基于单片机技术的光电检测研究
时间：2006-05-22 01:33:34
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[导读] 1 引言
在20世纪50年代后期，随着材料技术、半导体技术、激光技术、微电子技术以及光学技术的迅速发展，从而大大地推动了光电技术的发展，使得这一技术得到人们的广泛关注。尤其是在军事中得到了较好
1 引言
在20世纪50年代后期，随着材料技术、半导体技术、激光技术、微电子技术以及光学技术的迅速发展，从而大大地推动了光电技术的发展，使得这一技术得到人们的广泛关注。尤其是在军事中得到了较好的应用，如激光雷达、反激光制导武器系统等都利用到了这一技术。同时在一些特殊的工业行业中，如光纤通信、精密测量、精密制造、零件检查等，其生产技术中对光电技术都有了不同程度地应用。并且这些行业由于用了这一高新技术而使得其效率得到大幅提高。但是，目前的光电技术还属于前沿技术，现存的一些光电产品大多原理比较复杂，而且对生产加工技术要求较为严格，因而造价一直比较高，不能被普通用户接受。因此，本文利用单片机结合光电技术而开发设计了这一光电控制设备。该设备类似于红外遥控设备，与之不同的是，他传送信号的载体是激光，其传送的信号可以特殊调制。特别是其原理简单，造价低廉也使他能够被普通用户所接受。
2 基本原理
本系统的基本原理主要是单片机技术和光电检测技 术的结合，其检测原理框图如图1所示。
该系统利用单片机对电源进行控制。单片机根据用户键入的信息自动生成一串有序电源脉冲，用这一电源脉冲来控制半导体激光器。这样由半导体激光器发射的激光便是一串激光脉冲波，这一串激光脉冲便是载有用户信息的信号波。当光电检测器检测到此激光信号波时，将其转化成为一串连续的电脉冲波。但此时所得到的信号是非常微弱、不够规则的，同时由于杂散光以及外部干扰的存在，此处的电信号还混杂着一些无用的干扰信号，因此这些信号还不可以直接应用。必须通过前置放大电路将他进行放大和除噪处理，处理过的信号便可直接驱动单片机工作，进行译码及判别处理。通过比较判别，单片机决定执行哪一种处理，然后生成控制信号来启动控制设备。
3 关键技术
3．1 编码技术／激光调制技术
激光调制一般是调制激光的频率或振幅，本方法所采用的技术是将编码技术与激光调制技术结合起来进行综合编译。此处选取AT89C51作为控制模块，他使用广泛，具有稳定性好、性价比高等一些突出的优点，因而，他成为此系统的首选型号的单片机。其具体的编码及调制过程如下：首先在单片机内设定，当检测到一组二进制码时，若是“1”，便通电40μs，若是“0”时，便断电40μs，然后规定当检测完此组二进制数码时，进行循环执行。这样，这一电脉冲便形成一周期脉冲。当用户键入的数字为1998时，那么其二进制编码便是11111001110。那么单片机便控制发出如图2所示的脉冲信号时序控制信号。考虑到接收端也是用单片机，因此还有一个通信协议。这里采用这种 方法，一般情况都是低电平，当要发射时先发射4组10μs的信号。此信号发射完才开始发射控制信号。
3．2 光电检测器件的选取
目前，光电检测技术中常用到的一些光电检测器件有光电倍增管、雪崩二极管、光电二极管、光电三极管、PIN、光敏电阻、光敏电池以及CCD阵列等一些半导体器件。选择光电检测器件可参考表1来进行比较选取。
3．3 检测电路的频率特性分析
当给定输入光照度时要在负载上取到最大功率输出时，要求满足RL=Rb和g<。此处，Cj为光电二极管结电容，Rg为内阻，Se为光电流。RL是前置放大电路的输入电阻。在设计中考虑到为从光电二极管中得到足够的信号功率和电压，RL和Rb不能太小。根据其微变等效电路可得RL和Rb过大又会引起高频截止，频率下降，降低了通频带宽度。 [!--empirenews.page--]
频率的响应是光电检测电路考虑的主要因素，要满足保证所需检测灵敏度前提下获得最好的线性不失真和频率不失真。因此可根据上述分析来设计检测电路。
3．4 噪声处理及前置放大电路的设计
在光电检测电路中其关键部分在于前置放大电路的设计以及噪声处理，实际光电检测电路中存在各种外部扰动和内部噪声。外部扰动包括随机波动和附加的光调制，光路传输介质的端流和背景起伏杂散光的入射以及检测04电路所受到的电磁干扰等。这些扰动可以通过稳定辐射光源、去除杂散光、选择偏振片等方法来得到解决。而内部噪声主要是由检测电路内部的一些半导体器件而产生。这些噪声主要是以热噪声的形式出现，可以通过电容耦合的方法来消除这些噪声。因此，为了减少外部扰动用单片机控制半导体激光器，生成一个有序激光脉冲信号，这就大大减少了外部扰动对系统的影响。为了减少与内部热噪声的影响，提高放大器输出端的信噪比，选用无噪声偏置放大电路，如图5所示。
