光电技术创新实训平台实验指导书-2.doc

1 目目 录录 实验仪说明实验仪说明 2 实验一 光控开关设计实验实验一 光控开关设计实验 3 实验二 光照度计设计实验实验二 光照度计设计实验 5 实验三 光电报警设计实验实验三 光电报警设计实验 8 实验四 红外遥控设计实验实验四 红外遥控设计实验 13 实验五 实验五 PSDPSD 位移测试设计实验位移测试设计实验 21 实验六 热释电报警器设计实验实验六 热释电报警器设计实验 24 实验七 光电转速计设计实验实验七 光电转速计设计实验 27 实验八 光电测距设计实验实验八 光电测距设计实验 30 实验九 太阳能充电器设计实验实验九 太阳能充电器设计实验 33 实验十 颜色识别系统设计实验实验十 颜色识别系统设计实验 38 实验十一 光电开关里程表设计实验实验十一 光电开关里程表设计实验 44 2 实验仪说明实验仪说明 一 一 产品介绍 产品介绍 光电技术是光学 电子学和计算机科学知识的高度集中 是跨学科的边缘技术 光电 技术广泛应用于工农业和家庭生活等各领域 在这些领域中 几乎都涉及将光辐射信息转 换为电信息的问题 即光辐射的检测问题 因此光电检测技术是光电技术的核心和重要组 成部分 光电检测具有非接触 实时和高精度等特点 其技术得到迅速发展 光电探测器 可将一定的光辐射转换为电信号 然后经过信号处理 去实现某种目的 它是光电系统的 核心组成部分 其性能直接影响着光电系统的性能 GCGDCX B 型光电技术创新实训平台针对光电器件应用设计而开发 提供多种 可选 光电器件的应用模块 设计模块 以及设计中所需要的电子元器件 并配备有各种电源接 口 学生根据所提供的实验模块进行设计 或根据所提供的实验模块进行二次开发 提高 学生动手动脑能力及创新意识 二 系统组成 二 系统组成 整个系统分 4 部分 1 主机箱 主机箱主要为各设计模块提供电源供给以及模块固定 一个主机箱可以 安放六个设计模块 2 实验模块 通过各实验模块完成各应用实验 3 设计性实验物料 二次开发实验用 4 导轨结构件组件 固定各种光电器件用 3 实验实验一一 光控开关设计实验光控开关设计实验 一 实验目的一 实验目的 1 了解和掌握光敏电阻光控开关应用原理 2 了解和掌握光控开关电路原理 二 实验内容二 实验内容 1 光敏电阻光控开关实验 2 设计性实验 三 实验仪器三 实验仪器 1 光电创新实验仪主机箱 2 光控开关实验模块 3 连接线 4 万用表 四 实验原理四 实验原理 1 光敏电阻的结构与工作原理 光敏电阻又称光导管 它几乎都是用半导体材料制成的光电器件 光敏电阻没有极性 纯粹是一个电阻器件 使用时既可加直流电压 也可以加交流电压 无光照时 光敏电阻 值 暗电阻 很大 电路中电流 暗电流 很小 当光敏电阻受到一定波长范围的光照时 它的阻值 亮电阻 急剧减小 电路中电流迅速增大 一般希望暗电阻越大越好 亮电阻 越小越好 此时光敏电阻的灵敏度高 实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级 亮电 阻值在几千欧以下 光敏电阻的结构很简单 下图 a 为金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图 在玻璃底 板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质 称为光导层 半导体的两端装有金属电极 金属 电极与引出线端相连接 光敏电阻就通过引出线端接入电路 为了防止周围介质的影响 在半 金属电极 半导体 电源 检流计 RL E I a b c Ra 玻璃底板 导体光敏层上覆盖了一层漆膜 漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射 率最大 为了提高灵敏度 光敏电阻的电极一般采用梳状图案 如图 b 所示 图 c 为光敏电阻的接线图 2 本实验通过改变照射到光敏电阻上光强大小来控制继电器的开关状态 从而控制发光二 极管指示灯的亮和灭 a 光敏电阻结构 b 光敏电阻电极 c 光敏电阻接线图 4 五 注意事项五 注意事项 1 不得扳动面板上面元器件 以免造成电路损坏 导致实验仪不能正常工作 2 金色测试钩说明 Vlm 为比较器输入电压测试点 Vyz 为阈值电压测试点 六 实验步骤六 实验步骤 1 光敏电阻输出端金色插座对应接到 IN 端金色插座 OUT 端对应接到继电器正负 端 2 打开电源开关 用万用表测量 Vlm 端电压 