模块二光电传感器及其应用ppt课件.pptx

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1、模块二光电传感器及其应用传感器技术及应用刘映群 曾海峰 主编 ISBN:978-7-113-21869-0中国铁道出版社2016-10模模块二光电传感器及其应用块二光电传感器及其应用本模块主要学习光电传感器的基本原理及其应用。 光电式传感技术的基本原理； 常用光电元器件的结构、特性； 常用光电元器件的典型应用电路； 红外感应开关的工作原理；知识点： 光电传感器的选用； 光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管应用电路安装、调试； 红外感应开关的制作、调试；技能点： 本模块主要采用实训为主，讲授为辅的教学方式完成课程任务。教师主要是将项目的基本知识及关键步骤跟学生讲明即可，学生大部分时间自主学习，并进行

2、实训。在实训过程中，教师进行辅导及在项目完成后进行总结。教学法：项目说明项目说明设计制作一个光控制照明电路的设计，分别采用光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管及光电池作为敏感元件，测试它们的光电特性，并能控制继电器动作，发出声或光报警。项项目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计一、光电效应及光电元件用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串具有一定能量的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。光电效应可分为内光电效应和外光电效应。1外光电效应及器件外光电效应：在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有紫外光电

3、管、光电倍增管、光电摄像管等。1）光电管光电管是基于外光电效应的基本光电转换器件。光电管可使光信号转换成电信号。光电管的图形符号和测量电路如图2-1所示，真空光电管的结构和实物图如图2-2所示。 项项目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计项项目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计2）光电倍增管光电倍增管能将一次次闪光转换成一个个放大了的电脉冲，然后送到电子线路去，记录下来。当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到的倍增放大。然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。光电倍增管的结构与原理电路如图2-3

4、所示。 项项目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计项项目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计2内光电效应及器件当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象称为内光电效应，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应(光伏效应)。光电导效应是在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。光生伏特效应是在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管。项项目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计1）光敏电阻光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材

5、料制成的光电器件，其常用的材料有硫化镉（CdS）、硫化铅（PbS）、锑化铟（InSb）等。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，金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图如图2-4（a）所示。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

6、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2-4（b）所示。光敏电阻的接线图如图2-4（c）所示。项项目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计项项目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计（1）光敏电阻的主要参数暗电阻与暗电流光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流成为暗电流。亮电阻与亮电流光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。光

7、敏电阻的暗电阻越大，亮电阻越小，即暗电流要小，亮电流要大，则光敏电阻的性能越好，灵敏度也高。光敏电阻暗电阻的阻值一般为兆欧数量级，亮电阻在几千欧以下。项项目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计（2）光敏电阻的基本特性伏安特性在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线如图2-5所示。由图可见，光敏电阻在一定的电压范围内，其I-U曲线为直线。说明其阻值与入射光量有关，而与电压电流无关。 项项目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计光照特性光敏电阻的光照特性是描述光电流I和光照强度之间的关系，不同材料的光照特性

8、是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。硫化镉光敏电阻的光照特性如图2-6所示。 项项目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计光谱特性光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。几种不同材料光敏电阻的光谱特性如图2-7所示。对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。从图中可见硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域，常被用作光度量测量（照度计）的探头。而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区，常用做火焰探测器的探头。 项项

9、目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计项项目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计频率特性实验证明，光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。大多数的光敏电阻时间常数都较大，这是它的缺点之一。不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数（毫秒数量级），因而它们的频率特性也就各不相同。温度特性光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应，同时光敏电阻的灵敏度和暗电阻也随之改变，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。因此，硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。对于可见

10、光的光敏电阻，其温度影响要小一些。光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点，所以应用广泛。此外许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。光敏电阻的缺点是型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并且由于光照特性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电信号的传感元件。项项目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计2）光敏二极管和光敏晶极管（1）光敏二极管光敏二极管的结构简图和符号如图2-8所示，光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，在没有光照

11、射时，反向电阻很大，反向电流很小，这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，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。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。 项项目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计（2）光敏晶体管光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，如图2-9（a）所示，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。光敏晶体管接线如图2-9（b）所示，大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压

12、，当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍，所以光敏晶体管有放大作用。 项项目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计（3）光电池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”。硅光电池原理图如图2-10所示。它实际上是一个大面积的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

