電路CAD課程設(shè)計(jì)報(bào)告反射式光電檢測(cè)電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、學(xué)號(hào)：09091310332010 - 2011學(xué)年第 2 學(xué)期 電路cad課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目：反射式光電檢測(cè)電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告專 業(yè)： 通 信 工 程班 級(jí)： 09通 信（二）班姓 名： 指導(dǎo)教師： 成 績(jī)： 電氣工程系2011年5月25日摘要 本設(shè)計(jì)利用光電二極管與光敏二極管構(gòu)成光信號(hào)的接收裝置，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再將所得微弱電信號(hào)處理為可用電信號(hào)。在當(dāng)今的電子電路設(shè)計(jì)中，傳感器被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于各種檢測(cè)電路，其中為了通過(guò)檢測(cè)光信號(hào)的變化來(lái)達(dá)到對(duì)電路的控制的功能常常應(yīng)用到各種電動(dòng)車的黑線循跡之中，因而特在此研究光電檢測(cè)電路模型。本電路最基礎(chǔ)的部分為光信號(hào)接收電路，首先我們通過(guò)該電路的功

2、能要求，繪制電路原理圖，列元器件清單，并生成相應(yīng)的pcb圖，再按圖焊接電路，最后檢測(cè)電路是否達(dá)到預(yù)期功能。通過(guò)本次光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)，可以使參與者了解各種光電二極管，光敏二極管的屬性及使用方法，掌握電路焊接的全過(guò)程及焊接機(jī)巧，以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（cad）的方法，熟悉電路設(shè)計(jì)的全過(guò)程，并將理論應(yīng)用于實(shí)踐，為參與者將來(lái)設(shè)計(jì)其他功能的電路提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。目錄一、前言.4課程設(shè)計(jì)任務(wù)書.5二、正文.6第一章 設(shè)計(jì)要求：6第二章 系統(tǒng)的組成及工作原理：.62.1選材.62.1.1 89c51芯片.62.1.2發(fā)光二極管及光電二極管.62.1.3 三極管.72.2 系統(tǒng)組成.72.3 系統(tǒng)工作原理級(jí)

3、電路結(jié)構(gòu).92.3.1發(fā)光電路.92.3.2光線接收放大電路.92.3.3 電路改進(jìn)10第三章 電路設(shè)計(jì)113.1 方案比較及實(shí)驗(yàn)電路.113.2 設(shè)計(jì)計(jì)算.14第四章 結(jié)論.15參考文獻(xiàn).16前言在現(xiàn)代高科技時(shí)代，越來(lái)越多的功能性機(jī)器人被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，但是機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)引功能和避障功能就必須要感知導(dǎo)引線和障礙物，感知導(dǎo)引線相當(dāng)給機(jī)器人一個(gè)視覺(jué)功能，在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)中，人類已經(jīng)入瞬息萬(wàn)變的信息時(shí)代，人們?cè)谌粘Ｉ?，生產(chǎn)過(guò)程中，主要依靠檢測(cè)技術(shù)對(duì)信息經(jīng)獲取、篩選和傳輸，來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)，目前我國(guó)已將檢測(cè)技術(shù)列入優(yōu)先發(fā)展的科學(xué)技術(shù)之一。 由于微電子技術(shù)，光電半導(dǎo)體技術(shù)，光

4、導(dǎo)纖維技術(shù)以及光柵技術(shù)的發(fā)展，使得光電傳感器的應(yīng)用與日俱增。這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非接觸、高可靠性、高精度、可測(cè)參數(shù)多、反應(yīng)快以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,形式靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用，它一種是以光電效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，由光電材料構(gòu)成的器件。光電傳感器是通過(guò)把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的，它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化,然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào).光電傳感器一般由光源,光學(xué)通路和光電元件三部分組成.光電檢測(cè)方法具有精度高,反應(yīng)快,非接觸等優(yōu)點(diǎn),而且可測(cè)參數(shù)多,傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,形式靈活多樣,因此,光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛. 所以對(duì)光電檢測(cè)

