内容介绍

任务介绍

本项目为参赛任务所选方案：设计一块用于竞赛与教学的光敏阈值触发数字输出模块，功能是把外界光强（通过光敏电阻 LDR）转成稳定的数字输出信号，并提供阈值调节、抖动抑制与调试友好接口，方便与 MCU、实验板或控制系统直接对接。

模块介绍

本模块基于 LM393 双路比较器 与 光敏电阻（LDR） 组成阈值比较回路。主要用途与特点如下：

将光敏分压模拟信号与可调参考电压比较，，便于与 MCU 或逻辑电路直接接口；
阈值通过板载 10 kΩ 可调电位器（RV1） 手动调节；
为避免阈值附近抖动，预留 迟滞（正反馈）电阻 R_hyst 位，可配置约 47k~200k；
LM393 输出为 开集电极，模块外带上拉电阻（默认 10 kΩ），上拉电压 5V，以匹配下游设备电平；
模块可选通孔 LDR 放板边或用短引线做探头，便于放到被测环境获取光照；
模块体积小、设计简单，适合竞赛、教学与原型开发使用。

关键器件与参考：

比较器：LM393（DIP-8）
光敏电阻：CdS LDR（通孔）
电位器：10 kΩ trimmer（板上顶调或面板式）
去耦电容：0.1 µF 陶瓷（贴近 LM393 VCC/GND）
上拉电阻：10 kΩ；迟滞电阻：100 kΩ
输出接头：J1（3-pin 2.54 mm pinheader）
原理图和 PCB 模块介绍

LM393 双路比较器在DigiKey官网的链接：https://www.digikey.cn/zh/products/detail/shenzhen-slkormicro-semicon-co-ltd/LM393/26601007

光敏电阻（LDR）在Digikey官网的连接：https://www.digikey.cn/zh/products/detail/advanced-photonix/PDV-P8103/480610

原理图

电源：模块工作电源为 5 V。模块不含主供电转换器，通常由上级板或外部电源提供 5 V。LM393 的 VCC 连接到 VCC，并在 VCC 与 GND 之间贴近放置 C1 = 0.1 µF 去耦。
LDR 分压：LDR 与固定电阻 R_div（推荐 100 kΩ）构成分压，分压中点为 V_LDR。例如：VCC — LDR —(V_LDR)— R_div — GND。根据 LDR 的亮/暗阻值确定 R_div 最佳值（100k 为起点）。
参考电压：V_REF 来自 RV1（10k 电位器）滑动端，电位器两端接 VCC/GND，滑端输出 0~VCC 的可调参考。
比较器接法：把 V_LDR 接到 LM393 的 IN-，把 V_REF 接到 IN+（或反接以改变触发极性）；LM393 的 OUT 外接上拉电阻 R_pull（10k）到 VCC，并作为模块数字输出 V_OUT。
迟滞：从 OUT 通过 R_hyst反馈到 IN+，实现少量迟滞，减少阈值附近抖动。
LED 指示：V_OUT 通过 R_led（1k）驱动 LED1 指示输出状态（若 V_OUT 为高，LED 点亮；若为低则熄灭；注意开集电极输出需要配置逻辑极性或接到合适位置）。
接口：J1（3-pin）定义：Pin1=VCC，Pin2=GND，Pin3=OUT（上拉电阻可让 OUT 在断开时为高）。

PCB（平面 / 布局）说明

PCB 层数：双层板（Top: 器件与信号；Bottom: GND 覆铜）。
关键布局要点：
- C1 (0.1 µF) 必须贴近 LM393 的 VCC 与 GND 脚，走线尽量短，回路面积最小；
- RV1（调节器）应放在板边或易于操作位置；
- LDR 放在板边或使用短引线做独立探头，PCB 上为其预留开窗或孔位；
- R_div（分压固定电阻）靠近 LDR 与 LM393 输入，形成短连接，减少噪声耦合；
- OUT 上拉电阻 R_pull 靠近 LM393 OUT 引脚放置，并尽量短线到 J1 的 OUT 引脚；
- 在 Bottom 层做大面积 GND 覆铜，并在关键点做过孔缝合（via stitching）以降低地阻抗。
机械 / 接口：J1 放在板边，Pin1（VCC）处用丝印标注小圆点或数字 1；TP 放在板边，便于探表或示波器夹持。