13、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。项项目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计光电池基本特性有以下几种：光谱特性光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线如图2-11所示。从图中可知，不同材料的光电池，光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池波长在0.8m附近，硒光电池在0.5m附近。硅光电池的光谱响应波长范围为0.41.2m，而硒光电池只能为0.380.75m。可见，硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。 项项目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计光照特性光电池

14、在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。硅光电池的开路电压和短路电流与光照的关系曲线如图2-12所示。从图中看出，短路电流在很大范围内与光照强度呈线性关系，开路电压（即负载电阻RL无限大时）与光照度的关系是非线性的，并且当照度在2000lx时就趋于饱和了。因此用光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。 项项目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计频率特性光电池作为测量、计数、接收元器件时，常用调制光输入。光电池的频率特性是指输出电流随调制光频率变化的关系。温度特性光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。为使

15、光电池作为测量元件时，能保持温度恒定，一般需采取温度补偿措施。项项目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计二、光电传感器的基本应用电路1光敏电阻光敏电阻的两种典型应用原理电路如图2-13所示。 项项目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计2光敏二极管光敏二极管的典型应用原理电路如图2-14所示。3光敏晶体管光敏晶体管的典型应用原理电路如图2-15所示。项项目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计三、光控制照明电路的工作原理光控制照明电路如图2-16所示，可分别用光敏电阻、光敏二极管或光敏晶体管作光电元件，其灵敏度是相当高的。照度较低时，VT1不导通；当有一定照度的

16、光照射时，光敏电阻阻值变小，VT1获得足够的基极电流而导通，产生较大的集电极电流，使继电器吸合，相应照明电灯点亮。二极管VD阻尼继电器线圈振荡，因而对VT起保护作用。项项目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计项项目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计项项目实施目实施一、光控制照明电路的绘制使用Protel99se绘制完成图2-16所示的原理图。二、元器件选择R1选用光敏电阻，D1O为光敏二极管，Q2为光敏晶体管，Q1为9014。其它元件无特殊要求。项目一的元器件清单表如表2-1所示。项项目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计元件序号元件名称元件型号与规格元件

17、参数数量R1光敏电阻5528亮阻10k-20k1VD1光敏二极管2CU2B 1VD2二极管1N4007 1VT1光敏晶体管3DU5C 1VT2三极管9014 1R2电阻器碳膜电阻器，功率1/8W100K1R3电阻器碳膜电阻器，功率1/8W2K1R4电阻器碳膜电阻器，功率1/8W1001U1蜂鸣器5V 1LED1发光二极管5mm 1K1继电器5V，2A 1JP1双排针双排6针，间距2.54mm 1项项目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计表表2-1项目一元器件清单表项目一元器件清单表三、印刷电路板设计使用Protel99se绘制的光控制照明电路的印刷电路板图为双面板，如图2-17所示

18、。图2-17（a）为元件面，图2-17（b）为焊接面。项项目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计四、电路调试此电路相对简单，只要安装无误，就能正常工作，调试时分别用杜邦线或跳线帽将光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管接入电路，并用书本遮挡光线，观察发光二极管是否熄灭、继电器是否动作、蜂鸣器是否停止发声，相应照明电灯是否点亮即可。项项目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计项项目拓展与评价目拓展与评价一、训练题目与要求1利用光敏元件和继电器，设计制作一个路灯自动控制电路，要求傍晚自动开灯，早晨自动关灯。项项目一目一 光控制照明电路的设计光控制照明电路的设计项目说明项目说明设计制

19、作一个红外线自动水龙头电路，可通过检测发射的红外线信号是否被反射来判断前方是否有物体，从而控制继电器的开关动作，水龙头自动出水。项目二项目二 红外线自动水龙头电路的设计红外线自动水龙头电路的设计一、红外辐射基础1红外线太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为0.751000m。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为0.751.50m之间；中红外线，波长为1.506.0m之间；远红外线，波长为6.0l000m之间。2红外辐射辐射是从物质中发射出来的。任何一块小的物体都包含着极大数目的原子或分子。每个原子或分子都有很多能级，从高能级跃迁到低能级都能发射光子。实际发射出来的电磁波就是这些大量光子的

