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传感器课程设计范文 -I-郑州轻工业学院课程设计任务书题目冲床手指保护系统设计专业、班级学号姓名主要内容设计具有安装容易、性能稳定、结构紧凑、对光容易等特点并适用于冲床手指保护的安全防护装置。 基本要求 （1）分析传感器原理，选择合适的传感器； （2）根据已选择的传感器作出电路； （3）对电路进行分析进行参数选择和数据计算； （4）对电路进行修正并逐步完善；主要参考资料1陈有卿叶桂娟.555时基电路原理设计及应用.电子工业出版社,xxP20P302黄继昌.传感器工作原理及应用实例.北京:人民邮电出版社,2000P178P1903中国集成电路大全4界集成电路大全完成期限指导教师签名课程负责人签名年月日-II-冲床手指保护设计摘要在冲床工作时，工人稍不留神就有发生事故的可能，该保护装置就是为保护工人安全的一种装置。 它采用光电传感器作为探测工人的手及其身体其他部位是否离开危险区的敏感器件。 若检测到手及其它部位未离开危险区时，发光二极管发出光线被遮挡使光敏三极管接受不到光信号，从而致使继电器不能动作，使冲床立即制动停车，如若正常运行且没有遮挡时，光敏三极管接收发光二极管的光信号，通过四级放大信号，对继电器的触点进行控制使冲床进行正常工作。 除此之外，该装置还有故障自检功能，在保护电路一旦出现故障致使自检继电器断开从而触点断开，不仅能及时发出故障信号而且还能自动闭锁机床，工人则无法启动冲床，这就可以从根本上解决保护电路失灵带来的不安全问题。 在冲床工作时，工人稍不留神就有可能发生事故，该装置就是为保护工人安全的一种装置，它采用光电传感器作为探测工人的手及身体其它部位是否离开危险区的敏感器件。 1.2保护装置设计要求1若检测到手及其它部位未离开危险区域，光电保护装置立即动作使冲床立即停车。 2电路故障自检功能，在保护电路一旦出现故障时，不仅能及时发出故障警告信号而且还能自锁机床，工人无法再启动车床，这可以从根本上解决保护电路失灵带来的不安全问题。 附录为冲床光电保护装置的电路原理图。 如图11所示为该装置的工作原理图。 1.3冲床光电保护电路有红外发射、红外接受、控制三大部分组成，而控制又有光电保护控制和故障自检控制。 -2红外发光管光敏三极管放大选通反相振荡器2K功率驱动1K功率驱动电路故障检测自检记忆3K故障告警电路一次启动记忆4K行程连锁制动电磁铁同相SX S（启动开关）同相信号反相信号22K?K12K?32K?图11冲床手指保护装置的工作原理图检波逻辑电路-3第2章光电保护装置原理分析发射电路采用555时基集成电路1IC组成多谐振荡器，工作电压为4.518V其输出又要驱动三个发光二极管，而线性稳压器只有5V、9V、12V、15V、18V、24V等系列，故取555时基电路工作电压为12V，即可以降低功耗又能驱动红外发光二极管，7812为三端集成稳压器系数要求输入、输出均为37V，而常用小型直流继电器的工作电压有3V、6V、9V、12V等系列加上电路中其它部位的压降首先选用12V的直流继电器，为保证可靠工作以及电源电压的波动，取电路中的直流电源电压为18V。 为了知道光电保护电路是否通电，则用一个二极管18VD，三端集成稳压器7812，只有一个输入端1和一个输出端3，一个公共端2。 应用方便可靠及其参数如下输入电压19V输出电压12V静态电流8mA短路电流2.2A电压差2V最大输出电流1.5A。 图中的电容3C、45C C、6C均为滤波电容。 它们的取值应尽可能大，这样输出电压更稳定。 6C取220F选用铝电解电容，4C5C均为高频旁路电容，它们可以消除寄生高频振荡，使电压波形更为理想，与7812稳压器配合使用为下一级电路提供可靠稳定的供电电压。 冲床冲头的运行与停止时通过电磁铁和和相关机构，控制离合器的分离和吸合以及制动器的放松与吸合等动作来实现的，那么就可以认为制动电磁铁Y不工作，制动冲床停止运行，起到保护作用。 