光電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)-2014

1、?光電子技術(shù)?課程設(shè)計(jì)指 導(dǎo) 書(shū)湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院理學(xué)部光信息教研室2021年5月設(shè)計(jì)一、紅外報(bào)警器一、概述紅外報(bào)警器是利用在紅外波段的光電探測(cè)器制作的一種光電探測(cè)系統(tǒng)，它可以代替人看守或監(jiān)視一定范圍的場(chǎng)所，當(dāng)有人或異物進(jìn)入時(shí)，可發(fā)出聲、光或以其它方式進(jìn)行報(bào)警，告訴它的主人出現(xiàn)了意外情況，以便采取應(yīng)急措施。常用的紅外報(bào)警器，按其工作方式可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。圖1-1 主動(dòng)式紅外報(bào)警器的原理框圖圖1-1是主動(dòng)式紅外報(bào)警器的原理框圖。由紅外光源發(fā)出的紅外輻射被紅外探測(cè)器接收，紅外輻射信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)信號(hào)放大和處理電路后送報(bào)警電路。這種報(bào)警器實(shí)際上分成發(fā)送和接收兩局部，分開(kāi)放置。當(dāng)

2、沒(méi)有人和物進(jìn)入這兩局部之間時(shí)，紅外輻射沒(méi)有被阻斷，報(bào)警器處于一種狀態(tài)，不報(bào)警；當(dāng)有人或物進(jìn)入這兩局部之間時(shí)，紅外輻射被阻擋，報(bào)警器立即翻轉(zhuǎn)到另一種狀態(tài)，即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)。圖1-2 被動(dòng)式紅外報(bào)警器的原理框圖被動(dòng)式紅外報(bào)警器的原理框圖如圖1-2所示，這種報(bào)警器實(shí)際上只有接收局部，當(dāng)有人和物進(jìn)入其監(jiān)視范圍內(nèi)時(shí)，人或物體發(fā)出的紅外輻射被相應(yīng)的紅外探測(cè)器接收后，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大和處理，就會(huì)發(fā)出報(bào)警。因此，在設(shè)計(jì)和選用紅外報(bào)警器時(shí)，必須根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，作出合理的選擇。這種選擇是多種因素綜合考慮的結(jié)果，答案不是唯一的。二、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)主動(dòng)式紅外報(bào)警器，要求：1、發(fā)射局部與接收局部之間距離為1米，當(dāng)有人

3、或物進(jìn)入兩者之間時(shí)，紅外報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號(hào)LED閃爍；2、使用交流市電，但在停電時(shí)，報(bào)警器應(yīng)能正常工作，即應(yīng)有備用電源；3、設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、可靠。三、設(shè)計(jì)步驟1、查閱資料，進(jìn)行調(diào)查。2、復(fù)習(xí)有關(guān)課程內(nèi)容，如光電子技術(shù)、電子技術(shù)根底等。3、選擇紅外發(fā)光元件及接收元件。4、設(shè)計(jì)發(fā)射局部電路。5、設(shè)計(jì)接收局部電路。6、在面包板上進(jìn)行安裝調(diào)試，應(yīng)根據(jù)電路原理圖畫(huà)出元件布線圖，再按圖施工。7、測(cè)試關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電壓波形，并作記錄。四、設(shè)計(jì)例如框圖要設(shè)計(jì)一個(gè)主動(dòng)紅外報(bào)警器，必須選擇適宜的紅外發(fā)射二極管和光電二極管或光電三極管，主要是使它們的發(fā)光波段與接收波段能夠相互對(duì)應(yīng)。首先查閱光電器件手冊(cè)，經(jīng)多種因素考