选择C2大小，应使得在最低工作效率时他的电抗小于Rb，这样Ra，Rb产生的热噪声便可通过C2旁通到地。这样只有Rd产生少部分噪声。为了计算确定一些具体的阻容元件参数的方便，将此电路作了微变等效分析。一般等效处理即将各种器件等效处理为相同形式的均方值（或有效值）电流源的形式。这样便可以与其余的电路器件一起以统一方式建立等效的噪声电路。通过计算可以得出此电路具有较高的信噪比，且能够满足此系统对信号的要求。
3．5 信号的判断处理及控制信号的生成
此部分主要是信号经过放大整形后送入单片机进行处理，并且由单片机产生一路控制信号，可实现对不同设 备的同步控制。为了检验这一技术的可行性，我们设计并开发了激光密码报警系统，通过试验其性能稳定，操作方便简捷。证明了这一方法是非常可行的。
4 结语
此系统具有原理简单、系统稳定、价格低廉、操作简便等一些优点，使其能够为更多的用户所接受创造了条件。若将其接收部分进行改造，装以光电轴或透镜以便增大接收面积，可以进行灵活而快速的近中程通信与控制。其智能化程度比较高，只要改变单片机内的程序便可执行更多其他控制，有很大发展前景。在军事方面，若将此装置用于火箭炮的车外发射，便可进行更简便、更优化、更远距离的操作，不必担心其车外发射电缆的断裂和干扰。在民用方面，他可以用于防盗设备上，使其更具智能化和人性化，如防盗门、保险箱等。在工业方面，他可以用于控制一些大型的成组设备，或是同一流水线上的不同操作步骤。应用了单片机灵活的可编程特性技术，其应用范围变得更加宽广。
参考文献
［1］雷玉堂．光电检测技术［M］．北京：中国计量出版社，1995．
［2］吕海宝．激光光电检测［M］．北京：国防科技大学出版社，2000．
［3］王清正，胡渝．光电探测技术［M］．北京：电子工业出版社，1994．
［4］高雅之，高岳．光电检测技术［M］．北京：国防工业出版社，1999．
［5］缪家鼎．光电技术［M］．杭州：浙江大学出版社，1995．
［6］童诗白．模拟电子技术基础（第4版）［M］．北京：高等教育出版社，2000．
在20世纪50年代后期，随着材料技术、半导体技术、激光技术、微电子技术以及光学技术的迅速发展，从而大大地推动了光电技术的发展，使得这一技术得到人们的广泛关注。尤其是在军事中得到了较好的应用，如激光雷达、反激光制导武器系统等都利用到了这一技术。同时在一些特殊的工业行业中，如光纤通信、精密测量、精密制造、零件检查等，其生产技术中对光电技术都有了不同程度地应用。并且这些行业由于用了这一高新技术而使得其效率得到大幅提高。但是，目前的光电技术还属于前沿技术，现存的一些光电产品大多原理比较复杂，而且对生产加工技术要求较为严格，因而造价一直比较高，不能被普通用户接受。因此，本文利用单片机结合光电技术而开发设计了这一光电控制设备。该设备类似于红外遥控设备，与之不同的是，他传送信号的载体是激光，其传送的信号可以特殊调制。特别是其原理简单，造价低廉也使他能够被普通用户所接受。
2 基本原理
本系统的基本原理主要是单片机技术和光电检测技 术的结合，其检测原理框图如图1所示。
该系统利用单片机对电源进行控制。单片机根据用户键入的信息自动生成一串有序电源脉冲，用这一电源脉冲来控制半导体激光器。这样由半导体激光器发射的激光便是一串激光脉冲波，这一串激光脉冲便是载有用户信息的信号波。当光电检测器检测到此激光信号波时，将其转化成为一串连续的电脉冲波。但此时所得到的信号是非常微弱、不够规则的，同时由于杂散光以及外部干扰的存在，此处的电信号还混杂着一些无用的干扰信号，因此这些信号还不可以直接应用。必须通过前置放大电路将他进行放大和除噪处理，处理过的信号便可直接驱动单片机工作，进行译码及判别处理。通过比较判别，单片机决定执行哪一种处理，然后生成控制信号来启动控制设备。
3 关键技术
3．1 编码技术／激光调制技术
激光调制一般是调制激光的频率或振幅，本方法所采用的技术是将编码技术与激光调制技术结合起来进行综合编译。此处选取AT89C51作为控制模块，他使用广泛，具有稳定性好、性价比高等一些突出的优点，因而，他成为此系统的首选型号的单片机。其具体的编码及调制过程如下：首先在单片机内设定，当检测到一组二进制码时，若是“1”，便通电40μs，若是“0”时，便断电40μs，然后规定当检测完此组二进制数码时，进行循环执行。这样，这一电脉冲便形成一周期脉冲。当用户键入的数字为1998时，那么其二进制编码便是11111001110。那么单片机便控制发出如图2所示的脉冲信号时序控制信号。考虑到接收端也是用单片机，因此还有一个通信协议。这里采用这种 方法，一般情况都是低电平，当要发射时先发射4组10μs的信号。此信号发射完才开始发射控制信号。
3．2 光电检测器件的选取