光电传感器有对射式和反射式光电传感器，由于对射式原理简单价格便宜应用广泛，本设计也一样用对射式传感器。 光电传感器时一般要考虑到发光器件和受光器件所能感应的距离，在使用光电器件所能保护的范围和分辨率的问题。 所以本设计通过红外光的调制就能增强红外二极管的发光强度，从而增大感应范围，在外接受三极管前端装有凸透镜，-4从而提高感应灵敏度。 J2325型压力机的宽度为56cm，在红外二极管发光经过调制以后感应距离可以达几米至几十米，因此，任何经过发射接受均能满足感应距离要求。 J2325型压力机滑块行程为75cm，若假定该光电器件的分辨率为30mm，则只需3个光敏三极管接受即可满足要求。 2.1分析光电传感器的选择遮光式光电传感器是一种用光电方法进行检测的光电传感器.发光器射出来的光线对准接收器,当有目标物体把光线挡住时,接收器的输出便发生变化.遮光式光电传感器有很多类型.最常见的是用一只发光器,一只接收器,在发光器与接收器之间只有一束光线.另一种是槽式或叉式光电传感器,这时,发光器和接收器都装在同一个机壳中,不存在对准的问题.光栅是由很多不同的发光器和不同的接收器排列起来组成的,发光器装在一个机壳中,接收器装在另一个机壳中,当它们互相对准时,便形成一片光束.红外光是人眼看不见的光，是一种电磁波。 红外光是比红色光的波长(0.7?m)还长的光波。 通常将电磁波谱中间距为0.761000?m的波普段称为红外光谱区。 一般把红外光谱分为四个区域，即近红外（0.763.0?m）、中红外（3.06.0?m）、中远红外（6.020?m）和远红外（201000?m）区。 实际上，目前在工业和民用的红外光探测中使用的红外光谱主要集中在0.761.60?m（7601600nm）的近红外区。 2.1.1采用近红外光作为红外探测光源1.一般接收用的光电二极管、光敏三极管都采用硅半导体材料制作而成，这类管的接收峰值波长为7801550nm即管子对波长为7801550nm的探测灵敏度最高。 -52.红外光射器件，发射波长在8801550nm范围内，这与硅光接收器件（包括发光二极管、光敏三极管）的响应波长相匹配，探测灵敏度高，工作效率高。 3.红外发光二极管的特点 （1）体积小。 在投光距离相同的条件下，红外发光二极管体积只有灯泡的几分之一。 （2）寿命长。 红外发光二极管的寿命可达510h以上，至少要比钨丝灯高一个数量级。 （3）功率小、省电。 如果要照射10m远的硅光敏器件，使之输出某一定的电流，如用钨丝灯要8W，而用红外发光二极管只需要几十毫瓦就可以了。 （4）响应速度快。 用钨丝灯不能直接用光源调制光，而用红外管则可调制到数十兆赫。 （5）机械强度高。 钨丝灯的钨丝悬挂在灯泡的中间，不耐震而红外二极管则经得起振动的冲击。 由于红外二极管的优点十分明显，所以在这次设计中选用红外二极管。 常见的红外发光二极管其功率分为小功率（1?20毫瓦）中功率（20?50毫瓦）和大功率（50?100毫瓦）三大类。 使用不同功率的红外发光管时，应配置相应功率的驱动管。 红外发光二级管13VD VD均采用TL38型二极管，其峰值可达400mA平均电平为150mA左右顶端有一个铸模透镜，它能将发出的红外光汇聚成为60度的光束。 4.光敏三极管原理结构与主要特征及选择 （1）原理结构光敏三极管是靠光的照射来控制电流器件，它可等效看做一个光敏三极管与一只晶体三极管的结合，所以它是具有放大能力的光电转换三极管。 其常用材料为硅。 一般仅引出集电极和发射极。 在无光照射时，-6光敏三极管处于截止状态，无电信号输出。 当光信号照射其基极（受光窗口）时，光敏三极管将导通，从发射极或集电极输出放大后的电信号。 （2）主要特征a.光照伏安特性光敏三极管在零偏压下，即使受到光照也无光电流输出，光电流与入射光照度（或辐射度）并非总成线性关系，而在大约514V范围内呈线性关系；在低光照范围由于三极管的电流放大系数下降，因而光电灵敏度降低；然而，在大电流范围内，?