5、電路設(shè)計(jì)的研究就顯得非常有必要了。本設(shè)計(jì)采用紅外光電傳感器實(shí)現(xiàn)巡線小車的黑線檢測(cè)功能。課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書設(shè)計(jì)要求：1、明確設(shè)計(jì)題目，確定方案。對(duì)于考慮的方案，經(jīng)過(guò)比較后，確定選擇哪個(gè)方案。2、單元電路的設(shè)計(jì)和元器件的選擇。要列出元器件清單3、畫出完整的電路原理圖和必要的波形圖，并說(shuō)明主要工作原理。4、計(jì)算出各元器件的主要參數(shù)，并標(biāo)在電路圖中恰當(dāng)?shù)奈恢谩?、畫出印制電路板圖。6、制作pcb版，并對(duì)電路版性能進(jìn)行測(cè)試，并分析是否滿足要求。7、按要求撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。報(bào)告內(nèi)容包括目錄、正文（概述，硬件原理圖介紹，需要的元器件清單）繪制pcb圖、pcb版的制作過(guò)程、結(jié)論（pcb版布線及制作要注

6、意的問(wèn)題，設(shè)計(jì)的電路版性能測(cè)試及總結(jié)，設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題及解決方法，心得等）、參考文獻(xiàn)、附錄（可有可無(wú)）等。排版要嚴(yán)格按課程設(shè)計(jì)撰寫規(guī)范要求進(jìn)行。正文第一章 設(shè)計(jì)要求：通過(guò)用發(fā)光二極管發(fā)光及光敏二極管接收光信號(hào)檢測(cè)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(cè)到的光信號(hào)處理為具體的可利用的電信號(hào)。第二章 系統(tǒng)的組成及工作原理：2.1選材主要材料： 89c51芯片、發(fā)光二極管、光電二極管、三極管、電阻。2.1.1 89c51芯片89c51單片機(jī)芯片可用于對(duì)電信號(hào)的處理;2.1.2 發(fā)光二極管及光電二極管本設(shè)計(jì)的黑線循跡傳感器檢測(cè)電路采用的是紅外發(fā)光二極管。紅外發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)、原

7、理與普通發(fā)光二極管相近，只是使用的半導(dǎo)體材料不同。紅外發(fā)光二極管通常使用砷化鎵(gaas)、砷鋁化鎵(gaalas)等材料，采用全透明或淺藍(lán)色、黑色的樹脂封裝。其型號(hào)為 pd204-6c/3l，采用的是全透明樹脂封裝，如圖 3.2 所示。白色的為發(fā)射管，黑色的為接受管。前者發(fā)光后者感光，后者根據(jù)有沒(méi)有接收到光而呈現(xiàn)出兩種電平。 圖 2.1.2（a） pd204-6c/3l 型發(fā)光二極管 圖2.1.2（b） pd204-6b/3l 型光電二極管2.1.3 三極管本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)電路中三極管的作用就是電流放大和開關(guān)作用。其三極管的型號(hào)是 3904。它是 npn 型，其放大倍數(shù) 300 至 400，功

8、率 625mw，電流 200ma。如圖圖2.1.3 3904npn三極管2.2 系統(tǒng)組成系統(tǒng)的工作流程如圖2.2，共包含光電轉(zhuǎn)換，放大電路，信號(hào)處理三個(gè)模塊，光電轉(zhuǎn)換模塊包含紅外線的發(fā)射及接收，采取紅外探測(cè)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(zhì)的特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā)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）。單片機(jī)就是否收到反射回來(lái)的紅外光為依據(jù)來(lái)確定黑線的位置和小車的行走路線（本設(shè)計(jì)不考慮）。此外紅外探測(cè)器探測(cè)距離有限，一般最大不應(yīng)超過(guò)3cm。由

9、發(fā)光二極管發(fā)射紅外線照射被測(cè)物體（地面），然后由光電二極管接收物體反射的紅外線信號(hào)如圖2，當(dāng)距離適當(dāng)時(shí)，反射光越強(qiáng)，光電管產(chǎn)生的電壓越高。此后光電管產(chǎn)生的經(jīng)過(guò)放大與濾波轉(zhuǎn)化成可利用的電信號(hào)，放大電路可由電阻與三極管構(gòu)成，信號(hào)從三極管集電極傳輸?shù)叫盘?hào)處理單元（89c51單片機(jī)）。圖2.2（a）系統(tǒng)的工作流程 圖2.2（b）系統(tǒng)的發(fā)射接收檢測(cè)流程 圖2.2（c）光電轉(zhuǎn)換器工作原理2.3 系統(tǒng)工作原理及電路結(jié)構(gòu)2.3.1 發(fā)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(dāng)光電管d1 上無(wú)光照時(shí)，d1處于截止?fàn)顟B(tài)，其電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 r2

