程 应改为合适的量程再测试 4 严禁将任何电源对地短路 实验三光敏二 三 极管光控开关设计一 光敏二 三 极管的结构和原理1 光敏二极管的结构和原理光敏二极管的核心部分是一个PN结 因此属于单向导电的非线性元件 光敏二极管管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照 光敏二极管PN结势垒区很薄 光生载流子的产生主要在PN结两边的扩散区 光电流主要来自扩散电流而不是漂移电流 为了获得尽可能大的光电流 PN结面积比普通二极管要大的多 通常都以扩散层作为受光面 因此 受光面上的电极做的很小 为了提高光电转换能力 PN结的深度较普通二极管浅 光敏二极管结构简图 符号和等效电路图图1 1光敏二极管 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态 见图 在没有光照射时 反向电阻很大 反向电流很小 一般小于0 1微安 这个反向电流称为暗电流 当光照射在PN结上 光子打在PN结附近 产生光生电子和光生空穴对 称为光生载流子 光生载流子在PN结处的内电场作用下做定向运动 形成光电流 光的照度越大 光电流越大 如果在外部电路上接上负载 负载上就获得了电信号 因此光敏二极管在不受光照射时处于截止状态 受光照射时处于导通状态 光敏二极管在一定负偏压下 当入射光的强度发生变化时 通过光敏二极管的电流随之变化 在较小负载电阻下 光电流和照度成线性关系 如图所示 这就是光敏二极管的光照特性 下图表示光照PN结的伏安特性 有光照时 相对于无光照曲线向下平移 光照越强 曲线愈往下平移 光电流越大 图中第一象限为PN结加正偏压状态 此时PN结暗电流ID远大于光生电流 作为探测器工作在这个区域是没有意义的 光伏探测器多工作在这个区域 第三象限为PN结加反偏压状态 此时PN结暗电流ID ISO 数值很小 远小于光生电流IS 光伏探测器输出的总电流 2 光敏三极管的结构和原理光敏三极管与普通双结晶体管十分相似 不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面 一般用集电结作为受光结 因此 光敏三极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通三极管 其结构与一般晶体管相类似 图1 5光敏三极管结构及工作原理 a 结构示意图 b 光电变换原理 如图 a 所示 图中e b c分别表示光敏三极管的发射极 基极和集电极 正常工作时保证基极 集电极结 be结 为反偏压状态 并作为受光结 即基区为光照区 光敏三极管通常有NPN和PNP型两种结构 常用的材料有硅和锗 例如用硅材料制作的NPN结构有3DU型 PNP型有3GU型 采用硅的NPN型光敏三极管其暗电流比锗光敏三极管小 且受温度变化影响小 光敏三极管的工作有两个过程 一是光电转换 二是光电流放大 光电转换过程是在bc结内进行 与一般光敏二极管相同 当集电极加上相对于发射极为正向电压而基极开路时 图 b 则bc结处于反向偏压状态 无光照时 由于热激发而产生的少数载流子电子从基极进入集电极 空穴则从集电极移向基极 在外电路中有电流 即暗电流 流过 当光照射基区时 在该区产生电子 空穴对 光生电子在内电场作用下漂移到集电极 形成光电流 这一过程类似于光敏二极管 与此同时 空穴则留在基区 使基区的电位升高 发射极便有大量电子经基极流向集电极 总的集电极电流为 式中 为共发射极电流放大倍数 光敏三极管等效于一个光敏二极管与一般晶体基极 集电极结的并联 它是把基极集电极光敏二极管的电流 光电流IP 放大 倍的光伏探测器 可用图5 c 来表示 图1 5光敏三极管结构及工作原理 a 结构示意图 b 光电变换原理 c 电流放大作用 图1 6光敏三极管特性 3 光敏三极管的特性光敏三极管的光照特性 伏安特性 暗电流与温度的关系如图1 6 c 示 由于晶体管的放大作用 基极开路时的暗电流及它随温度上升都比光敏二极管大 二 光敏三极管光控开关设计1 实验原理参考图 2 实验原理 当光生电流大于一定值时 三极管Q3导通 Q3发射极电平提升 Q4基极获得高电平 此时Q4导通 Q4射极电平拉高 致继电器线圈通电 继电器吸合 LED3发光 三 实验要求 1 利用二次开发实验模块自行搭建电路 电路如图所示 2 参考电路原理图自行进行调试 