基于單片機(jī)技術(shù)的光電檢測研究
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關(guān)鍵詞：單片機(jī)；激光；光電檢測；脈沖信號
Research of Electro-optic Examination Based on Technology of Monolithic Computer HU Zhuli，AN Wenyuan，LILing，OUYANG Xiaodong
?。═he National Defense University of Science and Technology，Changsha，410112，China）
Abstract：Now electro optic technology has been more and more broadly applied in high tech weapon and precise manufacturing，etc．This paper will primarily introduces a method of examination by laser based on the monolithic computer．Namely we takeadvantage of the monolithic computer to regulate and control the signalof laser pulse，and combining the electro-optic technologywith the technology of monolithic computer，we can design an examination circuit and then use laser convey signal and proceedmulti-way controll．
Keywords：monolithic computer；laser；electro-optic examination；pulse signal
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、精密測量、精密制造、零件檢查等，其生產(chǎn)技術(shù)中對光電技術(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，他傳送信號的載體是激光，其傳送的信號可以特殊調(diào)制。特別是其原理簡單，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)和光電檢測技 術(shù)的結(jié)合，其檢測原理框圖如圖1所示。
該系統(tǒng)利用單片機(jī)對電源進(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波。當(dāng)光電檢測器檢測到此激光信號波時(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，此處的電信號還混雜著一些無用的干擾信號，因此這些信號還不可以直接應(yīng)用。必須通過前置放大電路將他進(jìn)行放大和除噪處理，處理過的信號便可直接驅(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，然后生成控制信號來啟動(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)的首選型號的單片機(jī)。其具體的編碼及調(diào)制過程如下：首先在單片機(jī)內(nèi)設(shè)定，當(dāng)檢測到一組二進(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所示的脈沖信號時(shí)序控制信號。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。此信號發(fā)射完才開始發(fā)射控制信號。
3．2 光電檢測器件的選取
目前，光電檢測技術(shù)中常用到的一些光電檢測器件有光電倍增管、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。選擇光電檢測器件可參考表1來進(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，可以通過設(shè)計(jì)前置放大電路以及裝光學(xué)器材來增大其受光面積。故選擇光電二極管作為此系統(tǒng)的光電檢測器件，進(jìn)行檢測電器的連結(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)是光電檢測電路考慮的主要因素，要滿足保證所需檢測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)上述分析來設(shè)計(jì)檢測電路。
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04電路所受到的電磁干擾等。這些擾動(dòng)可以通過穩(wěn)定輻射光源、去除雜散光、選擇偏振片等方法來得到解決。而內(nèi)部噪聲主要是由檢測電路內(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)，可以通過電容耦合的方法來消除這些噪聲。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，這就大大減少了外部擾動(dòng)對系統(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)對信號的要求。
3．5 信號的判斷處理及控制信號的生成
此部分主要是信號經(jīng)過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，可實(shí)現(xiàn)對不同設(shè) 備的同步控制。為了檢驗(yàn)這一技術(shù)的可行性，我們設(shè)計(jì)并開發(fā)了激光密碼報(bào)警系統(tǒng)，通過試驗(yàn)其性能穩(wěn)定，操作方便簡捷。證明了這一方法是非?？尚械?。
4 結(jié)語
此系統(tǒng)具有原理簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定、價(jià)格低廉、操作簡便等一些優(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外發(fā)射，便可進(jìn)行更簡便、更優(yōu)化、更遠(yuǎn)距離的操作，不必?fù)?dān)心其車外發(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、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。
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