一种光电传感器教学实验平台的制作方法

专利名称：一种光电传感器教学实验平台的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种教学实验平台，尤其涉及一种光电传感器教学实验平台。
背景技术：
在当前的教学中，为了让电子、信息类学生能切实掌握好光电传感器的原理及应 用，使学生既能掌握到书本上的原理性知识，又能对具体的光电元件和转换电路有感性认 识，需要光电传感器教学实验平台让学生进行实际操作实验，从而深刻理解具体电路的参 数与组成，对传感器系统有更全面的理解，充分认识光电系统的实际应用环境。目前常用的光电传感器教学实验平台包括电源、光源、光电转换单元以及测量仪 表，其中电源使用外接直流稳压电源，光源包括光源控制电路以及与光源控制电路连接的 发光元件，光电转换单元包括调理电路以及与调理电路连接的光电传感器，光源控制电路、 调理电路分别与测量仪表连接。光源控制电路控制发光元件发出光信号，光电传感器将接 收到的光信号转换为电信号并经放大、滤波等调理电路后输出至测量仪表，通过测量仪表 可读取光电转换单元和光源控制电路输出的电信号。实际使用中，往往需要根据教材内容 准备多种发光元件(如红外发射管、红橙黄绿蓝紫各色LED灯等)及多种光电传感器(如光 敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池、反射式/透射式光电开关、热释电红外器件等)， 为了便于安装和更换，这些器件都通过接插方式与相应的电路连接。通过该实验平台，可以 使学生比较方便的了解各类常见光电传感器的功能、特性等，有助于相关课程的学习。但这 种实验平台仅关注了光电传感器元件的自身特性测量，而这些特性是可以通过各种器件的 器件手册查到的，因此通过这一类实验平台只能进行最基础的验证性实验，不利于学生设 计性和创造的培养，无法体现光电传感器在实际应用中的位置。为了克服上述实验平台的缺陷，有人在上述平台的基础上进行了改进，增加了计 算机和模数转换模块，光源控制电路、调理电路分别与模数转换模块的输入端连接，模数转 换模块将输入的模拟电信号转换为数字信号后传输给计算机，计算机通过预先设定的算法 对信号进行计算处理后，得到光电传感器元件的主要参数并通过输出设备显示输出。在使用现有实验平台过程中，发现存在较多的安全隐患，主要包括一、外接电源由于生产厂家的不同其正负端的位置有可能相反，而学生实验时往 往只注意外形而忽视正负端的设置，可能导致正负端接反导致设备损坏甚至人身事故。二、发光元件、光电传感器的接插脚通常都有极性的要求，而目前每个器件上的两 个(发光元件的正/负极、光电传感器的P/N极)接插脚形状长短相同，极易插反，导致器 件损坏。三、发光元件和光电传感器作为频繁插拔的接插件，频繁的与人体接触，引脚与插 座也也频繁接触插拔，极易产生静电，从而影响器件的使用寿命。综上所述，现有光电传感器教学实验平台存在安全隐患，函待改善。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种使用更加安全的光电传感 器教学实验平台。本实用新型的光电传感器教学实验平台，包括电源、光源、光电转换单元、测量计 算单元以及输入输出单元，光源包括光源控制电路以及通过接插方式与光源控制电路连 接的发光元件，光电转换单元包括调理电路以及通过接插方式与调理电路连接的光电传感 器，测量计算单元包括模数转换模块以及与模数转换模块连接的计算控制模块，光源控制 电路、调理电路分别与模数转换模块的输入端连接，其特征在于，所述电源接入端包括电源 极性自适应电路，使输入实验平台的电源正负极固定。优选地，所述发光元件的正极和负极接插脚的长度不同，光源控制电路中的发光 器件插座也做相应设置；所述光电传感器的P极和N极接插脚的长度不同，调理电路中的光 电传感器插座也做相应设置。优选地，所述发光元件插座、光电传感器插座均连接有静电吸收电路。优选地，所述模数转换模块的输入端连接有超量程电压钳位保护电路，将输入电 压控制在模数转换模块的量程范围内。优选地，所述计算控制模块为单片机，所述输入输出单元包括分别与单片机连接 的显示器、键盘及执行部件。本实用新型的光电传感器教学实验平台不仅可以满足教学中各类光电传感器的 实验要求，而且可进行深入的实验设计，提高学生的实际动手能力，同时还解决了现有技术 中存在的安全问题，提供了一个安全的实验环境。