20、总和。红外辐射是由于物体受热引起内部分子转动及振动向外释放能量而引起的，一般常温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。红外线和所有的电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性质，但它的特点是热效应非常大，红外线在真空中传播的速度c=3108m/s，而在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用使它产生衰减。项目二项目二 红外线自动水龙头电路的设计红外线自动水龙头电路的设计用红外线作为检测媒介，来测量某些非电量，比可见光作为媒介的检测方法要好。其优越性表现在：1）红外线（指中、远红外线）不受周围可见光的影响，故可在昼夜进行测量。2）由于待测对象发射出红外线，故不必设光源。3）大气对某些特定波长范

21、围的红外线吸收甚少（22.6m，35m，814m三个波段称为“大气窗口”），故适用于遥感技术。项目二项目二 红外线自动水龙头电路的设计红外线自动水龙头电路的设计3红外光传感器的工作原理与结构红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示单元等组成。红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测器（基于热效应）和光子探测器（基于光电效应）两大类。热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。这类传感器主要有热释电红外线传感器和红

22、外线温度传感器两大类。光探测器是利用红外线辐射的光电效应制成的，其核心是光电器件。这类传感器主要有红外二极管、三极管等。项目二项目二 红外线自动水龙头电路的设计红外线自动水龙头电路的设计4红外光传感器的应用1）光源本身是被测物的应用实例照度计光的照度E的单位是lx（勒克斯），它是常用的光度学单位之一，它表示受照物体被照亮程度的物理量，可以用照度计来测量。照度计如图2-18所示。照度计原理框图如图2-19所示。项目二项目二 红外线自动水龙头电路的设计红外线自动水龙头电路的设计项目二项目二 红外线自动水龙头电路的设计红外线自动水龙头电路的设计 红外线辐射温度计红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用

23、于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从-303000，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。红外辐射温度计如图2-20所示。 项目二项目二 红外线自动水龙头电路的设计红外线自动水龙头电路的设计2）被测物体反射光通量的应用实例反射式烟雾报警器如图2-21所示，在没有烟雾时，由于红外对管相互垂直，烟雾室内又涂有黑色吸光材料，所以红外LED发出的红外光无法到达红外光敏三极管。当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射（图中只画出几个微粒的反射示意），使部分红外光到达光敏三极管，有光电流输出。 项目二项目二 红外线自动水龙头电路的

24、设计红外线自动水龙头电路的设计5红外线自动水龙头电路工作原理1）电路组成整个系统由电源电路、红外感应电路、延时电路及开关控制电路四大部分构成。2）电路原理路电路设计如图2-22所示。 项目二项目二 红外线自动水龙头电路的设计红外线自动水龙头电路的设计3）工作原理电源电路：J2输入12V电源，D5可防止电源极性接反，R7为限流电阻，C2、C4滤波。红外感应电路：由U1C、R10、R11、D6、C5构成振荡器，从U1的10脚输出脉冲信号，经Q4放大后驱动红外发射管D2向空间发射红外信号。此信号如果没有被障碍物挡住，红外接收管D1无法接收到信号，故后续电路不工作；当D2前面有障碍物时（如人手在D2前

25、面晃动），发射的红外信号被障碍物反射回来，就会被D1接收到，接收的信号经Q1、Q2放大，最后在R3端输出放大的红外信号，再由U1A进行选频、U1D进行整形最后在U1的11脚输出。延时电路：R5、VR1、C3组成延时电路，调节VR1可以调节每次动作后的延时时间，本电路设计延时时间在040S范围内可调。（由于元件有一定的误差，故实际延时会略有差别）开关控制电路：Q3、Q5、K1构成开关控制电路。若D1接收到信号后，最后会在U1的4脚输出经延时后的低电平控制信号，使Q3、Q5导通，K1吸合。D3为继电器工作状态指示灯。项目二项目二 红外线自动水龙头电路的设计红外线自动水龙头电路的设计项目实施项目实施

26、一、红外线自动水龙头电路的绘制使用Protel99se绘制完成图2-23所示的原理图。二、元器件选择项目二的元器件清单表如表2-3所示。项目二项目二 红外线自动水龙头电路的设计红外线自动水龙头电路的设计元件序号元件名称元件型号与规格元件参数数量IC1集成电路CD4093 1D1红外接收管5黑色 1D2红外发射5透明 1D6D8二极管1N4148 3D4、D5二极管1N4007 1Q1Q4三极管9012 4Q5三极管9013 1R4、R12电阻器碳膜电阻器，功率1/4W5602R14电阻器碳膜电阻器，功率1/4W2.2k1R5电阻器碳膜电阻器，功率1/4W6.8k1R6、R8电阻器碳膜电阻器，功

