光强指示器课程设计报告

重庆交通大学信息学院课程设计报告

班级：

姓名：

学号：

设计项目名称：光电强度显示器

实验所属课程：电子技术综合设计与制作

实验室(中心)：现代电子实验中心

指导教师：

设计完成时间： 2012 年 7 月 4 日

教师评阅：

□设计思路正确；□仿真结果正确可信；□设计成果符合要求；□设计报告规范；

□设计过程原始记录（元件参数、原理图、计算等）符合要求；□设计分析总结全面；

评分：

一、设计思路与元件参数

（一）、设计思路：

1、自己设计四种以上不同的光照条件，测定不同光照条件下光照条件下的光

电传感器电路：光敏电阻与一定值电阻串联；

2、光电传感器输出的测量采用集成运算放大器lm324构成的反相闭环放大器

的电路完成，完成至少四种以上不同光照条件下显示系统方案的论证和设

计；

4、光线强度指示器的电路组成方框图：

分压电路部分→反相闭环放大器的电路部分→显示电路部分

3、光线强度指示器的电路：

4、完成算出系统中各个参数的计算；

5、设计结束后，进行仿真调试与硬件测试；

（二）元件参数

二、有关元件介绍

（一）光敏电阻

光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在对特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，再外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

光敏电阻简介：

光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1~10M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。

通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射

时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。一般光敏电阻器结构如右图所示。光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成。光敏电阻器在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示。

光敏电阻工作原理光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。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，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。

（二）LM324芯片

LM324是四运放集成电路，它采用14管脚双列直插塑料（陶瓷）封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+为同相输出端，表示运放输出端口V0的信号与该输入端的相位相同，

LM324引脚排列见图：

运算放大器内部结构：

LM324集成四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。

三、仿真结果

光最弱时，光敏电阻阻值=2千欧，发光二极管LED1、LED2、LED3、LED4均亮；

光较强时，光敏电阻阻值=40欧，发光二级管LED1、LED2、LED3亮，LED4不亮；

光线再加强，光敏电阻阻值=20欧，发光二级管LED1、LED2亮，LED3、LED4均不亮；

光线再加强，光敏电阻阻值=8欧，发光二级管LED1、LED2 、LED3亮，LED4均不亮；

光线最强时，光敏电阻阻值=4欧（或小于4欧），发光二级管LED1、LED2 、LED3、LED4均不亮；

四、制作过程描述

步骤一：选好光强指示器所需的电路元件；

步骤二：将所设计好的电路上的元件按照电路图与芯片的引脚结构排好版；

步骤三：将电烙铁上电加热，用焊锡测试温度是否达到焊锡的熔点；

步骤四：按照电路图进行焊接。

成品图如下：

本人在整个设计过程中完成了对于该光照强度显示器的电路的设计，Proteus制图、电路功能仿真和电路的焊接。

五、设计过程中遇到的问题

看似这个电路图只有三个模块，比较简单，其实设计过程中还是遇到了不少的问题。最初的电路图并非是现在这个样子，是经过了三四次修改才最终成了形。最初的设计思路是想用蜂鸣器的声音大小来反映光照强度，但是在仿真的过程中，蜂鸣器的效果不明显，声响大小变化不明显，不能很好的反应光照强度。然后就开始考虑中多个发光二级管不同的发光个数来反映光照强度。共设计了三个模块，光电传感器电路部分采用的是光敏电阻器与一定值电阻串联；光电传感器电路测量电路的部分采用了四个运算放大器构成的反相闭环放大器并联而成电路构成；显示电路部分是有四个运算放大器的输出端分别一100欧的定值电阻与一发光二级管串联构成。其中各个参数的计算也是难点，在仿真过程中，各电阻的阻值如没有使电路达到运算放大器的线性工作范围，就出不来效果，经过反复计算与仿真才将最后的阻值定下来，后来又在老师的指导下将与运算放大器反相接入端串联的定制电阻换成了滑动变阻器，提高了电路的灵活性。在焊接过程中，首先元件的排版并非简单的把各元件放在万能板上就行了，而是要考虑到怎样排版才更方便焊接，更加使焊接出来的板子美观。其次，就是焊接了，焊接是个危险的活儿，特别是对于不熟练的我来说，动不动就会将各导线外的胶皮烫坏；元件焊接歪了，又拆了重新焊接等。最后就是电路板的调试环节了，在仿真过程中效果明显的电路图做成电路板之后，实验效果并非如此理想，又根据设计思路将可能影响效果的电阻阻值改变了，这是一个考验人耐心过程。

六、结论与体会

两周的课程设计已经结束，这次实验应该是我第一次自己独立完成从设计电路图，仿真与电路板的焊接，调试电路。完成了能够对四种以上不同光照强度作出相应反应的电路，并实现了对不同光强的自动检测和显示。由于我们是通信工程的，平时能接触到电子设计的机会并不多，这次课程设计让我从头到尾了解了电路的制作过程，让我的实践能力有了很大的提高，动手能力与团队合作能力也提高了许多。以前在课本上知识学到的理论知识，通过这次课程设计使这些理论知识得到了实验的强化。

本次课程设计给我印象最深刻的就是电路图的设计，虽然光强指示器原理是很简单的，但要怎样把各种电子元件组合完成实验所想要的功能并非易事。因为之前很少接触到电子设计这方面的实验，所以这方面的概念的薄弱，再加上以前学的理论知识在一

定程度模糊了，得参考很多文献才能设计出一个简单的电路图。然后还要调试仿真多次才有信心焊接电路板。其次就是电路板的焊接，通过电路板的焊接过程提高了我们的动手能力与耐心。同学之间互相帮助，增进了班级凝聚力。

通过这次课程设计，我知道了自己的能力，知道自己需要在哪些方面做知识与能力的补充。并且也让我对仿真软件应用游客更好的了解，并且焊接技术也提高了很多。理论很重要，但动手能力也很重要，两者可需靠的联系在一起，时刻的培养这两方面的能力。

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