图1为本实用新型的光电传感器教学实验平台的结构框图；图2为本实用新型的光电传感器教学实验平台的布局示意图；图3为本实用新型的光电传感器教学实验平台的软件流程图；图4为本实用新型具体实施方式
中电源极性自适应电路的结构示意图；图5为本实用新型具体实施方式
中发光元件、光电传感器接插脚的结构示意图；图6为本实用新型具体实施方式
中静电吸收电路的电路原理图；图7为本实用新型具体实施方式
中超量程电压钳位保护电路结构示意图。
具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的技术方案进行详细说明本实用新型的光电传感器教学实验平台，如附图1所示，包括电源(图中未画出)、 光源、光电转换单元、测量计算单元以及输入输出单元。所述电源使用外接直流稳压电源，为避免因电源正负极接反造成的电路损毁，直 流稳压电源接入端设计有电源极性自适应电路，如附图4所示，外加电源U经二极管组成的 极性自适应电路变换为正负端输出固定的实验平台电源Vcc，外接直流稳压电源端上正下 负时，正信号经二极管D2成为实验平台正极电源，经实验电路后回实验平台负极电源，再 经二极管D4返回外接电源端负端；外接电源端上负下正时，正信号经二极管D3成为实验平台正极电源，经实验电路后回实验平台负极电源，再经二极管Dl返回外接电源端负端。所述光源包括包括红外发射管、红橙黄绿蓝紫各色LED灯等发光元件以及电源控 制电路，可通过电源控制电路打开/关闭发光元件或调整光强；发光元件通过接插方式与 电源控制电路连接；如附图5所示，各发光元件的引脚均作长短针设置，即正极接插脚和负 极接插脚采用不同长度的针脚，相对应的插座也做相应设置，从而保证发光元件只能以唯 一正确的方式接入插座，防止由于插错方向导致元件或电路受损；当然，也可以采用其它方 式，例如，将两个接插脚截面分别设计为不同的形状或大小。发光元件插座与一个静电吸收 电路相连接，如附图6所示，通过TVS 二极管将瞬时电流从敏感器件引开。TVS 二极管在线 路板上与被保护的信号线并联，当瞬时电压超过电路正常工作电压后，TVS 二极管便发生雪 崩击穿，提供给瞬时电流一个超低电阻通路，其结果是瞬时电流通过二极管被引开，避开被 保护器件，并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。当瞬时脉冲结束 后，TVS 二极管自动回复高阻状态，整个回路进入正常电压。此处也可以使用专用抗静电器 件、防雷管等实现静电吸收。所述光电转换单元包括调理电路以及通过接插方式与调理电路连接的多种可相 互替换的光电传感器，光电传感器将发光元件发出的光信号转换为电信号，经过放大、滤波 等调理电路调整为可处理电信号输出；如附图5所示，各光电传感器的引脚均作长短针设 置，即P极接插脚和N极接插脚采用不同长度的针脚，相对应的插座也做相应设置，从而保 证光电传感器只能以唯一正确的方式接入插座，防止由于插错方向导致元件或电路受损； 与发光元件类似，光电传感器的插座也与一个如附图6所示的静电吸收电路连接，起到防 止静电损坏的作用。测量计算单元包括模数转换模块和计算控制模块，本具体实施方式
中模数转换模 块采用型号为ADC0809的模数转换器，计算控制模块采用型号为SST89E564RD的单片机。 SST89E564RD单片机与51单片机完全兼容，且支持在线调试，学生可以充分理解软件框架 与控制流程；可以对实验软件做自主性的修改。输入模数转换模块的信号有两路，第一路 信号为光源控制电路中的电压信号，第二路信号为光电传感器输出的经调理电路调整后的 电压信号。SST89E564RD单片机将第二路信号经电路模型和算法处理，得出光电传感器元 件的主要参数送入输入输出单元中的输出装置。