基于單片機(jī)的光電傳感信號檢測系統(tǒng)設(shè)計

王小艷，肖 勇，葛曉宇，孫大雷，鄭 哲

(沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142)

光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(紅外、可見及紫外光輻射)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號［1］.光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛［2］.

縱觀現(xiàn)有的傳感器都是以單片機(jī)為核心，輔以敏感元件作為檢測裝置，通過AD 轉(zhuǎn)換將檢測數(shù)據(jù)送至單片機(jī)中處理［3］.本文基于光電傳感的智能檢測技術(shù)，制定傳感器總體結(jié)構(gòu)方案，采用C8051F330 單片機(jī)作為控制器，對被檢物體的存在與否進(jìn)行檢測.由于光電傳感器檢測具有要求響應(yīng)時間快、抗干擾能力強(qiáng)等特點，因此，設(shè)計了一套微弱電信號采集與處理系統(tǒng)，以及光源的脈沖驅(qū)動電路.系統(tǒng)首先對接受到的光電信號進(jìn)行預(yù)放大，接著進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，然后與預(yù)設(shè)的閾值比較，并采用擾動法和表決法對物體的存在與否進(jìn)行決策判斷，最終將結(jié)果輸出.

1 光電傳感器結(jié)構(gòu)

光電傳感器由電源、發(fā)光二極管(LED)、驅(qū)動電路、光敏元件、信號放大電路、控制器和輸出電路組成［4］，如圖1 所示.

圖1 光電傳感器結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of fiber-optic photoelectric sensor

光電傳感器的光源由控制器產(chǎn)生的脈沖信號驅(qū)動，光線經(jīng)被檢物反射或折射后，造成光強(qiáng)一定程度的衰減，并通過接收電路放大和控制器處理，輸出檢測結(jié)果.其中，控制器對信號的穩(wěn)定檢測是影響傳感器檢測靈敏度的最重要因素之一.

1.1 電源調(diào)節(jié)器

光電傳感器信號檢測電路模塊的工作電壓為5 V，而工業(yè)用電電壓通常為10～30 V，因此，需要通過穩(wěn)壓芯片進(jìn)行降壓處理.選用穩(wěn)壓芯片LM2576，經(jīng)過降壓后輸出5 V 電壓.此外，由于C8051F330 單片機(jī)的供電電壓為3.3 V，因此，還需要采用另外一個穩(wěn)壓芯片ASM1117-3.3 對5 V 電壓再次降壓.

1.2 脈沖光源驅(qū)動電路

光電傳感器的發(fā)射光源選用Everlight 公司的IR333C-A 紅外發(fā)光二極管.該發(fā)光二極管具有可靠性高、輻射強(qiáng)度大、正向電壓低等特點，適合于檢測型傳感器.通過設(shè)置單片機(jī)程序輸出脈沖信號PLS1 來驅(qū)動光源，經(jīng)NPN 三極管進(jìn)行功率放大，以增加信號檢測距離.光源驅(qū)動電路如圖2 所示.

圖2 光源驅(qū)動電路Fig.2 Transmission electronics of photoelectric sensors

1.3 光電信號放大器

光電接收元件選用Everlight 公司的PD333-3C 紅外光敏二極管，與紅外發(fā)光二極管配套使用，將經(jīng)物體衰減后的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，其信號強(qiáng)弱代表待檢測物體的狀態(tài).因為光電二極管的直接輸出電流很弱，容易受干擾噪聲的影響，所以，設(shè)計時采用了低噪聲前置放大電路來實現(xiàn)對微弱電信號的放大和濾波，增大信號幅值，以便單片機(jī)的A/D 轉(zhuǎn)換器可進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換.

1.4 控制器

控制器采用的是Silicon labs 的C8051F330.片上集成了豐富的外設(shè)，極大地降低了對外圍元器件的需求，整個系統(tǒng)成本 比較低［5］.C8051F330 單片機(jī)內(nèi)部集成有16 通道的10 位ADC，可直接使用內(nèi)部A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并且片內(nèi)已集成晶振，無需外接晶振，從而簡化了電路設(shè)計［6］.此外C8051F330 單片機(jī)內(nèi)置的溫度傳感器可用于溫度的檢測，便于進(jìn)行傳感器溫度補償?shù)鹊难芯?

1.5 輸出電路

輸出顯示電路由74HC138 和74HC164 控制4 位數(shù)碼管顯示，74HC138 用于位選通，74HC164 用于段選通.根據(jù)檢測到的信號強(qiáng)弱由單片機(jī)輸出信號控制74HC138 和74HC164，最終通過LED 顯示傳感器的檢測結(jié)果.

2 信號處理方案設(shè)計

系統(tǒng)的信號處理方案設(shè)計主要包括:基于C 語言的單片機(jī)驅(qū)動光源脈沖信號的產(chǎn)生，A/D 轉(zhuǎn)換，采集信號的處理，以及信號輸出及顯示.圖3 為主程序流程.單片機(jī)對采集到的電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較，超過閾值表示檢測到有效信號，低于閾值表示沒有檢測到有效信號.并在信號檢測算法中加入擾動處理和表決法處理，增加了信號檢測的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性［7－8］.

