电路CAD课程设计报告反射式光电检测电路课程设计报告.doc

学号：09091310332010 - 2011学年第 2 学期 电路CAD课程设计报告题 目：反射式光电检测电路课程设计报告专 业： 通 信 工 程班 级： 09通 信（二）班姓 名： 指导教师： 成 绩： 电气工程系2011年5月25日摘要 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。目录一、前言.4课程设计任务书.5二、正文.6第一章 设计要求：6第二章 系统的组成及工作原理：.62.1选材.62.1.1 89C51芯片.62.1.2发光二极管及光电二极管.62.1.3 三极管.72.2 系统组成.72.3 系统工作原理级电路结构.92.3.1发光电路.92.3.2光线接收放大电路.92.3.3 电路改进10第三章 电路设计113.1 方案比较及实验电路.113.2 设计计算.14第四章 结论.15参考文献.16前言在现代高科技时代，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 书设计要求：1、明确设计题目，确定方案。对于考虑的方案，经过比较后，确定选择哪个方案。2、单元电路的设计和元器件的选择。要列出元器件清单3、画出完整的电路原理图和必要的波形图，并说明主要工作原理。4、计算出各元器件的主要参数，并标在电路图中恰当的位置。5、画出印制电路板图。6、制作PCB版，并对电路版性能进行测试，并分析是否满足要求。7、按要求撰写课程设计报告。报告内容包括目录、正文（概述，硬件原理图介绍，需要的元器件清单）绘制PCB图、PCB版的制作过程、结论（PCB版布线及制作要注意的问题，设计的电路版性能测试及总结，设计过程中遇到的问题及解决方法，心得等）、参考文献、附录（可有可无）等。排版要严格按课程设计撰写规范要求进行。正文第一章 设计要求：通过用发光二极管发光及光敏二极管接收光信号检测道路上的黑线，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 2.1.2（a） PD204-6C/3L 型发光二极管 图2.1.2（b） 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。如图图2.1.3 3904NPN三极管2.2 系统组成系统的工作流程如图2.2，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2.2（a）系统的工作流程 图2.2（b）系统的发射接收检测流程 图2.2（c）光电转换器工作原理2.3 系统工作原理及电路结构2.3.1 发光电路图2.3.1其中VCC为5V电源，电阻R3为限流电阻。2.3.2 光线接收放大电路图2.3.2其工作原理为：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。2.3.3 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2.3.3（a）前置差分电路输入输出关系：图2.3.3（b）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3.1：图3.1（a）反射式光电检测电路原理图图3.1（b）元器件清单图3.1（c）网络表图3.1（d）PCB电路图第四章 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。评语表（含自我评价一页、指导老师评语和成绩所在表格另起一页）指导老师评语课程设计成绩指导老师签字2010年 月 日参考文献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；