用手遮挡光敏电阻 分别记下明 暗时 Vlm 电压 3 调节阈值电压使 Vyz 值在明暗电压值之间 4 用手遮挡光敏电阻 观察指示灯指示状况 七 七 设计性实验设计性实验 光控开关原理图如下 IN1 和 CON1 为光敏电阻输入端 U8 为运算放大器 型号为 OP07 此运算放大器构成比较器电路 当 3 脚电压高于 2 脚电压时输出高电平 三极管 Q4 截止继电器不吸合 发光二极管不发光 反之 2 脚输出低电平 三极管 Q4 导通 继电 器得电导通 发光二极管发光 R7yuzhitiaojie 10K R8 10K R13 1M R15 12K R16 27K E 2 C 3 B 1 Q4 9012 2 3 74 6 1 8 U8 OP07 VCC W1 10K VCC 5V VCC VCC A 1 K 2 D6 DIODE 4 4 5 5 1 1 2 2 3 3 K1 DS2Y S DC5V R18 500 D8 LE D 1 T3 CON1 1 T4 CON1 VCC VCC 5V 5V 5V 5V 5V R1 1K D1 LE D 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 S9 SW DPDT 八 思考题八 思考题 分析光敏电阻应用场合 5 实验二实验二 光照度计设计实验光照度计设计实验 一 实验目的一 实验目的 1 了解和掌握光电池在光照度计上的应用原理 2 了解和掌握光照度计结构原理 3 了解和掌握光照度计电路设计原理 二 实验内容二 实验内容 1 光照度计测量光照度实验 2 光照度计设计实性验 三 实验仪器三 实验仪器 1 光电创新实验仪主机箱 2 光照度计 2 打开电源 打开红色光源 测量 J9 J10 测试点的电压值 调节电位器 W1 使阈 值电压大于 J10 并且小于 J9 处的电压值 3 关闭电源 用跌插头对连接 J9 与 J9 J10 与 J10 J11 与 J11 4 打开电源 切换不同颜色的光源 观察 D5 D6 D7 的变化 5 关闭电源 拆除所有连线 七 设计性实验七 设计性实验 根据传感器的特性 自行搭建应用电路 实现颜色识别功能 参考电路 光源部分如下图所示 J2 J3 J4 与 J1 连接不同的发光二极管 通过 S3 来切换点亮不 同的光源 43 3 2 6 47 U6 HA 1774 1 R1 6 2K R1 7 1 2 K R1 5 10K C1 104 R1 4 1 2 K 1 J1 Q1 901 4 D8 5 1 1 2 1 2 1 2 12 1 2 3 4 8 7 6 5 S3 SW DIP 4 1 J2 CO N1 1 J3 CO N1 1 J4 CO N1 探测器部分电路如下图所示 3 2 1 84 U2 A LF3 53 R4 10K R5 10K R6 220 5 5 5 6 7 U2 B LF3 53 GreenOu t 3 2 1 84 U1 A LF3 53 R1 10K R2 27K R3 220 5 5 5 6 7 U1 B LF3 53 Red Out 3 2 1 84 U3 A LF3 53 R7 10K R8 10K R9 220 5 5 5 6 7 U3 B LF3 53 Blu eOut 3 2 1 84 U4 A LF3 53 Red Inpu t 5 R10 4K 7 R11 1K D5 Red LED 5 Vref 5 6 7 U4 B LF3 53 Blu eInpu t R12 1K D6 GreenLE D Vref 3 2 1 84 U5 A LF3 53 GreenIn put R13 1K D7 Blu eLED 5 5 Vref 1 J5 1 J6 1 J7 1 J8 1 J9 CO N1 1 J10 CO N1 1 J11 CO N1 1 J9 CO N1 1 J10 CO N1 1 J11 CO N1 W1 5 1 K 八 思考题八 思考题 颜色传感器与光电二极管的异同之处是什么 44 实验十一实验十一 光电开关里程表设计实验光电开关里程表设计实验 一 实验目的一 实验目的 1 了解光开关反射式的工作原理及其特性 2 了解并掌握使用光开关测量转速的原理及方法 二 实验内容二 实验内容 1 反射式光开关实验 2 反射式光开关转速测量实验 3 设计性实验 三 实验仪器三 实验仪器 1 光电创新实验仪主机箱 2 光电转速里程测量模块 3 连接线 4 示波器 四 实验原理四 实验原理 1 光电耦合器件的含义和特点 光电耦合器件的含义和特点 1 