27、率1/4W10k2R11电阻器碳膜电阻器，功率1/4W15k1R10、R15电阻器碳膜电阻器，功率1/4W82k2R3、R13电阻器碳膜电阻器，功率1/4W200k2R2电阻器碳膜电阻器，功率1/4W5.1M1R1电阻器碳膜电阻器，功率1/4W10M1R7电阻器碳膜电阻器，功率1W331R9电阻器碳膜电阻器，功率1W1001VR1电位器 1M1C1C2、C5电容器瓷片电容0.1F3C3电解电容器47uF/16V 1C4电解电容器100uF/16V 1LED1发光二极管5mm红色 1K1继电器12V继电器 1J1接线端子301-2P 1表表2-3 红外线自动水龙头电路元件清单红外线自动水龙头电路

28、元件清单三、印刷电路板设计使用Protel99se绘制的光控制照明电路的印刷电路板图为双面板，如图2-24所示。图2-24（a）为元件面，图2-24（b）为焊接面。项目二项目二 红外线自动水龙头电路的设计红外线自动水龙头电路的设计四、电路调试1二极管、三极管、集成电路安装时注意极性。2安装红外发射与接收管时注意不要接反，透明的为发射管，黑色的为接收管。3、第一次通电时，继电器会有一个吸合动作，这是正常的电路检测动作。项目二项目二 红外线自动水龙头电路的设计红外线自动水龙头电路的设计项项目拓展与评价目拓展与评价一、训练题目与要求1利用红外发射接收对管制作红外遥控开关。项目二项目二 红外线自动水龙

29、头电路的设计红外线自动水龙头电路的设计项目说明项目说明设计制作一个简易转速表电路。采用红外线发光管，通过光学原理实现对转速的测量，通过计数锁存电路、延时电路、脉冲电路的相互有机组合可以使测速范围达到了从0转/s到9999转/s，实现近距离测量。项目三项目三 对射式光电传感器构成的简易转速表电对射式光电传感器构成的简易转速表电路的设计路的设计一、红外线转速表的工作原理红外线转速表采用的红外线探头有直接试和反射式两种。直接式探头、发光管和受光管在被测物体的两边，发光管射出的光线直接照射到受光管上，被测物体运动时阻挡光线，产生计数信号，这种探头经常用做光电计数。反射式探头、发光管和受光管在被测物体的

30、同测，当探头接近物体是，接收到脉冲的红外线信号，用于测量转速比较方便。测量转速的探头根据测量距离可以采用透镜系统，也可不采用透镜系统。当被测物离开探头距离在15cm以内时，无需采用透镜。探头设计是可采用小功率发光管5GL和光敏受光管3DU5C。如图2-25所示，两管并排放置，两个管子的中心线夹角很小，使它们在10cm15cm远处相交。这种探头靠接近物体上漫反射回来的光线工作，对全黑色物体，接收灵敏度很低，对白色物体和镜面反射体接收最灵敏，也能接收到其他颜色物体的反射光，但相应的探头距离要近些。项目三项目三 对射式光电传感器构成的简易转速表电对射式光电传感器构成的简易转速表电路的设计路的设计 项

31、目三项目三 对射式光电传感器构成的简易转速表电对射式光电传感器构成的简易转速表电路的设计路的设计测量转速的探头经常用透镜系统，根据光学的折射反射原理，发射管和接收管都固定在探测架上，通过透镜聚焦。在探测架中间用半透膜使发射的红外线折射向转动体，又能使从转动的物体反射回来的红外线通过半透膜射向接收管。半透膜上最好涂一层只能透过某个单色波长的物质，或用单色性很好的滤色玻璃制作，使它只能透过固定波长的红外线（例如0.93m）,这样对于对抗杂散光的干扰更有利。为了提高反射红外线的能力，通常在转动物体贴上一小片红外线反射纸，反射效果极好。有时用镜面、铝箔、洁白平滑的纸、白油漆等也能提供反射性能。当转动物