又趋于下降，故随入射光度的增强，CI趋于饱和。 在IV特征中，好的线性表现为曲线之间有较均匀的间距。 欲要得较宽的线性工作区，宜用较高的工作电压与较小的负载电阻。 b.输出特性光敏三极管的输出特性与一般晶体管特性相同，差别仅在于参数变量不同，三极管的参变量为基极电流而光敏三极管的参变量为入射光照度，如图（2-1所示）其它参数可参照表（21）图2-1入射光照与输出电流的关系曲线-7表213DU 110、 120、130及3DU 210、 220、230硅光敏三极管参数型号符号反向击穿电压最高工作电压暗电流光电流上升时间下降时间最大功耗?/BR ceV V?/BR ceV V/DI A?/CI mA/rt s?/ft s?/MP mW3DU11115100.30.51.033303DU1124530503DU11375501003DU12115101.02.0303DU1224530503DU12375501003DU13115102.5303DU1324530503DU1337550100实验条件0.5ceI A?ce DII?Rm ceV V?无光照10ceVV?光照度10001X50LR?10ceVV?脉冲电流幅度为1mA50LR?10ceVV?脉冲电流幅度1mA注1.3DU1XX型与3DU2XX型参数都相同，仅外型不同，3DU1XX外型为?3X5，3DU2XX外型为?5X8.6。 23DU1XX及3DU2XX都是全塑封。 3.短脚为c，长脚为e。 4.波长峰值为880nm，光谱范围为0.4?m1.1?m。 -8c.光敏三极管的选择根据上面图表和下面所计算的光敏三极管计算值最高工作电压为30V，集电极最大电流为20mA，最大功耗为25mV所以选择3DUI32为此次设计的光敏三极管。 2.2发射和接受电路分析发射电路采用555时基集成电路1IC组成多谐振荡器其输出端直接驱动三只红外发光二极管工作，当输出端A为低电平时发光二极管13VD VD发出红外光，当A点为高电平时发光二极管停止工作。 发光二极管13VD VD设置在冲模口危险区，形成一道80mm高看不见的防线。 为了增强红外线的控制距离，红外发光二极管VD应工作于脉冲状态，即工作电流是脉动的。 因为脉动光（调制光）的有效传送距离与脉冲峰值电流成正比，只需尽量提高峰值pI就能增强红外光的发射距离。 提高pI的方法，是减小脉冲占空比即压缩脉冲宽度?一些彩电红外遥控器，其红外发光管的工作脉冲占空比为1143，一些电气产品红外发光器，其占空比是110。 其具体电路分析如下NE555双极型时基集成电路其主要参数如下所示电源电压DDV4.518V工作电流典型值10mA(DDV=15V空载)阀值电压2/3DDV输出低电平电压为0.4V输出高电平电压13.3V根据图中参数可知充电过程，也即输出高电平的时间?331210.6930.693850.01100.589010t R R C?充（2-91）放电过程也即输出低电平时间33210.6930.693750.01100.519810t RC?放（22）该电路输出波形的占空比为110tqt t?充充放（23）输出矩形脉冲的频率01221.441.44900 (2) (10275)0.01f HZR R C?（24）2C起到稳压参考电压消除干扰的作用，由于时基电路时刻处于振荡状态，红外发光二极管也处于开关状态，所以电路引入RC退耦电路起到滤波抗干扰作用，4R为退耦电阻，其值越大退耦效果越好，本设计取4R为1.2K电容78C C为退耦电容，7C起到滤波稳定输出电压的作用，8C用来滤除高频寄生振荡。 红外发射管TLN104和红外接受管TLP104主要参数如下表22所示表22红外发射管TLN104和红外接受管TLP104主要参数TLN104正向工作电流峰值电流正向电压反偏电流峰值波长光功率60?60?1.5V25mW TLP104最高工作电压最大功率集电极最大电流30V150mW20mA当时基电路输出为高电平时13VD VD反偏截止，13VT VT处于截止状态。 