黑线检测课程设计实验报告

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1、班级学生姓名指导老师测控技术课程设计报告题目: 黑线检测系统设计测控0803 班杨创迹（03）李德荣（31）樊梦茹（35）韩贵金实习时间 ：2010 年11 月22 日至12月3 日目录摘 要 . 1一、设计目的2二、设计功能要求2三、器件选择2四、主要器件简介24.1 ST188 反射式红外光电传感器24.2 继电器 HK4100FDC3VSHG44.3 BOCHEN 3296 电位器.5五、设计思路55.1 方案选择.55.2 方案确定75.3黑线检测系统总电路8六、设计步骤9七、实验中遇到的问题及解决方案9八、设计系统评价98.1 设计系统的优点98.2 设计系统的缺点98.3设计系统的

2、改进方案10九、参考文献10十、心得体会11十一、附录12黑线检测系统设计摘要：本文以光电传感器ST188及3V继电器HK4100F-DC3V-SHG为核心，完成了黑线检 测系统的设计，当光电传感器检测到黑线时，电机正转，其他情况电机不转，还 实现调节黑线色度触发点等功能。设计过程中基于Pro teus仿真软件的理论验证 以及可靠的硬件设计，完成了题目的基本要求。黑线检测电路分为两部分：红外检测电路及开关控制电路。其中红外检测电 路主要由反射式光电传感ST188及BOCHEN 3296电位器构成，其中通过改变电位器 的阻值来改变光电传感器的电压范围，进而调节黑线色度。开关控制电路主要由 3V继

3、电器HK4100F-DC3V-SHG、两个C9031 NPN三极管及电机构成，其中前一个三 极管为电压跟随器，起到缓冲、隔离、提高带载能力的作用，后一个三极管代替 电压比较器，将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相 等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平，通过电平不同来控 制继电器开关。继电器在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。黑线检测电路采用反射式光电传感器，红外管代替普通可见光管，可以有效 的降低环境光源的干扰，尺寸小、质量轻、灵敏度高，对辅助装置的要求最少， 对人眼无伤害，采用不调制的反射式红外发射-接收器完全可以有效的降低干扰， 而且方便可

4、行，能够准确的实施检测。但是在黑线检测电路中黑线色度调节范围 小，无法大范围的应用，且设计较为简易，是一种近似理想模型系统，忽略了很 多现实中存在的问题。另外检测程度有限，需黑线距离达到一定程度才可使用， 这是由ST188管的参数决定的。因此，根据黑线检测设计系统的不足，对设计系统进行方案改进，其中可以 使用灵敏度更高的光电传感器代替ST188，以适应更大范围的黑线色度调节。使 用比较器（如LM324）代替三极管构成的开关电路，性能可以得到大幅改善。因 为LM324的输出与输入是严格的高低电平，不必考虑其零界值与连续电压的影 响。另外还可以采用单片机代替控制电路实现黑线检测目的。单片机电路简单

5、， 且性能极佳，同时在系统改进时方便性优于纯硬件设计。关键词：黑线检测 光电传感器 继电器 电位器Proteus黑线检测系统设计一、设计目的1、练习自拟的光电传感系统；2、熟练掌握 Proteus 仿真软件，运用 Proteus 仿真软件对所涉及系统进行 仿真检测；3、熟练掌握反射式光电传感器 ST188 的工作原理并采用 ST188 作为红外检 测传感器；4、熟练掌握和运用继电器、电位器及放大等基本电路；5、熟悉掌握利用三极管实现开关电路。二、设计功能要求 设计光电传感器控制的黑线检测系统：如果光电传感器碰到黑线，电机正转， 其他情况电机不转，可以设定/调节黑线色度触发点。三、器件选择元件名

6、称元件个数电烙铁1PC板15V稳压电源1ST188反射式光电传感器19013三极管23V继电器1BOCHEN 3296 电位器1100Q电阻1510Q电阻21kQ电阻23.3kQ电阻1直流电机1四、主要器件简介ST 系列反射式光电传感器是经常使用的传感器。这个系列的传感器种类齐 全、价格便宜、体积小、使用方便、质量可靠、用途广泛。我们采用ST188作为 红外检测传感器。4.1 ST188 反射式红外光电传感器4.1.1 ST188 特点ST188 含一个反射模块（发光二极管）和一个接收模块（光敏三极管）。通 过发射红外信号，看接收信号变化判断检测物体状态的变化。（1）采用高发射功率红外光电二极

