單片機(jī)技術(shù)的光電檢測(cè)研究

鄭潔

摘 要：伴隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)的發(fā)展與成熟，自動(dòng)化控制系統(tǒng)與信息處理技術(shù)的進(jìn)步，光電檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前信息科學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)十分關(guān)鍵的組成部分。其是一門(mén)對(duì)光與物質(zhì)相互作用進(jìn)行研究的學(xué)科，憑借著測(cè)量準(zhǔn)確度高、檢測(cè)速度快、信息容量大、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)在信息科學(xué)領(lǐng)域得到了十分廣泛的運(yùn)用。當(dāng)前光電檢測(cè)技術(shù)正在朝著高精度、智能化、多元化、自動(dòng)化的方向不斷發(fā)展。文章主要針對(duì)一種基于單片機(jī)技術(shù)的光電檢測(cè)進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)技術(shù)；光電檢測(cè)；脈沖信號(hào)

在現(xiàn)代信息化社會(huì)中光電技術(shù)已經(jīng)成為提煉光學(xué)信息或其他重要信息的途徑，其讓人類(lèi)更大范圍地拓展自身能力，讓視覺(jué)延長(zhǎng)至高精度，并且能在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)超快速現(xiàn)象進(jìn)行記錄。同時(shí)，光電檢測(cè)技術(shù)是一種非接觸策略技術(shù)，其能夠高效、快速、精確檢測(cè)出被檢測(cè)物體幾何參數(shù)與物理參數(shù)。光電檢測(cè)技術(shù)在眾多現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)中占據(jù)著十分重要的位置，同時(shí)也是現(xiàn)代計(jì)量技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

1 單片機(jī)與光電檢測(cè)

1.1 單片機(jī)

單片機(jī)是一種集成電路芯片，在使用超大規(guī)模集成電路技術(shù)的基礎(chǔ)上將擁有數(shù)據(jù)處理能力的CPU，RAM，ROM等功能集中在一塊微型硅片中所形成的一個(gè)小規(guī)模卻功能齊全的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。當(dāng)前，單片技術(shù)在工業(yè)控制與自動(dòng)化控制領(lǐng)域已經(jīng)得到了十分廣泛的應(yīng)用。在智能儀器、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)等領(lǐng)域中，各類(lèi)產(chǎn)品在使用單片機(jī)的基礎(chǔ)上將會(huì)獲得產(chǎn)品升級(jí)換代的作用[ 1 ]。

1.2 光電檢測(cè)

光電檢測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)重要的光電信息技術(shù)，其主要是將激光、紅外線(xiàn)、光纖等器件作為基礎(chǔ)，在通過(guò)對(duì)被檢測(cè)物體光輻射，經(jīng)過(guò)光電檢測(cè)器接受光輻射將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過(guò)輸入電路、放大濾波等過(guò)程獲得有效的信息，進(jìn)而再通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口將計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理流程輸入，最后顯示出需要檢測(cè)的相關(guān)物理量參數(shù)[2]。其工作原理如圖1所示。

光電檢測(cè)技術(shù)中包含著光電變換技術(shù)、光信息獲取技術(shù)、光電處理技術(shù)等，其在對(duì)各種數(shù)據(jù)量進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中擁有下述特點(diǎn)：（1）精度高。在眾多測(cè)量技術(shù)中光電檢測(cè)技術(shù)是其中精度最高的技術(shù)之一。例如，使用激光干涉法來(lái)對(duì)長(zhǎng)度進(jìn)行檢測(cè)可以獲得0.05um/m的精度；利用激光測(cè)距法可以準(zhǔn)確的將地球與其他星球的之間的距離測(cè)量達(dá)到1m。（2）速度快。光電檢測(cè)技術(shù)是將光作為檢測(cè)媒介的，而光則是一種傳播速度很快的物質(zhì)，因此利用光來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的速度是最快的[ 3 ]。（3）非接觸性測(cè)量。當(dāng)光接觸到被檢測(cè)物體上是沒(méi)有形成摩擦力的，其能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量過(guò)程，其非接觸性的測(cè)量成為了眾多檢測(cè)方法中最高效的一種。

2 單片機(jī)技術(shù)的光電檢測(cè)研究

2.1 基本原理

本次研究的基于單片機(jī)技術(shù)的光電檢測(cè)其本原理主要是利用單片機(jī)技術(shù)與光電檢測(cè)技術(shù)的融合，其檢測(cè)原理如圖2所示。

