反射式光电检测电路课程设计报告

铜陵学院

课程设计报告

课程名称：电子线路CAD课程设计

设计名称：反射式光电检测电路设计

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指导教师：

起止日期：

课程设计任务书

本设计利用光电二极管与光敏二极管构成光信号的接收装置，将光信号转化为电信号，再将所得微弱电信号处理为可用电信号。

在当今的电子电路设计中，传感器被越来越广泛的应用于各种检测电路，其中为了通过检测光信号的变化来达到对电路的控制的功能常常应用到各种电动车的黑线循迹之中，因而特在此研究光电检测电路模型。

本电路最基础的部分为光信号接收电路，首先我们通过该电路的功能要求，绘制电路原理图，列元器件清单，并生成相应的PCB图，再按图焊接电路，最后检测电路是否达到预期功能。

通过本次光电检测电路的设计，可以使参与者了解各种光电二极管，光敏二极管的属性及使用方法，掌握电路焊接的全过程及焊接机巧，以及计算机辅助设计（CAD）的方法，熟悉电路设计的全过程，并将理论应用于实践，为参与者将来设计其他功能的电路提供了宝贵的实践经验。

前言主要说明为什么要从事本设计工作（课题意义），本课题相关技术的现状与特点，拟采用的方案或路线。

可以有以下的一些内容：（设计任务书和主要技术指标和要求）

1. 本课题的背景、目的、意义。

2. 本课题的技术指标或设计要求、研究方案、技术路线与特点。

注意：(1) 不要与摘要雷同；

(2) 学科中的常识内容、科普内容不必赘述。

在现代高科技时代，越来越多的功能性机器人被应用到各个领域，但是机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能，

在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的应用与日俱增。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用，它一种是以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。

光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号.光电传感器一般由光源,光学通路和光电元件三部分组成.光电检测方法具有精度高,反应快,非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛.所以对光电检测电路设计的研究就显得非常有必要了。本设计采用红外光电传感器实现巡线小车的黑线检测功能。

课程设计任务书

正文

●第一章设计要求：

用发光二极管激光敏二极管检测道路上的黑线，黑线以外为白色道路，黑线可为直线或曲线，将检测到的光信号处理为具体的可利用的电信号。

●第二章系统的组成及工作原理：

2.1选材

主要材料：89C51芯片、发光二极管、光电二极管、三极管、电阻。

2..1.1 89C51芯片

89C51单片机芯片可用于对电信号的处理;

2..1.2发光二极管及光电二极管

本设计的黑线循迹传感器检测电路采用的是红外发光二极管。红外发光二极管的结构、原理与普通发光二极管相近，只是使用的半导体材料不同。红外发光二极管通常使用砷化镓(GaAs)、砷铝化镓(GaAlAs)等材料，采用全透明或浅蓝色、黑色的树脂封装。其型号为PD204-6C/3L，采用的是全透明树脂封装，如图 3.2 所示。白色的为发射管，黑色的为接受管。前者发光后者感光，后者根据有没有接收到光而呈现出两种电平。

图 3.2 PD204-6C/3L 型发光二极管

图3.3 PD204-6B/3L 型光电二极管

2..1.3 三极管

本文设计的检测电路中三极管的作用就是电流放大和开关作用。

其三极管的型号是3904。它是NPN 型，其放大倍数300 至400，功率625mW，电流200mA。如图

3904NPN三极管

2.2 系统组成

系统的工作流程如图1，共包含光电转换，放大电路，信号处理三个模块，光电转换模块包含红外线的发射及接收，采取红外探测的方法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在实验过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光（或红外光较小可忽略）。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线（本设计不考虑）。此外红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过3cm。由发光二极管发射红外线照射被测物体（地面），然后由光电二极管接收物体反射的红外线信号如图2，当距离适当时，反射光越强，光电管产生的电压越高。此后光电管产生的经过放大与滤波转化成可利用的电信号，放大电路可由电阻与三极管构成，信号从三极管集电极传输到信号处理单元（89c51单片机）。