7、管和高灵敏度光电晶体管组成；（2）检测距离可调整范围大，4-13mm可用；（3）采用非接触检测方式；4.1.2 ST 188外形尺寸空CD底视图 部电路图4.1.2.1 ST188实物图图4.1.2.2 ST188管脚图及内部电路注：A、K之间接发光二极管，C、E之间接光敏三极管(二者在电路中均正接，但 要串联一定阻值的电阻)4.1.3 S附图1正向电流与正向压降关系正向压降Vf (V)附图2检测距离与效率关系项目符号数值单位输 入正向电流IF50mA反向电压Vr6V耗散功率P75mW输 出集一射电压Vceo25V射一集电压Veco6V集电极功耗Pc50mW工作温度Topr-20一+65C储存

8、温度Ts tg-30一+75c4.1.4 ST188光电特性(Ta=25C)项目符号测试条件最小典型最大单位输 入正向压降VI =20 mA1.251.5V反向电流IV=3V10A输 出集电极 暗电流IceoVce=20V1A集电极 亮电流ILVce=5VI =8 mAFL30.30mAL40.40mAL50.50mA饱和压降VCEI =8 mA I =0.15 mAFc0.4V传输 特性响应 时间TrI=20 mA Vce=5VFRc=10010sTf10s注：集电极亮电流IL、饱和压降VCE、电流比、响应时间是在红外光电传感器前 端与亮检测面距离7mm处测得，其数值受亮检测面的表面光洁度及

9、平整度影响。说明：（1）附图 2中检测距离为光电传感器的前端面与被测面的垂直距离；（2）被测面为亚光铝平面，且与光电传感器前端保持平行；（3）转换效率相对值为 1时，表该传感器在此距离的转换效率最高；（4）该图为传感器典型曲线参考，具体的传感器与该曲线有一定差异。4.1.5ST188检测黑线原理在黑线检测的测试中，若检测到白色区域，发射管发射的红外线没有反射到 接收管，测量接收管的电压为 48V ；若检测到黑色区域，接收管接受到发射 管发射的红外线，电阻发生变化，所分得的电压也就随之发生变化，测量接收管 的电压为0. 5V,测试基本满足要求。4.2 继电器 HK4100F-DC3V-SHG 继

10、电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系 统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去 控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换 电路等作用。4.2.1 继电器工作原理 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两 端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会 在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与 静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在 弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释

11、放。 继电器内部结构如下：4.2.2 HK4100F-DC3V-SHG 主要技术指标（1）最大切换电流：3A （ 2 ）触电形式： 1C 1A 1B（3）最大切换电流： 3A（4）最大切换电压： 300V （ 5）最大切换功率： 750V（6）额定负载（阻值）：3Q（7）接触电阻：lOOmQ（8）线圈额定电压（V）： 3V 5V 6V 9V 12V 24V（9）线圈功耗： 0.15W 0.2W 0.36W4.3 BOCHEN 3296 电位器 电位器是可变电阻器的一种。通常是由电阻体与转动或滑动系统组成，即靠 一个动触点在电阻体上移动，获得部分电压输出。4.3.1 电位器的作用 调节电压(含直

12、流电压与信号电压)和电流的大小。4.3.2 电位器的结构特点 电位器的电阻体有两个固定端，通过手动调节转轴或滑柄，改变动触点在电 阻体上的位置，则改变了动触点与任一个固定端之间的电阻值，从而改变了电压 与电流的大小。4.3.3 BOCHEN 3296主要技术指标(1) 标称阻值范围：10Q 5MQ阻值允许偏差：10%(2) 耐电压:101.3Pa 600V,8.5kPa 360V(3) 圈额定功率(最高工作电压315V):+70C 0.5W,+125C OW(4) 工作温度范围：一55C125 C(5) 机械耐久性:200圈，RW10%R稳态湿热厶RW3%R, R12100M Q。五、设计思路

13、5.1 方案选择5.1.1 方案一5.1.1.1 原理利用ST188检测黑线时三极管导通与否，可以在集电极输出一个信号，使三 极管Q1接收。继电器接到Q1集电极的电阻上，由此可知V二V ”，则可以通过Q1 导通与不导通时R3的电压控制继电器线圈是否导通，从而达到控制目的。5.1.1.2 电路图图5.1.1.1 ST188检测到白色区域时图5.1.1.2 ST188检测到黑色区域时5.1.2 方案二5.1.2.1原理利用ST188检测黑线时三极管导通与否的特性，从发射极输出信号。不同的 是采用两个三极管Q1和Q2,二者共同构成一个开关电路，以达到ST188输出不同 信号时，产生不同的电压以控制线

