基于單片機(jī)技術(shù)的光電檢測(cè)研究

    1　引言 　　

　　在20世紀(jì)50年代后期，隨著材料技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、激光技術(shù)、微電子技術(shù)以及光學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，從而大大地推動(dòng)了光電技術(shù)的發(fā)展，使得這一技術(shù)得到人們的廣泛關(guān)注。尤其是在軍事中得到了較好的應(yīng)用，如激光雷達(dá)、反激光制導(dǎo)武器系統(tǒng)等都利用到了這一技術(shù)。同時(shí)在一些特殊的工業(yè)行業(yè)中，如光纖通信、精密測(cè)量、精密制造、零件檢查等，其生產(chǎn)技術(shù)中對(duì)光電技術(shù)都有了不同程度地應(yīng)用。并且這些行業(yè)由于用了這一高新技術(shù)而使得其效率得到大幅提高。但是，目前的光電技術(shù)還屬于前沿技術(shù)，現(xiàn)存的一些光電產(chǎn)品大多原理比較復(fù)雜，而且對(duì)生產(chǎn)加工技術(shù)要求較為嚴(yán)格，因而造價(jià)一直比較高，不能被普通用戶接受。因此，本文利用單片機(jī)結(jié)合光電技術(shù)而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了這一光電控制設(shè)備。該設(shè)備類似于紅外遙控設(shè)備，與之不同的是，他傳送信號(hào)的載體是激光，其傳送的信號(hào)可以特殊調(diào)制。特別是其原理簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉也使他能夠被普通用戶所接受。 　　

　　2　基本原理 　　

　　本系統(tǒng)的基本原理主要是單片機(jī)技術(shù)和光電檢測(cè)技 術(shù)的結(jié)合，其檢測(cè)原理框圖如圖1所示。

　　該系統(tǒng)利用單片機(jī)對(duì)電源進(jìn)行控制。單片機(jī)根據(jù)用戶鍵入的信息自動(dòng)生成一串有序電源脈沖，用這一電源脈沖來(lái)控制半導(dǎo)體激光器。這樣由半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光便是一串激光脈沖波，這一串激光脈沖便是載有用戶信息的信號(hào)波。當(dāng)光電檢測(cè)器檢測(cè)到此激光信號(hào)波時(shí)，將其轉(zhuǎn)化成為一串連續(xù)的電脈沖波。但此時(shí)所得到的信號(hào)是非常微弱、不夠規(guī)則的，同時(shí)由于雜散光以及外部干擾的存在，此處的電信號(hào)還混雜著一些無(wú)用的干擾信號(hào)，因此這些信號(hào)還不可以直接應(yīng)用。必須通過(guò)前置放大電路將他進(jìn)行放大和除噪處理，處理過(guò)的信號(hào)便可直接驅(qū)動(dòng)單片機(jī)工作，進(jìn)行譯碼及判別處理。通過(guò)比較判別，單片機(jī)決定執(zhí)行哪一種處理，然后生成控制信號(hào)來(lái)啟動(dòng)控制設(shè)備。

　　3　關(guān)鍵技術(shù) 　　

　　3．1　編碼技術(shù)／激光調(diào)制技術(shù) 　　

　　激光調(diào)制一般是調(diào)制激光的頻率或振幅，本方法所采用的技術(shù)是將編碼技術(shù)與激光調(diào)制技術(shù)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行綜合編譯。此處選取AT89C51作為控制模塊，他使用廣泛，具有穩(wěn)定性好、性價(jià)比高等一些突出的優(yōu)點(diǎn)，因而，他成為此系統(tǒng)的首選型號(hào)的單片機(jī)。其具體的編碼及調(diào)制過(guò)程如下：首先在單片機(jī)內(nèi)設(shè)定，當(dāng)檢測(cè)到一組二進(jìn)制碼時(shí)，若是“1”，便通電40μs，若是“0”時(shí)，便斷電40μs，然后規(guī)定當(dāng)檢測(cè)完此組二進(jìn)制數(shù)碼時(shí)，進(jìn)行循環(huán)執(zhí)行。這樣，這一電脈沖便形成一周期脈沖。當(dāng)用戶鍵入的數(shù)字為1998時(shí)，那么其二進(jìn)制編碼便是11111001110。那么單片機(jī)便控制發(fā)出如圖2所示的脈沖信號(hào)時(shí)序控制信號(hào)。考慮到接收端也是用單片機(jī)，因此還有一個(gè)通信協(xié)議。這里采用這種方法，一般情況都是低電平，當(dāng)要發(fā)射時(shí)先發(fā)射4組10μs的信號(hào)。此信號(hào)發(fā)射完才開(kāi)始發(fā)射控制信號(hào)。

　　3．2　光電檢測(cè)器件的選取 　　

　　目前，光電檢測(cè)技術(shù)中常用到的一些光電檢測(cè)器件有光電倍增管、雪崩二極管、光電二極管、光電三極管、PIN、光敏電阻、光敏電池以及CCD陣列等一些半導(dǎo)體器件。選擇光電檢測(cè)器件可參考表1來(lái)進(jìn)行比較選取。