1 光电耦合器件的含义 在工业检测 电信号的传送处理和计算机系统中 常用继电器 脉冲变压器和复杂的 电路来实现输入 输出端装置与主机之间的隔离 开关 匹配和抗干扰等功能 而继电器 动作慢 有触点工作不可靠 变压器体积大 频 带窄 所以它们都不是理想的部件 随着光电技术的发展 70 年代以后出现了一种新的功 能器件 光电耦合器件 它是将发光器件 LED 和光敏器件 光敏二 三极管等 密封装在 一起形成的一个电 光 电器件 如下图所示 把发光器件与光敏器件封装在一起构成光电耦台器件 这种器件在信息的传输过程中是用光作为媒介把输入边和输出边的电信号耦合在一起 的 在它的线性工作范围内 这种耦合具有线性变化关系 由于输入边和输出边仅用光来 耦合 在电性能上完全是隔离的 因此 光电耦台器件的电隔离性能 线性传输性能等许 多特性 都是从 光耦合 这一基本特点中引伸出来的 故有人把光电耦合器件也称为光 电隔离器或光电耦合器 这些名称的共同点都是为了突出 光耦合 这一基本特匪 这也 是它区别于其它器件的根本特征 由于这种器件是一个利用光耦合做成的电信号传榆器 件 所以一般称为光电耦合器件 1 2 光电耦合器件的特点 45 具有电隔离的功能 它的输入 输出信号间完全没育电路的联系 所以输入和输出回 路的电平零位可以任意选择 绝缘电阻高达 1010 1012欧姆 击穿电压高到 100 一 25kv 耦合电容小到零点几个皮法 信号传榆是单向性的 不论脉冲 直流都可以使用 适用于模拟信号和数字信号 具有抗干扰和噪声的能力 它作为继电器和变压器使用时 可以使线路板上看不列磁 性元件 它不受外界电磁干扰 电源干扰和杂光影响 响应速度快 一般可达微秒数量级 甚至纳秒数量级 它可传输的信号频率在直流和 10MHz 之间 使用方便 具有一般固体器件的可靠性 体积小 重量轻 抗震 密封防水 性能稳 定 耗电省 成本低 工作温度范围在 55 100 之间 由于光电耦合器件性能上的优点 使它的发展非常迅速 目前 光电耦台器件在品种 上有 8 类 500 多种 它已在自动控制 遥控遥测 航空技术 电子计算机和其它光电 电 子技术中得到广泛的应用 1 3 光电耦合器件的重要优点之一就是能强有力地抑制尖脉冲及各种噪音等的干扰传输信 恳中大大提高了信噪比 光电耦合器件之所以具有很高的抗干扰能力 主要有下面几个原因 光电耦台器件的输入阻抗很低 一般为 10 1k 欧姆 而干扰源的内阻一般都根大 一般为 1K 1M 欧姆 按一般分压比的原理来计算 能够馈送到光电耦合器件输入端的干 扰噪声就变得很小了 由于一般干扰噪声源的内阻都很大 虽然也能供给较大的干扰电压 伹可供出的能 量却很小 只能形成很微弱的电流 而光电耦合器件输入端的发光二极管只有在通过一定 的电流时才能发光 因此 即使是电压幅值很高的干扰 由于没有足够的能量 不能使发 光二极管发光 从而被它抑制掉了 光电耦合器件的输入 输出边是用光耦合的 且这种耦合又是在一个密封管壳内进 行的 因而不会受到外界光的干扰 光电耦合器件的愉入 输出间的寄生电容很小 一般为 0 6 2pF 绝缘电阻又非常大 一般为 1011 1013欧姆 因而输出系统内的各种干扰噪音很难通过光电耦合器件反馈到输 入系统中去 2 光电耦合开关 光电耦合开关 光电耦合开关又分为对射式和反射式两种 对射式光电耦合开关的红外发射直接照射 光敏器件 反射式光电耦合开关的红外发射需要通过开关前物体挡住从而使红外光反射到 光敏器件上 本实验使用反射式光电开关测量运动里程 五 注意事项五 注意事项 1 不得随意摇动和插拔面板上元器件和芯片 以免损坏 造成实验仪不能正常工作 2 在使用过程中 出现任何异常情况 必须立即关机断电以确保安全 六 实验步骤六 实验步骤 1 电机驱动电路输出 M M 用连线对应接到电动机的 M M 对射式光电开 关的 L L P P 用连线对应接到电路上 L L P P 2 示波器探头测量电路输出 F GND 转速调节旋钮 W1 左旋到底 此时电动机 不转动 3 打开电源开关 调节红外发射管限流电阻 W2 和光敏器件负载电阻 W3 用手转 动转盘 直至光电开关发射和接收透过转盘时圆孔和被遮住时示波器上显示高低电平跳变 46 调节转速调节旋钮 W1 直至电机转动 观察示波器输出波形 记录频率 4 计算电机转速 注意转盘上有 6 个圆孔 转盘每转动一周产生 6 个输出脉冲 5 计算单位时间内电机运行里程 转盘直径为 45mm 6 实验完毕 关闭电源 拆除连线 七 设计性实验七 设计性实验 1 下图为电机调速电路原