14、圈的通断，从而达到控制的目的。详细方案见5.2方案确定。5.1.3 方案比较5.1.3.1方案一优缺点1、优点：结构简单，原理直观明了，且在一定条件下可以达到控制的目的。2、缺点:(1) 采用一个三极管及R3的电压控制，致使电路的稳定性和快速性 有些欠缺。即R3的端电压是连续电压，需达到一定零界值方可 达到要求，致使控制不灵敏。(2) 通过开关接电与接地模拟控制ST188是否检测到黑线，不能达到 实际要求，因为黑线的色度直接影响了 ST188的工作状态。5.1.3.2方案二优缺点1 、优点：(1) 稳定性与快速性得到很大提升：继电器的端电压只区分高低电平，即非连续性电压，工作性能提高。(2)

15、ST188管中的二极管接电，可以通过滑动变阻器来控制检测黑线色度的高低，大大提高了其实际工作时的有效性。2、缺点：结构较为复杂，且使用两个三极管，易产生失真。5.2 方案确定最终我们确定使用方案二，方案二的电路分为两部分：红外检测电路、开关 控制电路5.2.1 红外检测电路5.2.1.1 红外检测电路组成红外检测电路主要由反射式光电传感器ST188及BOCHEN 3296电位器构成，其中通过改变电位器的阻值来改变光电传感器的电压范围，进而调节黑线色度。5.2.1.2 红外检测电路图+5vA.R5 .100 T-EXTcnteR3 .200 45.2.1.3利用反射式光U1光电传感器ST1理 -

16、 _8在黑线检测的测试中J|33k - - 1射管发射的红外线没有反射到接收管，测量接收管到发射管发射的红外线，若检测到白色区域，发 为48V ;若检测到 分得的电压也100黑色区域，接收管接受测量接收管的电压为QI 5V。*522开关控制5.2.2.1 一开关控制电路组成： ；丄开关控制电路主要由 3V继电器HK41O0F-DC3V-SHG、两个C9031 NPN三极管及电机构成，其中前一个三极管为电压跟随器，起到缓冲、隔离、提高带载能力就随之发生变化,电路发生变化胡的作用，后一个三极管代替电压比较器，将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相

17、应输出高电平或 低电平，通过电平不同来控制继电器开关。继电器在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。检测到黑线电机正转 检测到黑线，电机不转；检测到黑线时，电机不转。 ；检测到黑线时，电机正转。5.2.2.4 继电器不同接法实现不同功能如图所示：(1) 当电源接脚1时，未(2) 当电源接脚2时，未5.3黑线检测系统总电路:R4R5R3Voltsl/o/teQ2R2U1Q1：R6R14lRV1工-124Ll/o/tel/o/te3.3k - 200 - 510 - -510 YTWXT100 100 .OPTqCOUPLER-NPN ：图5.3.1 当传感器未检测到黑线时，电机不转动图5

18、.3.2 当传感器检测到黑线时，电机正转六、设计步骤根据实验要求以及元器件设计合理的原理图，并在计算机上运用 Proteus 软件进行仿真，仿真过程中通过实验调试各个元件的型号以及大小；在面包板上严格按照仿真图进行实物连接并实验，完成理论到实践的转换； 然后在电路板上进行最后的焊接工作，此时，应注意以下问题：1反射式光电传感器由一个二极管和三极管组成,应该会区分各自的管脚与 极性。使用万用表的欧姆档检测二极管的正负极，和三极管的 C、E 极。2. 本次实验所用的三极管为C9013, NPN型，正对三极管平面的一面，管脚 由左至右依次是E, B, C极。3. 分清继电器的输入端和输出端：六脚继电

19、器的六脚，相邻较近的为输入 端，即中间两脚位线圈接线脚，外侧两脚为信号输入端，而较远端的两脚为导通 的，可以任选一脚相接作为输出。4. 注意焊接时元器件的布局合理性，焊接时注意虚焊问题且使用电烙铁时 注意烧伤及引起火灾。5. 电路焊接好以后，通过控制电位器的大小，进而调节黑线色度。七、实验中遇到的问题及解决方案（1）实验方案一时，仿真电路在黑线与白色区域切换时，控制无法有效地完 成，总是存在一定的延迟。经计算各器件的端电压得出输入信号为连续信号，需 达到一定零界值时方可实现控制。解决方案为采用方案二，两个二极管以达到更 好的系统性能。（2）实验方案二时，仿真图无任何问题，但是在面包板搭建电路时

