基于單片機技術(shù)的光電檢測研究
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關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C；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50年代后期，隨著(zhù)材料技術(shù)、半導體技術(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用，如激光雷達、反激光制導武器系統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)，現存的一些光電產(chǎn)品大多原理比較復雜，而且對生產(chǎn)加工技術(shù)要求較為嚴格，因而造價(jià)一直比較高，不能被普通用戶(hù)接受。因此，本文利用單片機結合光電技術(shù)而開(kāi)發(fā)設計了這一光電控制設備。該設備類(lèi)似于紅外遙控設備，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(hù)所接受。
2 基本原理
本系統的基本原理主要是單片機技術(shù)和光電檢測技 術(shù)的結合，其檢測原理框圖如圖1所示。
該系統利用單片機對電源進(jìn)行控制。單片機根據用戶(hù)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)控制半導體激光器。這樣由半導體激光器發(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(hù)信息的信號波。當光電檢測器檢測到此激光信號波時(shí)，將其轉化成為一串連續的電脈沖波。但此時(shí)所得到的信號是非常微弱、不夠規則的，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(zhù)一些無(wú)用的干擾信號，因此這些信號還不可以直接應用。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)的信號便可直接驅動(dòng)單片機工作，進(jìn)行譯碼及判別處理。通過(guò)比較判別，單片機決定執行哪一種處理，然后生成控制信號來(lái)啟動(dòng)控制設備。
3 關(guān)鍵技術(shù)
3．1 編碼技術(shù)／激光調制技術(shù)
激光調制一般是調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)與激光調制技術(shù)結合起來(lái)進(jìn)行綜合編譯。此處選取AT89C51作為控制模塊，他使用廣泛，具有穩定性好、性?xún)r(jià)比高等一些突出的優(yōu)點(diǎn)，因而，他成為此系統的首選型號的單片機。其具體的編碼及調制過(guò)程如下：首先在單片機內設定，當檢測到一組二進(jìn)制碼時(shí)，若是“1”，便通電40μs，若是“0”時(shí)，便斷電40μs，然后規定當檢測完此組二進(jìn)制數碼時(shí)，進(jìn)行循環(huán)執行。這樣，這一電脈沖便形成一周期脈沖。當用戶(hù)鍵入的數字為1998時(shí)，那么其二進(jìn)制編碼便是11111001110。那么單片機便控制發(fā)出如圖2所示的脈沖信號時(shí)序控制信號?？紤]到接收端也是用單片機，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(kāi)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陣列等一些半導體器件。選擇光電檢測器件可參考表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 應范圍可以滿(mǎn)足此系統的需求，他具有較好的線(xiàn)性特性、外加電壓小、暗電流小、體積小、最穩定以及價(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)設計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的光電檢測器件，進(jìn)行檢測電器的連結時(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
當給定輸入光照度時(shí)要在負載上取到最大功率輸出時(shí)，要求滿(mǎn)足RL=Rb和g<
此處，Cj為光電二極管結電容，Rg為內阻，Se為光電流。RL是前置放大電路的輸入電阻。在設計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。
頻率的響應是光電檢測電路考慮的主要因素，要滿(mǎn)足保證所需檢測靈敏度前提下獲得最好的線(xiàn)性不失真和頻率不失真。因此可根據上述分析來(lái)設計檢測電路。
3．4 噪聲處理及前置放大電路的設計
在光電檢測電路中其關(guān)鍵部分在于前置放大電路的設計以及噪聲處理，實(shí)際光電檢測電路中存在各種外部擾動(dòng)和內部噪聲。外部擾動(dòng)包括隨機波動(dòng)和附加的光調制，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(guò)穩定輻射光源、去除雜散光、選擇偏振片等方法來(lái)得到解決。而內部噪聲主要是由檢測電路內部的一些半導體器件而產(chǎn)生。這些噪聲主要是以熱噪聲的形式出現，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)用單片機控制半導體激光器，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)對系統的影響。為了減少與內部熱噪聲的影響，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。為了計算確定一些具體的阻容元件參數的方便，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一方式建立等效的噪聲電路。通過(guò)計算可以得出此電路具有較高的信噪比，且能夠滿(mǎn)足此系統對信號的要求。
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(guò)放大整形后送入單片機進(jìn)行處理，并且由單片機產(chǎn)生一路控制信號，可實(shí)現對不同設 備的同步控制。為了檢驗這一技術(shù)的可行性，我們設計并開(kāi)發(fā)了激光密碼報警系統，通過(guò)試驗其性能穩定，操作方便簡(jiǎn)捷。證明了這一方法是非?？尚械?。
4 結語(yǔ)
此系統具有原理簡(jiǎn)單、系統穩定、價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)便等一些優(yōu)點(diǎn)，使其能夠為更多的用戶(hù)所接受創(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，只要改變單片機內的程序便可執行更多其他控制，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、更遠距離的操作，不必擔心其車(chē)外發(fā)射電纜的斷裂和干擾。在民用方面，他可以用于防盜設備上，使其更具智能化和人性化，如防盜門(mén)、保險箱等。在工業(yè)方面，他可以用于控制一些大型的成組設備，或是同一流水線(xiàn)上的不同操作步驟。應用了單片機靈活的可編程特性技術(shù)，其應用范圍變得更加寬廣。
參考文獻
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