4、慮選擇紅外發(fā)射二極管SE301A，其發(fā)光波段在940nm附近，相應(yīng)的接收器件選擇PH302，其光譜響應(yīng)曲線的峰值也在940nm附近，這樣，發(fā)射與接收的光波是相對(duì)應(yīng)的。發(fā)射局部電路可由NE555定時(shí)器或其它元件組成多諧振蕩器構(gòu)成，調(diào)節(jié)NE555輸出端限流電阻的大小可限制通過(guò)SE301A的電流，從而決定發(fā)射強(qiáng)度，也就決定了接收距離。報(bào)警器的接收局部由通用運(yùn)放構(gòu)成，這里選擇的是寬帶運(yùn)算放大電路LF353。接收電路的組成框圖如下，當(dāng)然，接收的方案不是唯一的。圖1-3 紅外報(bào)警器接收局部原理框圖為了將光電接收二極管接收到的信號(hào)別離出來(lái)，可采用RC交流耦合電路，這樣交流信號(hào)可輸入到信號(hào)處理電路中同時(shí)又可將

5、接收管的直流偏壓隔離。為了使阻容耦合電路的輸出特性不因負(fù)載變化而變化，通常以一運(yùn)放構(gòu)成的射隨器將RC電路與信號(hào)處理電路隔離。射隨器提高了信號(hào)源帶負(fù)載的能力，其輸出被送入下一級(jí)的運(yùn)放中作濾波放大處理。由運(yùn)放構(gòu)成的濾波電路種類繁多，低通、高通、帶通濾波器等各有各的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇。放大后的信號(hào)送入下一級(jí)，作出報(bào)警與否的相關(guān)處理。在沒(méi)有警情的正常狀態(tài)中，接收電路收到發(fā)射信號(hào)，濾波放大局部有輸出，此時(shí)報(bào)警信號(hào)輸出處理電路不應(yīng)輸出報(bào)警信號(hào)；而在有警情的情況下，接收電路沒(méi)有收到發(fā)射信號(hào)，濾波放大局部沒(méi)有輸出，此時(shí)報(bào)警信號(hào)輸出處理電路應(yīng)輸出報(bào)警信號(hào)。報(bào)警信號(hào)輸出電路用運(yùn)放構(gòu)成。報(bào)警

6、信號(hào)用LED的亮滅來(lái)表示，亮那么表示有警情，滅那么表示正常。LED由報(bào)警信號(hào)輸出電路驅(qū)動(dòng)，因此正常情況下報(bào)警信號(hào)輸出電路應(yīng)輸出低電平，有警情時(shí)應(yīng)輸出高電平要求LED閃爍那么應(yīng)輸出脈沖。對(duì)于集成運(yùn)放而言，當(dāng)同相輸入端的電壓大于反相輸入端時(shí)輸出為正電平，反之那么為負(fù)電平。因此如何控制驅(qū)動(dòng)運(yùn)放同相端與反相端的電平是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。LF353是一雙集成運(yùn)放電路，因此接收局部用兩塊LF353就可完成所需的功能。在不影響電氣性能的前提下，盡量減少元器件的種類和電源種類，是簡(jiǎn)化電子設(shè)計(jì)及制作的一個(gè)重要原那么。在有交流電的地方，一般應(yīng)選用交流電，經(jīng)過(guò)變壓、整流、穩(wěn)壓后作為產(chǎn)品的電源。因此在試驗(yàn)調(diào)試中應(yīng)測(cè)出

7、實(shí)際電流大小，以便為設(shè)計(jì)電源或選購(gòu)電源提供依據(jù)。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，還應(yīng)該準(zhǔn)備備用電池和穩(wěn)壓電源并聯(lián)，以便一旦停電時(shí)報(bào)警器可以照常工作。設(shè)計(jì)二、紅外可逆計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)紅外可逆計(jì)數(shù)器，要求：1、當(dāng)一物體沿某一方向經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)器時(shí)，計(jì)數(shù)器進(jìn)行加一計(jì)數(shù)；而一物體沿反方向經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)器時(shí)，計(jì)數(shù)器進(jìn)行減一計(jì)數(shù)；2、用數(shù)碼管顯示當(dāng)前的計(jì)數(shù)值，最大計(jì)數(shù)值為1000；3、設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、可靠。二、設(shè)計(jì)步驟1、查閱資料，對(duì)設(shè)計(jì)題目進(jìn)行分析。2、復(fù)習(xí)有關(guān)課程內(nèi)容，如光電子技術(shù)、電子技術(shù)根底、單片機(jī)原理等。3、根據(jù)附錄選擇適宜的元器件。4、設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器硬件電路。5、如設(shè)計(jì)涉及到軟件，編寫(xiě)程序并調(diào)試仿真。6、在

