反射式光電檢測電路課程設計報告

電路cad課程設計報告

題目：反射式光電檢測電路課程設計報告

專業通訊工程

班級： 09通訊（二）班

姓名劉陽

指導教師周珍艮

成績電氣工程系

2023年5月25日

摘要本設計利用光電二極體與光敏二極體構成光訊號的接收裝置，將光訊號轉化為電訊號，再將所得微弱電訊號處理為可用電訊號。

在當今的電子電路設計中，感測器被越來越廣泛的應用於各種檢測電路，其中為了通過檢測光訊號的變化來達到對電路的控制的功能常常應用到各種電動車的黑線循跡之中，因而特在此研究光電檢測電路模型。

本電路最基礎的部分為光訊號接收電路，首先我們通過該電路的功能要求，繪製電路原理圖，列元器件清單，並生成相應的pcb圖，再按圖焊接電路，最後檢測電路是否達到預期功能。

通過本次光電檢測電路的設計，可以使參與者了解各種光電二極體，光敏二極體的屬性及使用方法，掌握電路焊接的全過程及焊接機巧，以及計算機輔助設計（cad）的方法，熟悉電路設計的全過程，並將理論應用於實踐，為參與者將來設計其他功能的電路提供了寶貴的實踐經驗。

目錄一、前言4

課程設計任務書5

二、正文6

第一章設計要求6

第二章系統的組成及工作原理6

2.1選材6

2.1.1 89c51晶元6

2.1.2發光二極體及光電二極體6

2.1.3 三極體7

2.2 系統組成7

2.3 系統工作原理級電路結構9

2.3.1發光電路9

2.3.2光線接收放大電路9

2.3.3 電路改進10

第三章電路設計11

3.1 方案比較及實驗電路11

3.2 設計計算14

第四章結論15

參考文獻16

前言在現代高科技時代，越來越多的功能性機械人被應用到各個領域，但是機械人要實現自動導引功能和避障功能就必須要感知導引線和障礙物，感知導引線相當給機械人乙個視覺功能，

在科學技術高速發展的現代社會中，人類已經入瞬息萬變的資訊時代，人們在日常生活，生產過程中，主要依靠檢測技術對資訊經獲取、篩選和傳輸，來實現制動控制，自動調節，目前我國已將檢測技術列入優先發展的科學技術之一。由於微電子技術，光電半導體技術，光導纖維技術以及光柵技術的發展，使得光電感測器的應用與日俱增。這種感測器具有結構簡單、非接觸、高可靠性、高精度、可測引數多、反應快以及結構簡單,形式靈活多樣等優點，在自動檢測技術中得到了廣泛應用，它一種是以光電效應為理論基礎，由光電材料構成的器件。

光電感測器是通過把光強度的變化轉換成電訊號的變化來實現控制的，它首先把被測量的變化轉換成光訊號的變化,然後借助光電元件進一步將光訊號轉換成電訊號.光電感測器一般由光源,光學通路和光電元件三部分組成.光電檢測方法具有精度高,反應快,非接觸等優點,而且可測引數多,感測器的結構簡單,形式靈活多樣,因此,光電式感測器在檢測和控制中應用非常廣泛.

所以對光電檢測電路設計的研究就顯得非常有必要了。本設計採用紅外光電感測器實現巡線小車的黑線檢測功能。

課程設計任務書

正文第一章設計要求：

通過用發光二極體發光及光敏二極體接收光訊號檢測道路上的黑線，黑線以外為白色道路，黑線可為直線或曲線，將檢測到的光訊號處理為具體的可利用的電訊號。

第二章系統的組成及工作原理：

2.1選材

主要材料： 89c51晶元、發光二極體、光電二極體、三極體、電阻。

2.1.1 89c51晶元

89c51微控制器晶元可用於對電訊號的處理;

2.1.2 發光二極體及光電二極體

本設計的黑線循跡感測器檢測電路採用的是紅外發光二極體。紅外發光二極體的結構、原理與普通發光二極體相近，只是使用的半導體材料不同。紅外發光二極體通常使用砷化鎵(gaas)、砷鋁化鎵(gaalas)等材料，採用全透明或淺藍色、黑色的樹脂封裝。

其型號為 pd204-6c/3l，採用的是全透明樹脂封裝，如圖 3.2 所示。白色的為發射管，黑色的為接受管。

前者發光後者感光，後者根據有沒有接收到光而呈現出兩種電平。

圖 2.1.2（a） pd204-6c/3l 型發光二極體

圖2.1.2（b） pd204-6b/3l 型光電二極體

2.1.3 三極體

本文設計的檢測電路中三極體的作用就是電流放大和開關作用。其三極體的型號是 3904。它是 npn 型，其放大倍數 300 至 400，功率 625mw，電流 200ma。如圖