3 参考光控开关实验的实验步骤进行二次开发实验 观察实验现象是否和模块实验现象一致 实验四光敏三极管光控语言电路设计一 实验原理参考图 二 实验原理实验采用光敏三极管作为光敏器件 当无光情况下 合上开关K3 三极管3DG6导通 Q2导通 这个时候定时器1脚电平拉低 NE555开始工作 3脚输出脉冲驱动扬声器发出声音 当有光照的情况下 Q1的基极电平被拉低 Q2不导通 此时定时器的1脚电平不确定 器件无供电回路 NE555不工作 扬声器不工作 三 光控语言电路调试 1 利用二次开发实验模块自行搭建电路 电路如图所示 2 参考电路原理图自行进行调试 实验五硅光电池光照度计设计一 光电池的结构和原理1 光电池的工作原理光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件 光电池在有光线作用时实质就是电源 电路中有了这种器件就不需要外加电源 光电池的工作原理是基于 光生伏特效应 的 它实质上是一个大面积的PN结 当光照射到PN结的一个面 例如P型面时 若光子能量大于半导体材料的禁带宽度 那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴 电子 空穴对从表面向内迅速扩散 在结电场的作用下 最后建立一个与光照强度有关的电动势 图1是硅光电池原理图 其中 a 为结构示意图 b 为等效电路 图1硅光电池原理图 2 光电池的特性参数 1 光照特性光电池的光照特性 用入射光强 电流电压特性和入射光强 负载特性来描述 入射光强 电流电压特性描述的是开路电压VOC和短开路电流ISC随入射光强变化的规律 如下图所示 入射光强 电流电压特性描述的是开路电压VOC和短开路电流ISC随入射光强变化的规律 如下图所示 VOC随入射光强按对数规律变化 ISC与入射光强成线性关系 光电池用作探测器时 通常是以电流源形式使用 总要接负载电阻RL 这时电流记作 图3光电池的入射光强 电流 负载特性曲线 与入射光强不再成线性关系 越大 线性范围越小 如下图所示 为光电池内阻 入射光强 负载特性描述的是在相同照度下 输出电压 输出电流 输出功率随负载变化的规律 如下图所示 当RL Rd时 可近似看做短路 输出电流为ISC 与入射光强成正比 RL越小 线性度越好 线性范围越大 当RL为 时 可近似看做开路 输出电压为VOC 随着RL的变化 输出功率也变化 当 时 输出功率最大 RM称最佳负载 2 2光谱特性光电池的光谱特性取决于所采用的材料 硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度 峰值波长在540nm附近 它适宜于测量可见光 如果硒光电池与适当的滤光片配合 它的光谱灵敏度与人眼很接近 可用它客观的决定照度 硅光电池可以应用的范围是400 1100nm 峰值波长在850nm附近 光电池的光谱峰值位置不仅与制造光电池的材料有关 也和制造工艺有关 并且随使用温度的不同而有所移动 2 3伏安特性无光照时 光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同 有光照时 沿电流轴方向平移 平移幅度与光照度成正比 曲线与电压轴交点称为开路电压VOC 与电流轴交点称为短路电流ISC 图5给出了硅光电池的伏安特性曲线 它表示负载为电阻时 受光照射的硅光电池输出电压与电流的关系 负载的斜率由负载电阻决定 负载线与伏安特性曲线的交点M为工作点 负载电阻RL从硅光电池获得的最大功率为Pm m Um 图5光电池的伏安特性曲线 二 硅光电池光照度计设计参考图利用二次开发实验模块自行搭建电路 电路如图所示 4 将硅光电池探头红黑插孔接到实验箱的光照度红黑插孔上 打开实验箱电源 调节光照度调节旋钮 使照度计显示50Lx 将硅光电池探头红黑插孔分别连接硅光电池模块的J1 J2插孔 J5连接J13 按下开关K1和K3 用示波器测量TP3点的电压U 调节W2可改变输出电压的大小 三 硅光电池光照度计实验步骤 一 调试注意事项1 在调试过程中如果发生异常情况应立即关机断电 查明情况并纠正后再进行调试 以免造成不良后果 确保安全 2 在调试过程中插拔任何器件之前 先断电 以免损坏元器件 3 严禁将任何电源对地短路 4 所有连接均在断电情况下操作 二 调试准备1 光电技术创新综合实验仪 