32、体转到反射纸恰好对着从发光管发出的红外线时，接收管接收到光信号，从单位时间内收到光信号的次数便可测出转速。项目三项目三 对射式光电传感器构成的简易转速表电对射式光电传感器构成的简易转速表电路的设计路的设计红外线转速表电路原理框图如图2-26所示。为了使红外线转速表不怕可见光干扰，系统可以设置振荡器和波形变换电路，使发射的红外线通过脉冲功率放大和调制，当受光管收到脉冲信号后，电路把调制发光管的脉冲信号和受光管接收到的脉冲信号选通出来，对收到的光电信号，必须“卸调”调制脉冲，即实行解调，从中取得真正需要的转速脉冲输出信号，解调后输出信号送入计数控制门计数。项目三项目三 对射式光电传感器构成的简易转

33、速表电对射式光电传感器构成的简易转速表电路的设计路的设计项目三项目三 对射式光电传感器构成的简易转速表电对射式光电传感器构成的简易转速表电路的设计路的设计秒脉冲电路可以得到1kHz的秒脉冲信号，通过1秒脉冲电路得到闸门时间（脉宽）为1秒的闸门信号，该1秒的脉宽就是转速表的取样时间，是计数控制门的输入信号。为了在测量过程中，只让显示数字在每次测量结束后自动改变一次数据，要对计数显示“锁存”，所以电路需要一个延时1锁存信号。在计算器每测量依次转速后，使计算器自动清零，故设置延时2电路，以提供延时清零脉冲。计数、锁存、译码显示电路完成光电转速表的转速数据显示。项目三项目三 对射式光电传感器构成的简易

34、转速表电对射式光电传感器构成的简易转速表电路的设计路的设计二、单元电路设计1红外发射及接收电路红外发射及接收电路如图2-27所示，5GL最大工作电流10mA,正向电压UF=1.3V；3DU5C暗电流0.2mA，光电流1mA。于是计算出R1=500，R2=5K。项目三项目三 对射式光电传感器构成的简易转速表电对射式光电传感器构成的简易转速表电路的设计路的设计2秒脉冲电路秒脉冲电路如图2-28所示。所需要的秒脉冲由定时器555定时器所构成的多谐振荡器提供。其中1脚是电路地GND；8脚是正电源Vcc，工作电压范围为318V；2脚是低触发端TR；3脚是输出端OUT；4脚是主复位端R；5脚是控制电压端U

35、c；6脚是高触发端TH；7脚放电端DISC。R1、R2和C为定时电阻和电容，C1为电压控制端稳定电容。 项目三项目三 对射式光电传感器构成的简易转速表电对射式光电传感器构成的简易转速表电路的设计路的设计3秒脉宽电路秒脉宽电路用D触发器CC4013构成2分频电路。CD4013引脚图如图2-29所示。功能说明：“3”端口接秒脉冲；“2”端口的输出作为“5”端口的输入，“1”端口作为整体信号输出接与非门。项目三项目三 对射式光电传感器构成的简易转速表电对射式光电传感器构成的简易转速表电路的设计路的设计4计数控制电路计数控制电路用42输入与非门CC4011和非门4009构成。CD4011、CC4009

36、内部结构图如图2-30所示。 图2-30 CD4011、CC4009内部结构图具体连接图如图2-31所示。 图2-31 计数控制电路项目三项目三 对射式光电传感器构成的简易转速表电对射式光电传感器构成的简易转速表电路的设计路的设计5延时电路用单稳态触发器CC4098构成。延时电路如图2-32所示。触发器从TR+或TR-端引入(上升沿触发用TR+端，下降沿触发则用TR-端)。输入端 接“1”时，单稳态触发器按触发工作，接“0”时，Q端输出“0”， 输出“1”。项目三项目三 对射式光电传感器构成的简易转速表电对射式光电传感器构成的简易转速表电路的设计路的设计6计数/锁存/译码/驱动CC40110计

37、数/锁存/7段译码/驱动器CC40110是CMOS集成电路，内部计数器采用“约翰逊计数器”结构，按二十进制加/减方式工作，锁存器将数据锁存，译码器、驱动器和输出驱动七段显示器，电源范围为3V18V，输出驱动电源可达10mA以上。CC40110逻辑图如图2-33所示，CC40110各引出端具体功能如图2-34所示。ag为驱动器输出端，和七段显示器连接；CR为清零端，R=“1”时，计数器复零；CPu是加法计数时钟，CPd是减法计数时钟；Qco输出进位脉冲，Qbo输出借位脉冲； 为触发器使能端， =“0”时计数器工作， =“1”时，计数器处于禁止状态，即不计数；LE为锁存控制端，LE=“1”时，计数