图1.a.系统的工作流程

图1.b.系统的发射接收检测流程

图2.光电转换器工作原理

2.3 系统工作原理级电路结构

2.3.1发光电路

其中VCC为5V电源，电阻R3为限流电阻。

2.3.2光线接收放大电路

其工作原理是：当光电管D1 上无光照时，D1处于截止状态，其电阻远远大于R2，则三极管Q1 导通，采样点output 是低电平；当D1 上有光照时，D1导通，三极管Q1截止，其内电阻同样大于R1，使得采样点为高电平。其中VCC 为5V 电源。发光电路与光接收

电路成对出现，形成了红外线信号检测电路。

2.3.4 电路改进

此外，为提高输出电信号的质量，可在output口再接进一步放大电路及滤波电路，若想提高电路的抗干扰能力可采用光电信号放大电路的差模输入如图4，差分放大电路对共模信号的抑制能力很强，用在光电信号检测采集系统中能够很好的减小器件暗电流和外界环境温度变化给电路带来的影响和误差，同时为提高放大倍数可采用多级放大电路，若还想提高电信号的质量可在多级放大电路后接滤波电路。

图4

前置差分电路输入输出关系：

图5.滤波电路

第三章电路设计

3.1 方案比较及实验电路

由于实验对光电检测电路产生的电信号无较高放大倍数级精度要求，故不采用改进的差分输入电路，多级放大电路及滤波电路，设计电路如图1，电路的网络表及元件清单如下，相应的PCB电路原理图如图4：

图1.反射式光电检测电路原理图

图2.网络表

图3.元器件清单

图4.PCB电路图3.2 设计计算

第四章实验、调试及测试结果与分析

正文是整个论文的核心部分，应包括所进行设计或研究的整体内容。

主要包括：

1. 设计要求：（基本要求，提高要求）

2. 系统的组成及工作原理；

3. 电路设计；（包括方案比较，设计计算等内容）

4. 实验、调试及测试结果与分析。

第五章结论

随着科学技术的发展人们对测量精度有了更高的要求，这就促使光电传感器不得不随着时代步伐而更新，改善光电传感器性能的主要手段就是应用新材料、新技术制造性能更优越的光电元件。光电传感器是一种非接触式测小型电子测量设备,依靠检测出其接收到的光强的变化，来达到测量目的，同时它也是一种容易受到外界干扰而失去测量准确度的器件。所以在实际应用时除了选择先进光电元件，还必须考虑参比信号和温度补偿措施，用来削弱或消除这些因素的影响。

本光电检测电路的设计过程，使参与者经历了一个完整的功能电路设计过程，提高了参与者的实践能力，也使参与者掌握了光电二极管的使用与光电检测电路的设计原理，然而本设计的电路较为简单，不满足实际工程应用中的高增益，信号噪声低的要求，因而实际应用时可在此基本电路之后增加放大，滤波电路等。

此外，由本次设计过程可知，为了达到将外界变化的量实现对某种功能的控制，就需要用传感器实现其相关变量导电信号的转变，在今后的设计过程中，则可将设计电路中引入传感器，实现对电路的动态控制，这将大大提高设计电路的智能性。

五、结论

结论是对整个设计工作的总结，不只是前面实验结果部分已作出的研究结果的简单重复，应概括出整个设计工作的结论性意见或认识（收获、体会及建议）。

要求：措词严谨、逻辑严密、文字准确。

此外结论部分有时可以包括作者提出的建议、下一步工作的设想及改进意见等。

注意： (1) 不要以第一人称(我)来书写；

(2) 不要对在设计过程中的常识性错误进行

讨论。

六、参考文献

本部分列出撰写论文过程中所参考的文章、书本及其它文献。

1. 书写格式:

序号→主要作者→文献名→出版地→出版社→

参考文献

1.潘永雄《电子线路CAD实用教程》西安西安电子科技大学出版社

2.黄智伟.《传感器应用设计实例制作》—北京：电子工业出版社2006.

3.童诗白华成英《模拟电子技术基础》（第四版）高等教育出版社

4.董晓娇．《电子工业专用设备》.光电传感器器及其应用.2006年第35 卷第1期；