带结构件 一台2 硅光电池实验单元一块3 示波器一台 4 万用表一块 5 电烙铁一台6 焊锡丝若干 三 调试说明1 本说明书调试使用的光源为卤素灯 从实验仪主板上引出 2 调试之前确保各接插件方向准确无误 元器件之间连接良好 杜绝虚连现象的发生 3 调试工作务必认真仔细 四 调试步骤1 电源单元调试1 将硅光电池实验模块插入主机箱体的插槽中 2 打开实验仪开关 测试主板上标有 5V 5V接口对GND的电压是否分别为 5V和 5V 允许误差范围为 5 3 若2结论正确 打开硅光电池实验模块 电源 开关K1 观察指示灯LED1及LED2发光是否正常 该处电路可能出现的问题 a 电解电容E1 E2极性弄错 焊接错误 b 贴片发光二极管LED1 LED2极性弄错 焊接错误 C 电路某处有短路 2 特性实验调试1 打开实验仪电源 调节照度计 调零 旋钮 至照度计显示为 000 0 为止 关闭实验仪电源 2 J14连接GND J1连硅光电池正极 J2连硅光电池负极 J6连J13 3 卤素灯光源套筒红黑插孔分别与实验仪主板卤素灯供电0 12V1和GND1相连 0 12V1和GND1分别连接实验仪上电压表的正负插孔 4 调节光照度调节电位器使光照强度为0 即照度计显示为0 按下开关K1和K2 同时保证其余开关都弹起 调节模块上的W1 使TP3电压为0 5 调节光照度调节电位器改变光源光照强度 用示波器CH1和CH2分别观察TP1和TP2的电压 两点电压应随光照强度的增大而增大 简易照度计电路调试1 打开实验仪电源 调节照度计 调零 旋钮 至照度计显示为 000 0 为止 关闭实验仪电源 2 J5连J13 调节光照度调节电位器使光照强度为0 即照度计显示为0 按下开关K1和K3 同时保证其余开关都弹起 调节模块上的W1 使TP3电压为0 3 调节光照度调节电位器改变光源光照强度 用示波器CH1和CH2分别观察J5和TP3的电压 两点电压应随光照强度的增大而增大 实验六红外报警设计一 原理光电报警系统是一种重要的监视系统 目前其种类已经日益增多 有对飞机 导弹等军事目标入侵进行的报警系统 也有对机场 重要设施或危禁区域防范进行报警的系统 现实生活中 随着时代的不断进步 人们对自己所住环境的安全性提出了更高的要求 尤其是在家居安全方面 不得不时刻留意那些不速之客 现在很多小区都安装了智能报警系统 因而大大提高了小区的安全程度 有效保证了居民的人身财产安全 由于红外线是不可见光 有很强的隐蔽性和保密性 因此在防盗 警戒等安保装置中得到了非常广泛的应用 原理图 实验报警系统的频率设在40KHZ 本实验自拟一个简单的红外报警设计实验系统 由图2 1所示的四个部分组成 发射系统包括调制信号和红外发射二极管 发射红外调制光 在发射系统和接收系统之间有红外光束警戒线 当警戒线被阻挡时 接收系统发出指示信号 此信号经放大 驱动报警电路发出报警信号 二 红外驱动调制单元用NE555定时器构成多谐振荡器用来产生调制信号 NE555内部结构原理如下图2 2所示 若不用5脚时 当2脚外加电压小于Vc 电源电压 时 比较器2翻转 导致RS触发器翻转 管脚3输出高电平 同时晶体管Q截止 使脚7内部开路 当6脚外加电压高于Vc时 比较器1翻转 导致RS触发器翻回 管脚3输出低电平 同时晶体管Q导通 使脚7内部近似接地 若管脚5外加比较电压 则NE555在外加比较电压下工作 比较器1或比较器2的翻转阈电平由管脚5外加比较电压在电阻R上的分压决定 该单元由NE555构成多谐振荡器 产生频率可调的方波信号 电路图 图2 2555内部组成 调制信号产生单元的实用电路如下图2 3所示 图中R6为基级偏置电阻 R7为限流电阻 Q1为三极管 T2和T3外连红外发射二极管BT401 图2 3红外驱动调制单元原理图 NE555构成多谐振荡器由电源电压VCC 5V 对R4 D11 电容器C3充电 即芯片2脚和6脚的电压按指数规律上升 由于二极管D11的短路作用 其充电时间常数为R4C3 当芯片2脚 也即电容C3电压低于1 3VCC时 3脚输出电压V0为高电平 7脚内部开路 直到当A点电压上升到2 3VCC时 3脚输出电压V0为低电平 同时7脚近似接地 电容器C3通过R5至7脚放电 放电时间常数为R5C3 电路中的参数设置 是让信号产生单元产生的频率在40KHZ时 占空比约为0 5 与实际的安防装置频率相相似 