13VT VT和5R组成的接受电路的支路电阻为无穷大，则a,b两点间的电压为Uab=675671211.76R RVVR RR?（25）-10当时基电路输出为低电平时13VD VD和接受管13VT VT均导通，由于电容7C的存在电容两高端电压不能突变，7C就相当与一个局部电源，此时a,b两点电压仍未Uab=11.76V，此时通过TLN104的电流331.4122abNVI mAR?（26）满足参数条件13VT VT中的电流530.32.8abPVI mAR?（27）满足参数条件13VT VT饱和导通时集电极和发射极压降为0.3V,N PII和的值也满足使用条件。 第3章放大、选通、检波电路分析3.1放大电路分析红外接受管接受到的是微弱的光电信号，经变换后产生了微弱的电信号不能起到有效的控制和驱动负载的能力所以要进行放大处理，其具体过程如下13VT VT采用3DU型光电三极管，它和5R构成一个光电转换器，它将接收到的红外光指令信号转换为电信号，经9C耦合后由运放31IC?32IC?（13244LM）进行放大、比较。 设计由6R7R组成的分压器对运放进行分压偏置，将31IC?静态时的同向输入端电位垫高到大约为192DDV V?。 电压增益为-113198510127222ICRGR?（31）3.2选通电路分析放大了的电信号经10C耦合至选频放大级32IC?（13244LM）和1010111213C RRRR、组成RC网络型选频放大器，对接收到的信号进行选频、放大。 选频的目的在于发射来的信号进行选择滤除邻近发射器的干扰信号或其它干扰信号。 32IC?由1213RR、组成的分压器将32IC?的反相位垫高至192DDV V?。 光电信号经31IC?放大后输入到32IC?进行选通比较，选通比较的目的是提高接受电路的抗干扰能力。 选通信号选自1IC的A输出端，当A点为高电平时，发光二极管截止，32IC?的反相输入端便可建立正常的比较电压，只有光信号幅值大于该比较电压时，32IC?才输出高电平，从而达到抑制杂散信号的目的。 3.3检波电路分析当红外光无遮挡时，32IC?比较器输出一系列正脉冲信号，经4VD、5VD倍压检波在C点建立起高电平。 此时同相比较器33IC?输出同相控制信号TX=1。 反相比较器34IC?输出反相控制信号FX=0。 当红外光受到遮挡时，光电信号消失，C点变为低电平，两比较器输出控制信号相反即TX=0，FX=1.电路分析过程此次设计应用了现在应用广泛，性价比较高的四级运放集成放大器LM324,LM324内有4个高性能运算放大器，并且有相位补偿电路耗电低，可用正电源或正负双电源工作，电源电压范围宽，正负电源为1.515V输出范围大，并可以低到0V，电压增益高（约100dB）LM324内部包含四组电路结构完全相同的运放电路。 根据途-12中参数和LM324的性能参数做如下分析四级运放的工作条件，本设计均一律用15V的单电源，那么就可以画出在保护装置正常运行时的三种情况分析，各运放的输出电压以及有关元件的情况如下表31所示表3-1A点电位在不同条件下与四个运算放大器的关系A点电位条件31IC?32IC?CV33IC?34IC?A点高电平（V）15-15000A点低电平（V）无遮挡1715115-15有遮挡7150-1515第4章控制电路4.1控制电路分析在控制信号TX和FX的作用下，经过半导体管4VT和5VT放大分别驱动1K和2K工作。 由于继电器3K在电路开始工作时已处于工作状态，因此通过1K和2K的触电12K?和22K?便可制动电磁铁Y。 为保证冲头上行器件的去料与送料工序操作在遮挡光线时保护电路不工作电路中设置的11VD,14VD和行程开关XS构成行程连锁回路，在冲头上行时XS处于闭合状态，11VD和14VD通过XS接地导通，此时无论光线是否被遮挡，也即不管TX输出为高电平还时低电平，继电器1K始终保持通电工作，而当FX输出为高电平时可通过14VD于XS接地，-13而不通过5VT，当FX输出低电平时，这两种情况2K都不会得电。 