进行模数转换的器件都有一定的电压输 入范围，当传感器信号经调理过程进入模数转换控制器时，输入电压应保持在量程范围内， 因此，在模数转换模块模拟量的输入端增加超量程电压钳位保护电路，将输入电压控制在 模数转换模块的量程范围内。超量程电压钳位保护电路如附图7所示，第一路信号输入端 Vil与电源Vcc、Vss间分别接入二极管Dl 1、D22，Dll的P极与信号输入端Vil连接，N极 与Vcc连接；正常信号输入时，D11、D22均截止；当输入信号超出最大值时，Dll导通将输入 信号钳位在最大值上；当输入信号超出最小值时，D22导通将输入信号钳位在最小值上；同 样，第二路信号输入端Vi2与电源Vcc、Vss间分别接入二极管D33、D44，D33的P极与信号 输入端Vi2连接，N极与Vcc连接。整个测量过程中保证输入量在量程允许的范围内。所述输入输出单元包括分别与单片机连接的显示器、键盘及执行部件，显示器采 用字符型液晶显示器，显示光源信号值和光电传感器主要参数；键盘采用12键的小键盘， 包括0 9的数字键和“确定”、“返回”键；采用电子音响和LED作为执行部件，在光电传感 器应用系统中根据传感器的信号做出不同执行动作。[0031]除外接直流稳压电源外，上述各元器件及电路均焊接在一块电路板的同一侧，实 验平台的整体布局如附图2所示，其中，1为电源极性自适应电路，2为发光元件，3为光源控 制电路，4为光电传感器，5为调理电路，6为模数转换器，7为单片机，8为IXD显示器，9为 小键盘，10为执行部件。为了减小背景光的影响，实验平台上还包括一个可同时遮盖住发光 元件与光电传感器的可拆卸的遮光板11。使用本实用新型的实验平台进行实验时，首先选取一个发光元件和一个光电传感 器，将其安装在相应的插座上。发光元件与光电传感器通过光信号相连，同时被遮光板盖 住。光源的电信号进入第一路A/D通道；光电传感器将光信号转换为电信号作为第二路信 号，经调理电路及超量程电压钳位保护电路匹配为适合模数转换器的电压范围，输入模数 转换器。通过小键盘的操作和LCD显示器的显示选取需要进行的实验，确定实验开始后， 单片机控制模数转换器同步采样两路信号，按电路原理进行计算求取光电传感器的器件参 数；通过LCD实时显示两路信号值和光电传感器的主要参数；光源信号的强弱通过光源控 制电路逐渐改变。以上过程可完成光电传感器的原理实验，在进行光电传感器应用实验时， 将经过调整的第二路信号连接至执行部件，也可以经单片机程序处理后接执行部件。测量计算单元的软件流程如附图3所示，单片机启动后进入实验项目选择页，通 过小键盘确定并开始一项实验内容，启动模数转换器，实时采集光源信号与光电传感器信 号，根据光电传感器参数与输入量的电路关系求解参数值。LCD显示器上实时显示两路信号 值和光电传感器主要参数的当前值。小键盘的“返回”按键可以随时中断当前实验项目，返 回实验项目选择页重新选择实验。测量计算单元的编程结构开放，使用了 SST单片机，代码 可以在线调整以比较不同算法处理的结果。以下分别根据光敏电阻和透射式光电开关的实验过程来对本实用新型的光电传 感器教学实验平台的使用进行进一步说明光敏电阻的原理与应用实验在实验平台上安装好光源和光敏电阻，用遮光板盖住发光元件和光敏电阻；光源 强弱受光源控制电路控制，控制信号为电压量，这一电压量作为光源信号接一路模数转换 通道进入单片机进行记录显示；在光敏电阻一端引出转换后的电压量作为传感器信号接另 一路模数转换通道接单片机处理。在实验过程中，通过光源控制电路调节光源变暗，观察 LCD显示器上显示的光源信号数值至最小，此时另一通道获取一个电压值，根据电路原理， 单片机通过该电压值和采样电阻值、电源值，计算得到光敏电阻两端的电压和流过光敏电 阻的电流，进一步计算出光敏电阻的暗电阻值，显示在LCD显示器上；按上述过程调节光源 变亮，可以得到亮电阻值并显示。在整个调节的过程中，单片机实时采样显示光源控制电路 的电压信号和经过光电传感器及调理电路上的电压信号，并根据相关的电路原理实时计算 显示当前的光敏电阻阻值、电流值；记录下显示数据可以绘制伏安曲线。在插座上安装另一 型号的光敏电阻，可以考察到不同信号间参数的区别。光敏电阻具有光谱特性，对不同波长 的光接收的灵敏度不一样，用其他颜色的发光元件替换当前发光元件，重复上述调节过程 可以进行光谱特性的初步测量。