8、面包板上進(jìn)行安裝調(diào)試，應(yīng)根據(jù)電路原理圖畫(huà)出元件布線圖，再按圖施工。7、測(cè)試關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電壓波形，并作記錄。8、設(shè)計(jì)硬件電路的PCB板圖，制作焊接電路板。三、例如框圖下列圖是一個(gè)基于單片機(jī)系統(tǒng)的紅外可逆計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)方案： 圖2-1 紅外可逆計(jì)數(shù)器原理框圖在該方案中，紅外發(fā)射電路與探測(cè)電路均稱用雙路設(shè)計(jì)，這兩路探測(cè)器探測(cè)的信號(hào)送入單片機(jī)系統(tǒng)，由單片機(jī)對(duì)雙路信號(hào)進(jìn)行分析，判斷物體的運(yùn)動(dòng)方向并決定計(jì)數(shù)方式，然后再由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)顯示電路，將結(jié)果顯示出來(lái)。為了防止誤動(dòng)作，發(fā)射電路可采用方波調(diào)制電路，當(dāng)沒(méi)有物體經(jīng)過(guò)探測(cè)器區(qū)間時(shí)，A、B兩路探測(cè)電路輸出特定的電平如低電平，而當(dāng)有物體經(jīng)過(guò)探測(cè)區(qū)間時(shí)，物體將擋住紅外光，

9、探測(cè)電路接收不到紅外線，其輸出發(fā)生變化，對(duì)單片機(jī)而就可接收到一個(gè)電平跳變沿，根據(jù)A、B兩路信號(hào)跳變沿變化的次序就可決定物體運(yùn)動(dòng)的方向，當(dāng)然也可決定計(jì)數(shù)器是執(zhí)行加計(jì)數(shù)還是減計(jì)數(shù)了。方波發(fā)生器的組成方式很多，可以用集成運(yùn)放構(gòu)成，可以用一些定時(shí)芯片構(gòu)成，也可以用一些數(shù)字門電路構(gòu)成。接收電路由三極管、集成運(yùn)放及周邊元件組成，通常由前置放大、限幅、濾波、檢波、積分等模塊構(gòu)成，一些專用的芯片還會(huì)設(shè)計(jì)自動(dòng)增益控制等模塊，這要根據(jù)實(shí)際運(yùn)用中的需求設(shè)計(jì)。接收電路要求抗干擾能力強(qiáng)，靈敏度高，輸出電壓滿足單片機(jī)要求等。顯示模塊用數(shù)碼管構(gòu)成，可由單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，也可用一些外圍芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)，比方鎖存器芯片，七段數(shù)碼管譯碼

10、芯片等。設(shè)計(jì)三、電機(jī)轉(zhuǎn)速與方向光電測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速與方向的光電測(cè)量系統(tǒng)，要求：1、用光電方式測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，并用數(shù)碼管顯示轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)；2、采用單片機(jī)系統(tǒng)；3、設(shè)計(jì)方案及程序要運(yùn)行可靠。二、設(shè)計(jì)步驟1、查閱資料，對(duì)設(shè)計(jì)題目進(jìn)行分析。2、復(fù)習(xí)有關(guān)課程內(nèi)容，如光電子技術(shù)、電子技術(shù)根底、單片機(jī)原理等。3、根據(jù)附錄選擇適宜的元器件。4、設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)的硬件電路。5、編寫(xiě)單片機(jī)程序并調(diào)試仿真。6、在面包板上進(jìn)行安裝調(diào)試，應(yīng)根據(jù)電路原理圖畫(huà)出元件布線圖，再按圖施工。7、測(cè)試關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電壓波形，并作記錄。8、設(shè)計(jì)硬件電路的PCB板圖，制作焊接電路板。三、設(shè)計(jì)例如下列圖是基于