不受控制信号TX和FX的控制，而当冲头下行处于保护行程，XS断开，11VD和14VD截止，继电器受控于控制信号电路进入保护状态，此时，若光线没有被遮挡，则TX=1FX=0VT4导通放大时继电器1K工作，1K的常开触点闭合，2K常闭触点不动，由于继电器3K在电路一开始已处于工作状态，即触电32K?早已吸合，电磁铁Y通电，冲床冲头下行，进行冲压作业。 当冲头下行时发生人体遮挡光线控制信号TX=0FX=14VT截止，继电器1K不能导通，其触点12K?保持常开状态，三极管5VT导通，使继电器2K得电动作，其触点22K?处于断开状态，制动电磁铁Y不工作，而制动车床停止运行起到保护作用。 4.2电路的元器件选择即详细计算1K和2K均用额定电压为18V，吸合电流为9?mA，释放电流为4.5?mA的JR4型500.000小型灵敏继电器，4VT和5VT为开关三极管，当XT为高电平时4VT基极饱和电流42421150.720.714.30.7()11.691.22.4BI mAmA mARR?（41）满足吸合条件当XF为高电平时5VT基极饱和电流为52425150.70.713.61.4()10.791.22.4BI mAmA mARR?（42）满足吸合条件9VD,12VD均为指示二极管，当1K吸合时9VD发绿光，证明此时为无人遮挡机器正常操作情况下，而当12VD发出红光时，证明此时有人遮挡，机器此时应为停止状态。 10VD,13VD为1K,2K失电时的电流泻放电-14路，由于继电器为感性负载失电时，电流仍要继续，10VD,13VD就是吸合1K2K断电产生浪涌电压。 2K下端有2313R C和并联电路的目的是当电路闭合时继电器线圈由于自感现象会产生电动势阻碍线圈中电流的增大，从而延长吸合时间，串上RC电路后，可以缩短电路吸合时间。 原理是电路闭合的瞬间电容C两端电压不能突变可视为断路，这样就将继电器线圈工作电压加到线圈两端，加快线圈中电流增大速度，使继电器迅速稳定吸合。 电容C不起作用，电阻R起限流作用。 第5章故障自检控制原理电路中自检控制部分属于直接耦合电路，其中任一级出现故障,都会直接影响继电器1K和2K的正常工作。 故障自检电路就是为判断这些电路是否出现故障而设置的。 自检继电器3K就是用来实现故障判断的。 故障判断电路由继电器3K4K及继电器触点等组成。 在这个电路中设置了由按钮开关QS和继电器4K构成的启动电路。 动作顺序当接通总电源后，按动启动按钮QS而得电工作，与其同时触点31K?的闭合而自锁，但这只是1K继电器得电时故障检测电路的顺序，下面分析当有人遮挡时的动作顺序。 接通总电源后，按动启动按钮QS，则继电器3K通过11K?常开触点21K?的常闭触点的断开，经41K?的常闭触点及QS而得电工作，同样触点31K?也自锁与此同时，继电器K4也经26R14C延时得电动作，其触点41K?将继电器3K的启动电路切断，以保证3K在可靠的自锁条件下工作。 在电路正常工作时，3K和4K均处于工作状态，17VD由于反偏而截止，报警指示灯16VD不亮。 5.1对电路元件作用分析14C15C在正常工作时都不起作用，26R起到限流的作用。 当出现故-15障时3K继电器支路中，11K?21K?不在同一回路上，无法正常接地通电所以31K?自锁处点断开，为安全起见3K也无法重启，即使按启动按钮QS也不起作用，因为此时4K触点已经被启动电路切断，冲床无法启动，这就使机床处于自锁状态，与此同时，由于17VD的导通报警指示灯16V（R）亮，然后关闭电源检修。 3K4K均处要失电，由于3K4K继电器均属于感性元件，一旦失电电流仍持续，两端就存在浪涌电压，14C15C均可吸收继电器3K4K产生的浪涌电流，使3K和4K的触点立即关断，另外，15C还有一个重要作用，当有遮挡物时常闭触点11K?和常开触点21K?的状态均要变化此时为继电器3K线圈供电回路有一个极短的时间差，此时15