10、，則三極管q1 導(dǎo)通，采樣點(diǎn)output 是低電平；當(dāng)d1 上有光照時(shí)，d1導(dǎo)通，三極管 q1截止，其內(nèi)電阻同樣大于r1，使得采樣點(diǎn)為高電平。其中vcc 為5v 電源。發(fā)光電路與光接收電路成對(duì)出現(xiàn)，形成了紅外線信號(hào)檢測(cè)電路。2.3.3 電路改進(jìn) 此外，為提高輸出電信號(hào)的質(zhì)量，可在output口再接進(jìn)一步放大電路及濾波電路，若想提高電路的抗干擾能力可采用光電信號(hào)放大電路的差模輸入如圖4，差分放大電路對(duì)共模信號(hào)的抑制能力很強(qiáng)，用在光電信號(hào)檢測(cè)采集系統(tǒng)中能夠很好的減小器件暗電流和外界環(huán)境溫度變化給電路帶來(lái)的影響和誤差，同時(shí)為提高放大倍數(shù)可采用多級(jí)放大電路，若還想提高電信號(hào)的質(zhì)量可在多級(jí)放大電路后接濾

11、波電路。圖2.3.3（a）前置差分電路輸入輸出關(guān)系：圖2.3.3（b）濾波電路第三章 電路設(shè)計(jì)3.1 方案比較及實(shí)驗(yàn)電路 由于實(shí)驗(yàn)對(duì)光電檢測(cè)電路產(chǎn)生的電信號(hào)無(wú)較高放大倍數(shù)級(jí)精度要求，故不采用改進(jìn)的差分輸入電路，多級(jí)放大電路及濾波電路，設(shè)計(jì)電路如圖1，電路的網(wǎng)絡(luò)表及元件清單如下，相應(yīng)的pcb電路原理圖如圖3.1：圖3.1（a）反射式光電檢測(cè)電路原理圖圖3.1（b）元器件清單圖3.1（c）網(wǎng)絡(luò)表圖3.1（d）pcb電路圖第四章 結(jié)論隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展人們對(duì)測(cè)量精度有了更高的要求，這就促使光電傳感器不得不隨著時(shí)代步伐而更新，改善光電傳感器性能的主要手段就是應(yīng)用新材料、新技術(shù)制造性能更優(yōu)越的光電元件。

12、 光電傳感器是一種非接觸式測(cè)小型電子測(cè)量設(shè)備,依靠檢測(cè)出其接收到的光強(qiáng)的變化，來(lái)達(dá)到測(cè)量目的，同時(shí)它也是一種容易受到外界干擾而失去測(cè)量準(zhǔn)確度的器件。所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)除了選擇先進(jìn)光電元件，還必須考慮參比信號(hào)和溫度補(bǔ)償措施，用來(lái)削弱或消除這些因素的影響。 本光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)過(guò)程，使參與者經(jīng)歷了一個(gè)完整的功能電路設(shè)計(jì)過(guò)程，提高了參與者的實(shí)踐能力，也使參與者掌握了光電二極管的使用與光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)原理，然而本設(shè)計(jì)的電路較為簡(jiǎn)單，不滿足實(shí)際工程應(yīng)用中的高增益，信號(hào)噪聲低的要求，因而實(shí)際應(yīng)用時(shí)可在此基本電路之后增加放大，濾波電路等。 此外，由本次設(shè)計(jì)過(guò)程可知，為了達(dá)到將外界變化的量實(shí)現(xiàn)對(duì)某種功能的控制，就需要用傳感器實(shí)現(xiàn)其相關(guān)變量導(dǎo)電信號(hào)的轉(zhuǎn)變，在今后的設(shè)計(jì)過(guò)程中，則可將設(shè)計(jì)電路中引入傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的動(dòng)態(tài)控制，這將大大提高設(shè)計(jì)電路的智能性。評(píng)語(yǔ)表（含自我評(píng)價(jià)一頁(yè)、指導(dǎo)老師評(píng)語(yǔ)和成績(jī)