光電傳感器光源驅(qū)動所需的脈沖信號產(chǎn)生程序如圖4 所示，在主程序初始化之后，設(shè)置計數(shù)器0 為8 位自動重載計數(shù)器，且裝入初值控制計數(shù)器從開始計數(shù)到溢出的時間為100 μs，即單個脈沖周期時間，等價于頻率為10 kHz，以滿足響應(yīng)時間的設(shè)計要求.進(jìn)入循環(huán)程序，P1.0 此時設(shè)為高電平，等到被檢信號即將達(dá)到峰值時，P1.0 設(shè)為低電平，該最優(yōu)脈寬時間通過實驗觀察為7.2 μs.等待計數(shù)器0 溢出，然后計數(shù)器0溢出標(biāo)志位清零并自動重載計數(shù)，程序循環(huán)執(zhí)行.據(jù)此，P1.0 引腳的輸出脈沖信號呈周期性的變化，占空比為7.2 %，以此脈沖信號驅(qū)動光源發(fā)光二極管.

圖3 物體檢測主程序流程Fig.3 Main program flow chart of object detection

圖4 脈沖信號程序流程Fig.4 Program flow chart of pulse signal

單片機(jī)對放大后的接收信號進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理，由P0.2 引腳作為ADC0 輸入的正輸入通道，檢測信號由此引腳輸入.在P1.0 引腳由高電平變?yōu)榈碗娖街?，利用空閑時間清除A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷標(biāo)志位.ADC 轉(zhuǎn)換的采樣點要控制在接收峰值附近.通過實驗觀察，ADC 開始轉(zhuǎn)換的采樣時間點設(shè)在P1.0 引腳變?yōu)榈碗娖胶?，向AD0BUSY 寫“1”啟動ADC0 轉(zhuǎn)換，采用查詢等待方式判斷AD 轉(zhuǎn)換控制寄存器中的ADCINT 位確定是否轉(zhuǎn)換完畢.轉(zhuǎn)換后從ADC數(shù)據(jù)字ADC0H 和ADC0L 中讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，并將該數(shù)字信號放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū).

AD 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號要與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，判斷是否達(dá)到設(shè)定的強(qiáng)度.系統(tǒng)設(shè)定的閾值為1.6 V，大于1.6 V 表示檢測到有效信號，小于1.6 V 表示沒有檢測到有效信號.但是由于受到環(huán)境等因素的影響，檢測信號會有一定的波動性，因而通過信噪比分析，采取在10 %的擾動范圍內(nèi)對信號進(jìn)行處理，以提高檢測的穩(wěn)定性.因此，信號上升和下降閾值電壓可分別設(shè)定為1.76 V 和1.44 V，大于1.76 V 表示檢測到有效信號，小于1.44 V 表示沒有檢測到有效信號.當(dāng)電壓在1.76 和1.44 之間時，要結(jié)合前次狀態(tài)進(jìn)行判斷.

為了進(jìn)一步提高抗干擾能力和傳感器檢測的可靠性，在滿足光電傳感器檢測響應(yīng)時間要求的前提下，采用了較為復(fù)雜的表決法進(jìn)行信號處理，即只有當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)多個超過一定閾值的有效信號時，才表示檢測到物體的存在.譬如，如果連續(xù)出現(xiàn)5 個有效信號，表示檢測到物體存在，否則重新表決.該檢測方法大大提高了光電傳感器檢測的可靠性和穩(wěn)定性.

3 實驗結(jié)果

圖5 為示波器檢測到的單片機(jī)引腳P1.0 產(chǎn)生的脈沖效果圖，其中脈沖信號為光源驅(qū)動脈沖，周期100 μs，脈寬為7 μs 左右.

圖6(a)所示為示波器檢測到的脈沖信號與接收到的放大模擬信號對比圖.上面波形為經(jīng)過信號放大器后的模擬信號.圖6(b)為單個脈沖和檢測信號的對比圖.

圖5 脈沖信號Fig.5 Pulsed signal

圖6 脈沖信號與檢測信號Fig.6 Pulse signal and detection signal

基于單片機(jī)的ADC 模塊，對檢測信號進(jìn)行處理，通過閾值的設(shè)定、擾動濾波和表決法處理，最終的輸出結(jié)果由LED 顯示.如圖7(a)所示，當(dāng)LED 顯示為0，表示檢測到物體不存在.反之，當(dāng)檢測到物體存在時LED 顯示為1，如圖7(b)所示.

圖7 LED 顯示實驗裝置Fig.7 Experimental results

4 結(jié)束語

制定了一種基于C8051F330 單片機(jī)的光電傳感器信號檢測方案，通過LED 實時顯示光電傳感器檢測物體存在與否的結(jié)果.實驗表明:該檢測方案通過對檢測信號的閾值設(shè)定、擾動濾波和表決法處理，滿足了光電傳感器對物體檢測時響應(yīng)時間快和抗干擾能力強(qiáng)的要求，達(dá)到了對干擾信號的進(jìn)一步抑制和提高傳感器檢測可靠性的目的.

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