目前，光电检测技术中常用到的一些光电检测器件有光电倍增管、雪崩二极管、光电二极管、光电三极管、PIN、光敏电阻、光敏电池以及CCD阵列等一些半导体器件。选择光电检测器件可参考表1来进行比较选取。
从表1可知光电二极管是最理想的选择，他的光谱响 应范围可以满足此系统的需求，他具有较好的线性特性、外加电压小、暗电流小、体积小、最稳定以及价格低等一些优点，他的输出电流小，光敏面积小，可以通过设计前置放大电路以及装光学器材来增大其受光面积。故选择光电二极管作为此系统的光电检测器件，进行检测电器的连结时要注意光电二极管正常工作于反偏状态下，其一般的检测电路如图3所示，该电路的微变等效电路如图4所示。
从表1可知光电二极管是最理想的选择，他的光谱响 应范围可以满足此系统的需求，他具有较好的线性特性、外加电压小、暗电流小、体积小、最稳定以及价格低等一些优点，他的输出电流小，光敏面积小，可以通过设计前置放大电路以及装光学器材来增大其受光面积。故选择光电二极管作为此系统的光电检测器件，进行检测电器的连结时要注意光电二极管正常工作于反偏状态下，其一般的检测电路如图3所示，该电路的微变等效电路如图4所示。
3．3 检测电路的频率特性分析
当给定输入光照度时要在负载上取到最大功率输出时，要求满足RL=Rb和g<。此处，Cj为光电二极管结电容，Rg为内阻，Se为光电流。RL是前置放大电路的输入电阻。在设计中考虑到为从光电二极管中得到足够的信号功率和电压，RL和Rb不能太小。根据其微变等效电路可得RL和Rb过大又会引起高频截止，频率下降，降低了通频带宽度。 [!--empirenews.page--]
频率的响应是光电检测电路考虑的主要因素，要满足保证所需检测灵敏度前提下获得最好的线性不失真和频率不失真。因此可根据上述分析来设计检测电路。
3．4 噪声处理及前置放大电路的设计
在光电检测电路中其关键部分在于前置放大电路的设计以及噪声处理，实际光电检测电路中存在各种外部扰动和内部噪声。外部扰动包括随机波动和附加的光调制，光路传输介质的端流和背景起伏杂散光的入射以及检测04电路所受到的电磁干扰等。这些扰动可以通过稳定辐射光源、去除杂散光、选择偏振片等方法来得到解决。而内部噪声主要是由检测电路内部的一些半导体器件而产生。这些噪声主要是以热噪声的形式出现，可以通过电容耦合的方法来消除这些噪声。因此，为了减少外部扰动用单片机控制半导体激光器，生成一个有序激光脉冲信号，这就大大减少了外部扰动对系统的影响。为了减少与内部热噪声的影响，提高放大器输出端的信噪比，选用无噪声偏置放大电路，如图5所示。
选择C2大小，应使得在最低工作效率时他的电抗小于Rb，这样Ra，Rb产生的热噪声便可通过C2旁通到地。这样只有Rd产生少部分噪声。为了计算确定一些具体的阻容元件参数的方便，将此电路作了微变等效分析。一般等效处理即将各种器件等效处理为相同形式的均方值（或有效值）电流源的形式。这样便可以与其余的电路器件一起以统一方式建立等效的噪声电路。通过计算可以得出此电路具有较高的信噪比，且能够满足此系统对信号的要求。
3．5 信号的判断处理及控制信号的生成
此部分主要是信号经过放大整形后送入单片机进行处理，并且由单片机产生一路控制信号，可实现对不同设 备的同步控制。为了检验这一技术的可行性，我们设计并开发了激光密码报警系统，通过试验其性能稳定，操作方便简捷。证明了这一方法是非常可行的。
4 结语
此系统具有原理简单、系统稳定、价格低廉、操作简便等一些优点，使其能够为更多的用户所接受创造了条件。若将其接收部分进行改造，装以光电轴或透镜以便增大接收面积，可以进行灵活而快速的近中程通信与控制。其智能化程度比较高，只要改变单片机内的程序便可执行更多其他控制，有很大发展前景。在军事方面，若将此装置用于火箭炮的车外发射，便可进行更简便、更优化、更远距离的操作，不必担心其车外发射电缆的断裂和干扰。在民用方面，他可以用于防盗设备上，使其更具智能化和人性化，如防盗门、保险箱等。在工业方面，他可以用于控制一些大型的成组设备，或是同一流水线上的不同操作步骤。应用了单片机灵活的可编程特性技术，其应用范围变得更加宽广。
参考文献
［1］雷玉堂．光电检测技术［M］．北京：中国计量出版社，1995．
［2］吕海宝．激光光电检测［M］．北京：国防科技大学出版社，2000．
［3］王清正，胡渝．光电探测技术［M］．北京：电子工业出版社，1994．
［4］高雅之，高岳．光电检测技术［M］．北京：国防工业出版社，1999．
［5］缪家鼎．光电技术［M］．杭州：浙江大学出版社，1995．
［6］童诗白．模拟电子技术基础（第4版）［M］．北京：高等教育出版社，2000．
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