使输出电流大于或等于红外发光管的最小工作电流 同时发光管必需串联一个限流电阻 使输出电流小于或等于发光管的最大工作电流 图中R6为基级偏置电阻 R7为限流电阻 Q1为三极管 T2和T3外连红外发射二极管BT401 红外发光管BT401的驱动电路用NE555组成振荡器来做红外发光管BT401的驱动时 由于红外发光管BT401的工作电流约30mA NE555输出功率不够 因此需加一个三极管驱动电路 设发光管最大工作电流为Imax 最大工作电流时正向压降为Vm 则限流电阻Rf取值为 参考电路如上图2 3所示 图中R6为基级偏置电阻 R7为限流电阻 Q1为三极管 T2和T3外连红外发射二极管BT401 式2 1 三 探测信号处理单元探测信号处理单元原理图 图2 4探测信号处理单元原理图 如图所示 T6与T7外连2CU2B光敏二极管 反向接入电路 作为接收系统的感光器件 LF353构成放大电路 从主放大器来的交流信号经二极管D13检波 再经R17 E5低通滤波器后得到直流电压 送入比较放大器的反向输入端6脚 比较放大器 另一个LF353 2构成比较放大器 比较放大器的反向输入端6脚加来自主放大器的信号电压 比较放大器的同向输入端5脚加某一偏置比较电压 在比较放大器的输出端接报警电路 如LED和扬声器 当红外光束被阻断时 LED管亮 扬声器发声报警 报警 当光线未阻断时 从主放大器来的交流信号经二极管D13检波 再经R17 E5低通滤波器后得到直流电压 比较放大器的同向输入端5脚加某一偏置比较电压值要小于或接近反向输入端6脚电位 则放大器7脚输出电压近似为零 当红外光束被阻断时 主放大器没有信号输出 从而比较放大器只有同向输入端加的正电压 输出为高电位 则比较放大器输出电位的变化指示了光线被阻断 报警电路LED管亮 扬声器发声报警 四 红外报警设计实验步骤1 将W2逆时针旋转至底端 2 将开关K2拨向 方式1 连接红外发射套筒的红 黑插孔分别至T2 IR T3 IR 连接红外接收套筒的红 黑插孔分别至T7 PH T6 PH 3 连接T8至T11 连接T12至T13 4 打开电源 按下 电源 开关K1 用示波器观察T1口的输出波形 记录此时的频率 5 顺时针旋转电位器W2至一定值 此时 可以听到有物体穿过警戒线的报警声音 且声音会一直持续下去 按一下 无线监测报警 单元的开关S7 此时报警声音会消除 用电压表测试探测信号处理单元部分的TP3 它为此时的比较电压值 6 用手或者书本或者其它隔光物体放在发射套筒和接收套筒之间 电路发生报警 按一下 无线监测报警 单元的开关S7 此时报警声音会消除 7 增大发射和接收管之间的距离 同时用万用表测试LF353的6脚 当该点电压小于TP3的电压时 TP4口的电压有 5V转变为5V 此时报警 这就是在这种参数的条件下作用的最大距离 8 实验完毕后 按下 电源 开关K1 关闭电源 拆除连接导线并放置好 还原实验仪等设备 五 参考电路 1 调制信号产生单元电路 此电路中 C1一般会使用温度系数比较高的聚丙烯电容来作为充放电电容 C2使用独石电容 E1为电解电容 主要是用来去耦合 增强电路的稳定性 也可略去 图2 6调制信号产生单元参考电路 2 发光管驱动电路图2 7发光管驱动参考电路 在此部分 将发光二极管BT401引出 接入发射套筒中 利用套筒中的发光二极管 3 红外信号接收和处理电路图2 8红外信号接收和处理参考电路在此电路中 因为是搭建电路 可以自己选择测试点 所以可将测试钩TEST2和TEST3删掉 4 报警信号保持及消除电路 六 实验步骤电源和地的插口在面包板上下两边的2 台阶插座上 在用电子元器件搭建电路的过程中 先关闭电源 待电路搭建好后 再打开电源 以免不小心就会烧坏器件 调试电路过程中 同样 如果需要改变电路的接法或者更换元器件时 先关闭电源 待改变接法或更换器件之后 再打开电源 一 发射部分的设计与调试1 用NE555设计一占空比和频率可调的方波振荡器 作为红外发射二极管的调制信号 画出电路图 标明器件参数 2 根据电路图选择合适的电子元器件 在面包板上用导线搭建电路 用示波器从NE555的3脚测输出波形应为方波 并测量输出电压峰 峰值 调节10K电位器使占空比为50 选择电子元器件 然后将欲接入发光管的两端从面包板引到上下两边的2 台阶插座上 再用2 连接线连接到发射套筒上 将NE555产生的