20、却无法实 现，排查多遍后仍无任何问题。后经过检测 ST188 的二极管的正负极时发现二极 管已不再导通，致使其无法正常检测黑线的有无。解决方案:更换 ST188。（3）进行课程设计时，阻值选择很重要，阻值的变化直接影响了系统能够运 行。有时在仿真时，阻值过大过小，致使电路无法运行，或者运行时无法达到预 定要求。解决方案：根据器件估算阻值，在实验过程中进行微调，使系统完善。（4）设计仿真时，注意元器件的额定电压。在实验过程中，很多次出现电路 已无任何问题，但是继电器无法开端及电机不转的的问题时有发生。解决方案： 更改继电器及电机的参数，将其设定为与所给器件一致。八、设计系统评价8.1 设计系统的

21、优点（1）采用反射式光电传感器，红外管代替普通可见光管，可以有效的降低环 境光源的干扰，尺寸小、质量轻、灵敏度高，对辅助装置的要求最少，对人眼无 伤害，采用不调制的反射式红外发射-接收器完全可以有效的降低干扰，而且方 便可行，能够准确的实施检测。（2）在提出方案时，我们确立了两种方案，并且运用Proteus仿真软件对设计 系统进行仿真，比较两方案的优缺点，选择较优方案进行实际焊接，更能达到实 验要求。（3）所设计的黑线检测系统运用了较少的元器件完成了实验所要求的功能， 降低成本，具有一定实用性。8.2 设计系统的缺点（1）黑线检测系统中黑线色度调节范围小，无法适应大范围的应用。（2）黑线检测设

22、计较为简易，是一种近似理想模型系统，忽略了很多现实中 存在的问题。（3）黑线检测程度有限，需黑线距离达到一定程度才可使用，这是由ST188 管的参数决定的。8.3 设计系统的改进方案（1）使用灵敏度更高的光电传感器代替ST188，以适应更大范围的黑线色度 调节。（2）使用比较器（如LM324）代替三极管构成的开关电路，性能可以得到 大幅改善。这是由于 LM324 的输出与输入是严格的高低电平，不必考虑其零界 值与连续电压的影响。（3）采用单片机代替控制电路，单片机电路简单，且性能极佳，同时在系统 改进时方便性优于纯硬件设计。九、参考文献1 何道清，传感器与传感器技术，科学出版社， 20062

23、康华光，电子技术基础 模拟部分，高等教育出版社， 20043 丁震生，传感器及传感器技术应用，电子工业出版社， 19984 2010.11.225 2010.11.226 2010.11.22十、心得体会本次的课程设计是黑线检测电路，较之以前的课程设计更加偏向专业。虽然 有一定的专业性，但是还是无法完全实践我们现在所学的知识，如传感器知识， ST188属于光电传感器，但是其工作原理是很简单的，只是通过接收管是否接收 到光而控制光敏三极管的导通与闭合；其次，开关电路或者是电压比较电路，实 验中是用到了两个三极管构成的开关电路，但是其性能是差比较器（如LM324） 的；最后，作为本学期的专业课，自

24、动控制原理，也用的比减少，系统的稳定性， 快速性，准确性都没有最大的发挥自控的作用。同时本次课程设计虽然看起来较 难，但是我感觉到大家都很快的完成了原本很复杂的环节，尽管网上有前人的经 验，但是需要自己设计和理解的东西还是很多的。不过，本次的课程设计，我还 是学到了很多东西的，比如说，传感器的应用，复习了三极管的应用，继电器的 使用等等，这些东西虽然基础，但是万丈高楼平地起，没有这些基础的知识，我 们就没法走的更远。实验中遇到了很多的问题，比如仿真图与实践无法想契合， 出现这样那样的错误，不过好在我们一个组的人都是尽自己最大所能都克服了。 在这些问题中，我最痛苦的是电路重新连接三四遍后，仍然无

25、法出结果， ST188 的 AK 极电压总是与仿真所得相反，最后抱着死马当活马医的心态，换上新的 ST188，结果很快的出来了。经过这么多次的实验、课程设计，自己还是没有克 服不检查器件是否完好的毛病，致使实验排查出现困难，这是我在以后需要改进 的。总的来说，本次课程设计，我学到了很多，但是我希望可以去做更有挑战性 的东西，以督促自己，检验自己，完善自己。杨创迹一、附录电压参(V)数UAKUR5UCE(光)UR3UR6UR1UBE(Q1)UCE(Q1)UBC(Q1)UBC(Q2)UCE(Q2)U继状态电正 机传1.723.280.110.233.8200.830.98-0.150.820.074.92状不态转1.723.280.110.233.8200.830.710.120.714.910.08