11、單片機(jī)系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速與方向光電測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案： 圖3-1 電機(jī)轉(zhuǎn)速與方向光電測(cè)量系統(tǒng)框圖為了確定電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，在本設(shè)計(jì)中采用三個(gè)探測(cè)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。探測(cè)電路A作為主探測(cè)器，用于測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速；探測(cè)電路B、C作為輔助探測(cè)器，與探測(cè)器A共同確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向；斬光器用于調(diào)制紅外光，產(chǎn)生脈沖信號(hào)。原理如下：某一時(shí)刻發(fā)射電路A穿過(guò)斬光器產(chǎn)生一脈沖信號(hào)，以此脈沖信號(hào)觸發(fā)單片機(jī)，開(kāi)始對(duì)單片機(jī)的機(jī)器周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)發(fā)射電路A第二次穿過(guò)斬光器產(chǎn)生一脈沖信號(hào)時(shí)觸發(fā)單片機(jī)停止計(jì)數(shù)，根據(jù)單片機(jī)的機(jī)器周期及計(jì)數(shù)值就可算出電機(jī)轉(zhuǎn)一周所用的時(shí)間，從而計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)動(dòng)方向可根據(jù)產(chǎn)生脈沖A、B、C的順序來(lái)確定，順序

12、不同，那么轉(zhuǎn)動(dòng)方向不同。上述用于確定轉(zhuǎn)速時(shí)只計(jì)了電機(jī)轉(zhuǎn)一周的時(shí)間，由于單片機(jī)本身的時(shí)鐘頻率比擬低，其機(jī)器周期比擬長(zhǎng)，因而只計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)一周的時(shí)間其誤差將比擬大，為了減小測(cè)量誤差，通?？捎醚娱L(zhǎng)計(jì)時(shí)的方法來(lái)解決，即計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)N周的時(shí)間。實(shí)際上，用一路輔助電路也可以確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，這時(shí)如何做？撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告的要求及格式一、要求1、用Protel99或Altium Designer畫(huà)電路原理圖、印制板圖，并將原理圖、制板圖打印好，作為附件放在報(bào)告書(shū)的附錄中。2、用KeilC編寫(xiě)單片機(jī)程序，用Proteus、Multisim等軟件對(duì)單片機(jī)程序、硬件電路進(jìn)行仿真。3、報(bào)告書(shū)應(yīng)有封面、目錄、正文、附錄四局部

13、，并裝訂成冊(cè)。二、課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)格式封面：設(shè)計(jì)題目，指導(dǎo)老師，班級(jí)，設(shè)計(jì)者姓名，學(xué)號(hào)，同組成員，日期目錄正文：1、技術(shù)指標(biāo)；2、根本原理；3、硬件電路設(shè)計(jì)；4、軟件設(shè)計(jì)；5、結(jié)論；6、心得體會(huì)；7、參考文獻(xiàn)附錄：1、安裝調(diào)試實(shí)驗(yàn)報(bào)告；2、本設(shè)計(jì)的電路原理圖、印制板圖；3、元器件清單；4、程序清單；5、其它附件附錄：電子元件列表名稱規(guī)格型號(hào)名稱規(guī)格型號(hào)集成運(yùn)放LM358P電容30LM324N102LF353P103線性穩(wěn)壓器LM317223穩(wěn)壓管5V2CW103473二極管1N40011041N4148224共陰極7段數(shù)碼管YS5611BS/AS334555NE555474四2與非門SN74HC00N105線陣CCDTCD1251UD225鎖存器74LS373335單片機(jī)芯片座40腳零拔插力活動(dòng)座475單片機(jī)AT89S52極性電容3.3m晶振12MHz4