光电检测课程设计_基于51单片机计数器.doc

安徽科技学院

光电检测
课 程 设 计 报 告

课题名称：反射式光电检测电路
姓名：汤智
专业 ：电子科学与技术
指导教师：无
2014-4-19
反射式光电检测电路课程设计
摘要：在当今的电子电路设计中，光电传感器被越来越广泛的应用于各种检测电路；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；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。所以光电传感器的研究是非常有必要的，本文的研究对象就是反射式光电检测电路设计，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，通过双传感器电路实现自动化检测以及计数，从而完成工厂生产中对产品质量的检测以及对合格产品计数。

一、设计思路：
随着电子技术自动化的发展，自动检测及控制在生活中运用得越来越广泛，特别是工业上的自动控制系统；本次实验基于对工厂流水线上产品质量检测及产品数量计数而设计的反射式光电检测电路，该电路系统运行稳定，装配简单，价格低廉，精确度高而有很大的应用前景。
二、设计流程及目的
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，列出元器件清单。
3、画出完整的电路原理图和必要的仿真图，并说明主要工作原理及流程。
4、运用ISIS 7 Professional和Keil uVision4仿真软件测试，并能实现基本的功能，以及思考与探讨一些可扩展的空间。
目的：通过本次光电检测电路的设计，可以使参与成员了解各种光电二极管，光敏二极管的属性及使用方法，以及计算机辅助设计，单片机使用的方法，熟悉电路设计的全过程，提高参与成员的综合设计能力，甚至通过本课程设计的改进可以演化出一系列的电路检测电路，并将其应用到日常的生产与创造中，在这里我们设计检测产品合格的光电检测电路。
器件清单及列表：
89C51单片机、发光二极管、光电二极管、三极管、电阻。（89C51单片机芯片可用于对电信号的处理），本设计的液面检测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。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。

三、实验原理及工作过程
装置安装图1：
装置图1
介绍：黄色矩形是被测液体，左侧的即为光电检测模块，其正面图为右图：
图2 光电检测模块
光电传感计数器工作过程概括：该装置放在被检测产品的边缘，使上边的光接收端靠近液面合格区域；当产品来临时，上边和下边的光接收端同时接收到被检测液体反射回来的光信号，当产品合格时，被正常运送到指定区域，当产品不合格时，启动警示灯模式，同时启动侧面电机，把不合格产品送到另外指定区域。下个产品来临时，继续上述工作。
总电路图：
图3

1、光电检测模块
（1） 红外发光二极管及接收管
本次试验采用的光电传感器是红外发光二极管及接收管，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，红色的为发射管，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。
（2）三极管
本次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
图4 光电检测模块
该模块工作过程：
当产品来临时，两个光电接收管接同时收到光电发射管发射物体反射回来的信号，D2和D4导通，三极管发射极导通，电流顺着电阻R5流入接地，此时产品检测和产品计数同时输出低电平；当产品不合格（流体液面高度不够）时，产品检测端的光接收端没有接收到光信号，D4一直处于截止状态，三极管截止，此时产品检测端一直处于高电平，而产品计数端处于低电平。
参数计算：
光电二极管参数：反向工作电流I<0.2—0.3A ,暗电流<100nA,光电流I=20-80μA，
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
当光信号来临时，Ic=80μA x 300=2.4mA，在三极管工作范围内，产品检测和产品数量计数端电平约为0V，即能正常输入到单片机。
2、单片机处理模块

图5 单片机处理电路图
（1） 晶振及复位电路模块
我们的电路采取的是上电复位，当电路处于工作中时，按下复位端，电路即从初始状态，以防止电路在工作过程中遇到不予遇见的情况时可以复位解决；晶振部分，采取的通常情况下的12MHz的晶振，是单片机能正常工作。
（2） 单片机处理过程
将处理程序编译好后，经过Keil处理产生Hex文件，下载到单片机内部，此时单片机即可正常工作了；当产品质量检测端口和产品数量计数端口同时传输来电信号时，如果产品合格，产品数量计数部分正常计数，警报灯熄灭，产品正常传输；当产品检测到不合格时，计数部分不计数，警报灯亮同时侧面电机转动，运走不合格的产品，下个产品来临时，继续上述工作。
（3） 数码管部分
两个数码管连在单片机P2和P3端口，当计数端口正常计数时，数码管立即响应，显示数字。

单片机C语言源程序：
#include
unsigned char code LEDcode[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,
0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};
unsigned char Count;
sbit SP1=P1^7;
sbit SP2=P1^4;
sbit key=P0^0;
void delay5ms(void)
{
unsigned char i,j;
for(i=2;i>0;i++)
for(j=248;j>0;j++);
}
void main(void)
{Count=0;
P3=LEDcode[Count%10];
P2=LEDcode[Count/10];
//P0=LEDcode[Count/10/10];
while(1)
{
if(SP2==1)
key=0;
else
{if(SP1==0)
{delay5ms();
if(SP1==0)
{key=1;Count++;
P3=LEDcode[Count%10];

P2=LEDcode[Count/10%10];
//P0=LEDcode[Count/10/10];
if(Count==100)
{Count=0;}
while(SP1==0);
do {delay5ms();}
while(SP1==0);
}
}
}
}
}
电路方案缺陷及改进思路：
电路设计在理论上可以非常顺利的进行，但是在实际应用，仍有漏洞出现；当液面高度大于指定区域时，该电路是测不出来的，这大大折扣了给电检测的精确性；改进措施，可以多加传感器进行测量，对程序进行修改，设置为对不同传感器接受的信号进行处理，多重判断。
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，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。
五、设计总结：
通过对光电检测电路的课程设计，我们对光转换电加深了理解，同时运用在实际中，在这次课程设计中，培养了我们的理论实践能力。在刚拿到课题时候，我们四个不知道从何着手，后来经过讨论才决定运用现学的知识以及加上各自掌握的情况，最终决定做光电检测在实际工厂流水线中检测产品（例如饮料）的合格的课题，这次的课题让我们更深一步熟悉了光电电路的设计，掌握了现在所学的单片机，在编程序时候，老是提示错误，经过反复修正，终于编好了，当我们把课题都设计好以后老师说电路过于简单，因此我们又重新思考，再原有的基础上添加其他的功能以及完善电路。
由于时间的仓促，再加上自身能力的不足，对电路的设计最主要还是单片机的掌握程度不够，因此存在一定的漏缺，经过讨论，我们提出在原来的电路基础上还可以改进:同时根据实际的需要，可以原有的基础上外加其他数码管，由于能力有限，在这次课程设计中我们只用了两个数码管。总而言之，通过这次的课程设计我们学会了很多。
参考文献：
1、皮大能 《单片机课程设计指导书》 北京理工大学出版社
2、周秀云 《光电检测技术与应用》 电子工业出版社
3、赵燕 《传感器原理与应用》 北京大学出版社

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