圖2.1.3 3904npn三極體

2.2 系統組成

系統的工作流程如圖2.2，共包含光電轉換，放大電路，訊號處理三個模組，光電轉換模組包含紅外線的發射及接收，採取紅外探測的方法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質的特點，在實驗過程中不斷地向地面發射紅外光，當紅外光遇到白色紙質地板時發生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光（或紅外光較小可忽略）。微控制器就是否收到反射回來的紅外光為依據來確定黑線的位置和小車的行走路線（本設計不考慮）。

此外紅外探測器探測距離有限，一般最大不應超過3cm。由發光二極體發射紅外線照射被測物體（地面），然後由光電二極體接收物體反射的紅外線訊號如圖2，當距離適當時，反射光越強，光電管產生的電壓越高。此後光電管產生的經過放大與濾波轉化成可利用的電訊號，放大電路可由電阻與三極體構成，訊號從三極體集電極傳輸到訊號處理單元（89c51微控制器）。

圖2.2（a）系統的工作流程

圖2.2（b）系統的發射接收檢測流程

圖2.2（c）光電轉換器工作原理

2.3 系統工作原理及電路結構

2.3.1 發光電路

圖2.3.1

其中vcc為5v電源，電阻r3為限流電阻。

2.3.2 光線接收放大電路

圖2.3.2

其工作原理為：當光電管d1 上無光照時，d1處於截止狀態，其電阻遠遠大於 r2，則三極體q1 導通，取樣點output 是低電平；當d1 上有光照時，d1導通，三極體 q1截止，其內電阻同樣大於r1，使得取樣點為高電平。其中vcc 為5v 電源。

發光電路與光接收電路成對出現，形成了紅外線訊號檢測電路。

2.3.3 電路改進

此外，為提高輸出電訊號的質量，可在output口再接進一步放大電路及濾波電路，若想提高電路的抗干擾能力可採用光電訊號放大電路的差模輸入如圖4，差分放大電路對共模訊號的抑制能力很強，用在光電訊號檢測採集系統中能夠很好的減小器件暗電流和外界環境溫度變化給電路帶來的影響和誤差，同時為提高放大倍數可採用多級放大電路，若還想提高電訊號的質量可在多級放大電路後接濾波電路。

圖2.3.3（a）

前置差分電路輸入輸出關係：

圖2.3.3（b）濾波電路

第三章電路設計

3.1 方案比較及實驗電路

由於實驗對光電檢測電路產生的電訊號無較高放大倍數級精度要求，故不採用改進的差分輸入電路，多級放大電路及濾波電路，設計電路如圖1，電路的網路表及元件清單如下，相應的pcb電路原理圖如圖3.1：

圖3.1（a）反射式光電檢測電路原理圖

圖3.1（b）元器件清單

圖3.1（c）網路表

圖3.1（d）pcb電路圖

第四章結論

隨著科學技術的發展人們對測量精度有了更高的要求，這就促使光電感測器不得不隨著時代步伐而更新，改善光電感測器效能的主要手段就是應用新材料、新技術製造效能更優越的光電元件。光電感測器是一種非接觸式測小型電子測量裝置,依靠檢測出其接收到的光強的變化，來達到測量目的，同時它也是一種容易受到外界干擾而失去測量準確度的器件。所以在實際應用時除了選擇先進光電元件，還必須考慮參比訊號和溫度補償措施，用來削弱或消除這些因素的影響。

本光電檢測電路的設計過程，使參與者經歷了乙個完整的功能電路設計過程，提高了參與者的實踐能力，也使參與者掌握了光電二極體的使用與光電檢測電路的設計原理，然而本設計的電路較為簡單，不滿足實際工程應用中的高增益，訊號雜訊低的要求，因而實際應用時可在此基本電路之後增加放大，濾波電路等。

此外，由本次設計過程可知，為了達到將外界變化的量實現對某種功能的控制，就需要用感測器實現其相關變數導電訊號的轉變，在今後的設計過程中，則可將設計電路中引入感測器，實現對電路的動態控制，這將大大提高設計電路的智慧型性。

評語表（含自我評價一頁、指導老師評語和成績所在**另起一頁）

參考文獻

1.潘永雄 .《電子線路cad實用教程》. 西安 . 西安電子科技大學出版社

2.黃智偉 . 《感測器應用設計例項製作》. 北京 . 電子工業出版社 2006.

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