　　從表1可知光電二極管是最理想的選擇，他的光譜響應(yīng)范圍可以滿足此系統(tǒng)的需求，他具有較好的線性特性、外加電壓小、暗電流小、體積小、最穩(wěn)定以及價(jià)格低等一些優(yōu)點(diǎn)，他的輸出電流小，光敏面積小，可以通過(guò)設(shè)計(jì)前置放大電路以及裝光學(xué)器材來(lái)增大其受光面積。故選擇光電二極管作為此系統(tǒng)的光電檢測(cè)器件，進(jìn)行檢測(cè)電器的連結(jié)時(shí)要注意光電二極管正常工作于反偏狀態(tài)下，其一般的檢測(cè)電路如圖3所示，該電路的微變等效電路如圖4所示。 　

　　3．3　檢測(cè)電路的頻率特性分析 　　

　　當(dāng)給定輸入光照度時(shí)要在負(fù)載上取到最大功率輸出時(shí)，要求滿足RL=Rb和g<。此處，Cj為光電二極管結(jié)電容，Rg為內(nèi)阻， Se為光電流。RL是前置放大電路的輸入電阻。在設(shè)計(jì)中考慮到為從光電二極管中得到足夠的信號(hào)功率和電壓，RL和Rb不能太小。根據(jù)其微變等效電路可得 RL和Rb過(guò)大又會(huì)引起高頻截止，頻率下降，降低了通頻帶寬度。

　　頻率的響應(yīng)是光電檢測(cè)電路考慮的主要因素，要滿足保證所需檢測(cè)靈敏度前提下獲得最好的線性不失真和頻率不失真。因此可根據(jù)上述分析來(lái)設(shè)計(jì)檢測(cè)電路。 　　

　　3．4　噪聲處理及前置放大電路的設(shè)計(jì) 　　

　　在光電檢測(cè)電路中其關(guān)鍵部分在于前置放大電路的設(shè)計(jì)以及噪聲處理，實(shí)際光電檢測(cè)電路中存在各種外部擾動(dòng)和內(nèi)部噪聲。外部擾動(dòng)包括隨機(jī)波動(dòng)和附加的光調(diào)制，光路傳輸介質(zhì)的端流和背景起伏雜散光的入射以及檢測(cè)04電路所受到的電磁干擾等。這些擾動(dòng)可以通過(guò)穩(wěn)定輻射光源、去除雜散光、選擇偏振片等方法來(lái)得到解決。而內(nèi)部噪聲主要是由檢測(cè)電路內(nèi)部的一些半導(dǎo)體器件而產(chǎn)生。這些噪聲主要是以熱噪聲的形式出現(xiàn)，可以通過(guò)電容耦合的方法來(lái)消除這些噪聲。因此，為了減少外部擾動(dòng)用單片機(jī)控制半導(dǎo)體激光器，生成一個(gè)有序激光脈沖信號(hào)，這就大大減少了外部擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。為了減少與內(nèi)部熱噪聲的影響，提高放大器輸出端的信噪比，選用無(wú)噪聲偏置放大電路，如圖5所示。

　　選擇C2大小，應(yīng)使得在最低工作效率時(shí)他的電抗小于Rb，這樣Ra，Rb產(chǎn)生的熱噪聲便可通過(guò)C2旁通到地。這樣只有Rd產(chǎn)生少部分噪聲。為了計(jì)算確定一些具體的阻容元件參數(shù)的方便，將此電路作了微變等效分析。一般等效處理即將各種器件等效處理為相同形式的均方值（或有效值）電流源的形式。這樣便可以與其余的電路器件一起以統(tǒng)一方式建立等效的噪聲電路。通過(guò)計(jì)算可以得出此電路具有較高的信噪比，且能夠滿足此系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的要求。 　　

　　3．5　信號(hào)的判斷處理及控制信號(hào)的生成 　　

　　此部分主要是信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形后送入單片機(jī)進(jìn)行處理，并且由單片機(jī)產(chǎn)生一路控制信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同設(shè) 備的同步控制。為了檢驗(yàn)這一技術(shù)的可行性，我們?cè)O(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了激光密碼報(bào)警系統(tǒng)，通過(guò)試驗(yàn)其性能穩(wěn)定，操作方便簡(jiǎn)捷。證明了這一方法是非?？尚械?。 　　

　　4　結(jié)語(yǔ) 　　

　　此系統(tǒng)具有原理簡(jiǎn)單、系統(tǒng)穩(wěn)定、價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)便等一些優(yōu)點(diǎn)，使其能夠?yàn)楦嗟挠脩羲邮軇?chuàng)造了條件。若將其接收部分進(jìn)行改造，裝以光電軸或透鏡以便增大接收面積，可以進(jìn)行靈活而快速的近中程通信與控制。其智能化程度比較高，只要改變單片機(jī)內(nèi)的程序便可執(zhí)行更多其他控制，有很大發(fā)展前景。在軍事方面，若將此裝置用于火箭炮的車(chē)外發(fā)射，便可進(jìn)行更簡(jiǎn)便、更優(yōu)化、更遠(yuǎn)距離的操作，不必?fù)?dān)心其車(chē)外發(fā)射電纜的斷裂和干擾。在民用方面，他可以用于防盜設(shè)備上，使其更具智能化和人性化，如防盜門(mén)、保險(xiǎn)箱等。在工業(yè)方面，他可以用于控制一些大型的成組設(shè)備，或是同一流水線上的不同操作步驟。應(yīng)用了單片機(jī)靈活的可編程特性技術(shù)，其應(yīng)用范圍變得更加寬廣。