38、器锁存。“5”端口接清零；“6”端口接锁存；“9”接计数脉冲；“10”是进位输出。项目三项目三 对射式光电传感器构成的简易转速表电对射式光电传感器构成的简易转速表电路的设计路的设计项目三项目三 对射式光电传感器构成的简易转速表电对射式光电传感器构成的简易转速表电路的设计路的设计7整机电路对射式光电传感器构成的简易转速表整机电路原理图如图2-35所示。 项目三项目三 对射式光电传感器构成的简易转速表电对射式光电传感器构成的简易转速表电路的设计路的设计项项目实施目实施一、简易转速表电路的绘制使用Protel99se绘制完成图2-35所示的原理图。二、元器件选择项目三的元器件清单表如表2-5所示。项

39、目三项目三 对射式光电传感器构成的简易转速表电对射式光电传感器构成的简易转速表电路的设计路的设计元件序号元件名称元件型号与规格元件参数数量IC1集成电路NE555 1IC2集成电路CD4013 1IC3集成电路CD4098 1IC4集成电路CD4011 1IC5集成电路CD4009 1IC6IC9集成电路CD40110 4IC10IC13集成电路7段共阴数码管 4D1红外发光管5GL 1T1光敏三极管3DU5 1表表2-5 项目三元器件清单表项目三元器件清单表三、印刷电路板设计使用Protel99se绘制的简易转速表电路的印刷电路板图为双面板，如图2-37所示。图2-37（a）为元件面，图2-

40、37（b）为焊接面。项目三项目三 对射式光电传感器构成的简易转速表电对射式光电传感器构成的简易转速表电路的设计路的设计项目三项目三 对射式光电传感器构成的简易转速表电对射式光电传感器构成的简易转速表电路的设计路的设计项项目拓展与评价目拓展与评价一、训练题目与要求一、训练题目与要求1利用光敏元件和单片机设计制作一个四位数显转速表。利用光敏元件和单片机设计制作一个四位数显转速表。项目三项目三 对射式光电传感器构成的简易转速表电对射式光电传感器构成的简易转速表电路的设计路的设计项目说明项目说明设计制作一个人体热释电红外传感器报警电路，采用热释电红外元件作为敏感元件，警戒监测范围，一旦有人闯入，能控制

41、继电器动作，发出声光报警。项目四项目四 人体热释电红外传感器报警电路的设计人体热释电红外传感器报警电路的设计热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早在1938年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代才又兴起了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。除了在楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机；电视

42、机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的电路；开启监视器或自动门铃上的应用；摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动；等等。项目四项目四 人体热释电红外传感器报警电路的设计人体热释电红外传感器报警电路的设计1.热释电传感器的内部电路如图2-37所示，热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用,因而需要用电阻将其转换为电压形式,该电阻阻抗高达104，故引入的沟道结型场效应管应接成共漏形式即源极跟随器来完成阻抗变换。项目四项目四 人体热释电红外传感器报警电路的设计人体热释电红外传感器报警电路的设计2热释电传感器工作原理热释电传感

43、器内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化产生正、负电荷,随温度的变化而变化。如图2-38所示，热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是“视而不见”的。项目四项目四 人体热释电红外传感器报警电路的设计人体热释电红外传感器报警电路的设计项目四项目四 人体热释电红外传感器报警电路的设计人体热释电红外传感器报警电路

44、的设计3热释电红外传感器电路原理框图热释电红外传感器电路原理框图如图2-39所示。 项目四项目四 人体热释电红外传感器报警电路的设计人体热释电红外传感器报警电路的设计4热释电红外防盗报警电路原理图热释电红外防盗报警电路原理图如图2-40所示。 项目四项目四 人体热释电红外传感器报警电路的设计人体热释电红外传感器报警电路的设计热释电红外防盗电路由热释电红外线传感器PIR、集成运放LM358、电压比较器LM393、110报警电路及开机延时电路等组成。该电路可用作家居防盗。在家人离开居室时，把开关K1闭合，电路便开始工作。只要有人进入室内一段时间后，便会发声报警。1电路通电后，热释电红外传感器PIR