透射式光电开关的原理与应用实验在实验平台上安装好发光元件和透射式光电开关，用遮光板盖住发光元件和透射 式光电开关的接收器；光源端电压控制信号经模数转换通道进入单片机；透射式光电开关接收传感器端的电压信号分两路，一路经模数转换通道进入单片机，一路经调理电路连接 单片机的一个输入引脚。经模数转换器的两路电压信号经单片机由IXD显示器输出显示； 调理电路将透射式光电开关接收传感器端的电压信号与阈值电压比较后输出开关信号，阈 值电压可调，开关信号从外部端口进入单片机，单片机对开关信号计数，经IXD显示器显示 当前开关状态，同过执行部件驱动外部的电子音响发音。固定好光源强度使其与透射式光 电开关的接收器之间保持开通状态，开关信号与执行部件中的电子音响驱动电路相连，在 微型电机顶部安装风扇叶片，将叶片垂直于光源与接收器的光路放置，启动电机，接收传感 器端的电压信号经调理电路形成具有一定频率的开关信号，单片机对开关信号计数并将其 转换为频率信号，显示在LCD显示器上，同时电子音响根据不同的频率发出不同音调的声音。 类似地，通过本实验平台，光敏二极管可测量其暗电流、光电流；光敏三极管可测 量其光照特性、伏安特性；光电池可测量其开路电压、短路电流，设计了光电池典型的使用 电路。各器件都可进行初步的光谱特性测量。各类光电传感器均可结合光电转换单元、测 量计算单元、输入输出单元构成完整的光电传感器系统。各元器件在拆卸调换时，产生的人 体静电、接触静电会被静电吸收电路吸收，带有长短针设计的唯一安装方法保证了电路中 元器件安装的正确性。实验平台上和编程相关的元件选用了本科教材中的典型元器件，使 实验软件的流程和细节能被学生完全理解。
权利要求1.一种光电传感器教学实验平台，包括电源、光源、光电转换单元、测量计算单元以及 输入输出单元，光源包括光源控制电路以及通过接插方式与光源控制电路连接的发光元 件，光电转换单元包括调理电路以及通过接插方式与调理电路连接的光电传感器，测量计 算单元包括模数转换模块以及与模数转换模块连接的计算控制模块，光源控制电路、调理 电路分别与模数转换模块的输入端连接，其特征在于，所述电源接入端包括电源极性自适 应电路，使输入实验平台的电源正负极固定。
2.如权利要求1所述光电传感器教学实验平台，其特征在于，所述发光元件的正极和 负极接插脚的长度不同，光源控制电路中的发光元件插座也做相应设置；所述光电传感器 的P极和N极接插脚的长度不同，调理电路中的光电传感器插座也做相应设置。
3.如权利要求1所述光电传感器教学实验平台，其特征在于，所述发光元件插座、光电 传感器插座均连接有静电吸收电路。
4.如权利要求1所述光电传感器教学实验平台，其特征在于，所述模数转换模块的输 入端连接有超量程电压钳位保护电路，将输入电压控制在模数转换模块的量程范围内。
5.如权利要求1所述光电传感器教学实验平台，其特征在于，所述计算控制模块为单 片机，所述输入输出单元包括分别与单片机连接的显示器、键盘及执行部件。
6.如权利要求1所述光电传感器教学实验平台，其特征在于，还包括一个可同时遮盖 住发光元件与光电传感器的可拆卸的遮光板。
专利摘要本实用新型公开了一种光电传感器教学实验平台，包括电源、光源、光电转换单元、测量计算单元以及输入输出单元，其中，电源接入端包括电源极性自适应电路，使输入实验平台的电源正负极固定；光源中的发光元件与光源控制电路之间、光电转换单元中的光电传感器与调理电路之间均采用接插方式连接，且各元器件两接插脚的长度不同，对应的插座也做相应设置，避免插反；各元器件插座均连接有静电吸收电路，防止静电对元器件的影响；测量计算单元中的模数转换模块的输入端连接有超量程电压钳位保护电路，将输入电压控制在模数转换模块的量程范围内。本实用新型不仅可满足教学中各类光电传感器原理及应用实验要求，同时还解决了现有技术中存在的安全问题。
文档编号G09B23/18GK201829104SQ20102055651
公开日2011年5月11日 申请日期2010年9月30日 优先权日2010年9月30日
发明者王婷婷, 肖韶荣, 赵静 申请人:南京信息工程大学