3D 效果图

3D 视图用于检查电位器旋钮、LDR 位置、J1 外形与板边间隙是否有冲突；
在 3D 中确认 LDR 是否可以伸出板边或保持平面放置；确认 LED 指示灯方向与可视面朝向一致；

模块主要性能指标和管脚定义

主要性能指标：

项目	说明 / 参数
工作电源	3.0 V ~ 5.5 V（推荐 3.3 V 或 5.0 V；LM393 与外部上拉电压需兼容）
模块静态功耗	典型 < 5 mA（视 LED / 上拉电阻而定）
扩展供电能力	板上 3.3 V（若由上级板提供）可为扩展板提供最多约 500 mA（受温升与实际器件限制，请在高负载下评估热量）
输出类型	开集电极（open-collector），必须外接上拉电阻（板载默认上拉 10 kΩ，可改为 3.3 V 或 5 V 上拉）
阈值调节	电位器 RV1 = 10 kΩ，滑动端 V_REF 范围 0 ~ VCC
输入分压参考	LDR + R_div（建议 R_div 初值 100 kΩ，实测后调整）
迟滞（Hysteresis）	通过 R_hyst （建议 47k–200k，典型 100k）实现；典型迟滞量约 0.05 V ~ 0.2 V（取决于分压与反馈阻值）
响应时间	依 LM393 与并联滤波：微秒 — 毫秒级；并联滤波电容会显著增加响应延迟
指示 / 报警	板载 LED（OUT 指示）和 PWR 指示（VCC 存在）
PCB 尺寸（建议）	示例：50 mm × 25 mm（可按项目调整）
TestPoint	TP_VLDR, TP_VREF, TP_OUT, TP_VCC, TP_GND（便于波形/电压测量）
推荐上拉	若对接 MCU，建议上拉到 MCU VCC（通常 3.3 V），上拉阻值常用 10 kΩ（根据速率/抗干扰可改为 4.7k/2.2k）
保护建议	若用于户外或长线缆，建议在输入/输出加入 ESD/T TVS 及串联限流/RC 滤波元件

管脚定义：

引脚/标识	类型	名称 / 标签	功能说明	默认状态 / 备注
J1-Pin1	电源	VCC	模块供电正极（3.0–5.5 V）。同时为上拉电源参考（若上拉接此脚）。	供电：接 3.3V 或 5V；上电后 D_PWR 指示灯点亮
J1-Pin2	电源地	GND	模块公共地（0 V）。	—
J1-Pin3	数字输出	OUT	比较器数字输出（开集电极）。外部必须上拉到目标逻辑电平（VCC 或 MCU Vcc）。	开集电极输出；逻辑高由外部上拉决定，逻辑低由 LM393 导通拉低。
TP_VLDR	测试点	TP_VLDR	LDR 与分压电阻中点电压（模拟输入）。用于测量光照对应电压。	用万用表或示波器测量；常态范围：0 ~ VCC（取决分压与 LDR）
TP_VREF	测试点	TP_VREF	电位器滑动端（阈值参考电压）。	用于调节阈值；旋动 RV1 改变此点电压
TP_OUT	测试点	TP_OUT	数字输出点（等同于 J1-Pin3，经上拉后的逻辑电平）。	可直接观测输出波形
TP_VCC	测试点	TP_VCC	电源检测点（3.3V 或 5V）。	用于上电检查
TP_GND	测试点	TP_GND	地检测点	用于示波器参考/测量
RV1	可调元件	RV1 (10k)	阈值电位器，端子两端接 VCC/GND，滑动端输出 V_REF。	推荐板上顶调器或面板微调器
LDR	传感器	LDR	光敏电阻，构成分压回路的一个端。	推荐放板边或外引线做探头
R_div	被动元件	R_div (建议 100k)	与 LDR 配合做分压（V_LDR = VCC * R_div/(R_LDR+R_div) 或相反，视接法）	实测后可改值以获得最佳灵敏度
R_pull	被动元件	R_pull (10k)	OUT 的上拉电阻（板载，若不需可外接不同阻值）	上拉到 VCC 或 MCU Vcc
R_hyst	被动元件（可选）	R_hyst (建议 100k)	OUT→IN（正反馈）迟滞电阻位置（可选装）	可通过更换阻值调节迟滞幅度
LED_PWR	指示	D_PWR	电源指示 LED（VCC 存在时亮）	串联限流电阻 R_led（默认值 1k）
LED_OUT	指示	D_OUT / STA	输出状态指示 LED（由 V_OUT 控制）	注意开集电极极性，若需反向请调整接法