45、探测到前方人体辐射出的红外线信号时，由PIR“2”脚输出微弱的电信号，经过晶体管VT1放大后，通过C2输入到运算放大器IC2A的“3”脚进行高增益低噪声放大，再由IC2A的“1”脚输出信号。2IC2B在电路中作为电压比较器，它的“5”脚由R10、VD1提供基准电压，当IC2A的“1”脚输出的信号到IC2B的“6”脚时，“5”、“6”脚输入的电压进行比较，如果此时的“6”脚电压比“5”脚高，IC2B的“7”脚由原来的高电平变为低电平。此时C6通过VD2放电，使IC3的“2”脚变为低电平，如果“2”脚的电压比“3”脚由电阻R14、R15分压提供的基准电压低，则IC3的“1”脚变为高电平，晶体管VT

46、2导通，音乐芯片IC4获得电压，其“2”脚输出的音频信号经过晶体管VT4放大后，驱动蜂鸣器BELL发出110报警的声音。项目四项目四 人体热释电红外传感器报警电路的设计人体热释电红外传感器报警电路的设计3当人离开探测区时，IC2B的“7”脚变为高电平，VD2截止，C6有一个充电时间（30秒），使得蜂鸣器延时报警30秒钟。4VT3、R20与C7组成开机延时电路，时间约2分钟（应大于延时报警时间），以防止开机时立即报警，让人有时间离开现场，也可防止在停电后来电时造成误动作。项目四项目四 人体热释电红外传感器报警电路的设计人体热释电红外传感器报警电路的设计项目实施一、人体热释电红外传感器报警电路的绘

47、制使用Protel99se绘制完成图2-40示的原理图。二、元器件选择项目四的元器件清单表如表2-7所示。项目四项目四 人体热释电红外传感器报警电路的设计人体热释电红外传感器报警电路的设计名称型号/规格编号数量名称型号/规格编号数量电阻47KR11电容22uf/25vC3C5 1MR21热释电传感器D203SPIR1 1KR3R17R223菲涅尔透镜 配PIR1 4.7KR42二极管1N4001VD1VDV2D3VD44 100KR5R6R12R141三极管8050VT1VT2VT3VT44 10KR7R10R11R162蜂鸣器无源BELL1 330KR82IC7806IC11 470KR13

48、R201 LM358IC21 270KRR151 LM393IC3 100RR16R191 C002IC41 240KR211自锁开关8*8K11电位器100KRP11 电容104C4 47uF/25VC1C2C6C8 100uF/25V 表表2-7 项目四元器件清单表项目四元器件清单表三、印刷电路板设计使用Protel99se绘制的人体热释电红外传感器报警电路的印刷电路板图为双面板，如图2-41所示。图2-41（a）为元件面，图2-41（b）为焊接面。项目四项目四 人体热释电红外传感器报警电路的设计人体热释电红外传感器报警电路的设计四、电路调试1请按照装配工艺要求进行焊接和安装，电阻R21直

49、接装在咅乐芯片IC4最上面的两个焊盘上，并用剪下的元件引脚焊接在IC4最下面的4个焊盘上，然后插装在印制板上，请注意脚位顺序。2电源电压可选择直流12V(接在J1处）或者直流6V (接在J2处）。3全部安装完通电后，首先检测2个基准电压点，调试RP1，可以改变IC2B的“5”脚电压，从而改变红外探测的距离和灵敏度。IC3的“3”脚电压为4.3V，当手靠近和离开热释传感器PIR时，用万用表（或示波器）可以测量出IC2A的“”脚由低到高的电平变化，此高电平经过C5耦合加到IC2B的“6”脚，使得IC2B的“7”脚输出低电平，从而让后面的比较器IC3的“1”脚输出高电平，蜂鸣器报警发声。4当人体靠近热释传感器PIR距离越短，则PIR的“2”脚变化的信号就越强，从而使得报警延时的时间也越长。5可以用透明胶带封住蜂鸣器上面的小孔，以增强声音效果。项目四项目四 人体热释电红外传感器报警电路的设计人体热释电红外传感器报警电路的设计项项目拓展与评价目拓展与评价一、训练题目与要求1利用热释电红外传感器制作自动感应灯。项目四项目四 人体热释电红外传感器报警电路的设计人体热释电红外传感器报警电路的设计