該系統(tǒng)主要是利用單片機(jī)技術(shù)來(lái)對(duì)電源進(jìn)行控制調(diào)整，單片機(jī)可以按照用戶(hù)輸入的信息自動(dòng)形成電源脈沖，進(jìn)而電源脈沖可以對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行控制，其所發(fā)出的激光脈沖波就是包含用戶(hù)輸入相關(guān)信息的重要信號(hào)波。當(dāng)光電檢測(cè)器獲得該激光信號(hào)波時(shí)，就可以將其轉(zhuǎn)化成為電脈沖波[4]。但其獲得的信息信號(hào)相對(duì)雜亂，無(wú)法直接使用，而是需要使用前置放大電路對(duì)其進(jìn)行相關(guān)凈化處理，處理過(guò)的信號(hào)即可以直接控制單片機(jī)工作。通過(guò)判斷，單片機(jī)選擇處理類(lèi)型，進(jìn)而形成控制信號(hào)來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。

2.2 核心技術(shù)

2.2.1 編碼技術(shù)、激光調(diào)制技術(shù)

本系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)為編碼技術(shù)與激光調(diào)制技術(shù)結(jié)合的編譯技術(shù)。選擇AT89C51作為控模塊，其應(yīng)用廣泛較廣，穩(wěn)定性良好，擁有較高的性?xún)r(jià)比。首先，對(duì)單片機(jī)輸入控制程度。當(dāng)檢測(cè)到二進(jìn)制碼，則根據(jù)“1”與“0”來(lái)開(kāi)展不同的控制，分別為通電與斷電40us，在檢測(cè)核實(shí)后進(jìn)行循環(huán)控制。在完成上述設(shè)定后，如用戶(hù)輸入1998則，其單片機(jī)可以根據(jù)1998的二進(jìn)制碼進(jìn)行控制通電與斷電的控制。

2.2.2 選擇光電檢測(cè)器件

當(dāng)前光電檢測(cè)技術(shù)中常見(jiàn)的元件包括光電倍增管、光電二極管、光敏電池等元件。本系統(tǒng)在對(duì)各類(lèi)光電檢測(cè)元件的性能參數(shù)表進(jìn)行對(duì)比后可以得知光電二極管是最為合適的選擇。其光譜相應(yīng)范圍能夠滿(mǎn)足該系統(tǒng)的使用需求。在連接電器過(guò)程中要注意光電二極管正常工作于反偏狀態(tài)中。圖3為其檢測(cè)電路示意。

2.2.3 檢測(cè)電路頻率特性

在設(shè)計(jì)過(guò)程中為了從光電二極管中獲取充足的信號(hào)功率與電壓，前置放大電路的輸入電阻不能過(guò)小或過(guò)大。頻率相應(yīng)的速率是單片機(jī)技術(shù)下光電檢測(cè)系統(tǒng)電路需要考慮的最為主要因素，要同時(shí)實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足檢測(cè)靈敏度以及獲得線(xiàn)性與頻率不失真可以通過(guò)適當(dāng)調(diào)整光電二極管結(jié)電容、內(nèi)阻、光電流、前置放大電路的輸入電阻等指標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2.4 噪聲處理與前置放大電路

在基于單片機(jī)技術(shù)下的光電檢測(cè)電路中核心的處理部門(mén)在于前置放大電路的設(shè)計(jì)與相關(guān)的噪音處理。就實(shí)際情況來(lái)看，單片機(jī)技術(shù)下的光電檢測(cè)系統(tǒng)中存在各種外界因素的影響與內(nèi)部存在的噪音[5]。其中，外界因素有隨機(jī)波動(dòng)的光調(diào)制、背景散亂的散光、電磁干擾等。上述干擾因素能夠通過(guò)穩(wěn)定光輻射光源、撇除散光等有針對(duì)性的方式來(lái)進(jìn)行優(yōu)化解決。內(nèi)部干擾因素主要是由檢測(cè)電路內(nèi)部的半導(dǎo)體元件形成的噪音。這些噪音一般都是以熱噪音的形式出現(xiàn)，因此可以利用電容耦合技術(shù)來(lái)緩解噪音。同時(shí)，為了進(jìn)一步減少外部環(huán)境干擾單片機(jī)對(duì)半導(dǎo)體激光設(shè)備的控制，可以形成一個(gè)有序激光脈沖信號(hào)，從而最大程度環(huán)節(jié)外部因素對(duì)該系統(tǒng)正常運(yùn)行的影響。為了進(jìn)一步降低內(nèi)部噪音的干擾，可以提升放大器輸出設(shè)備的信噪比，選擇無(wú)噪音前置放大電路，從而緩解內(nèi)部噪音對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的干擾情況[6]。

2.2.5 信號(hào)的判斷處理與控制信號(hào)的形成

該模塊主要是信號(hào)在經(jīng)過(guò)放大處理后進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行處理控制，并且單片機(jī)形成相關(guān)控制信號(hào)，進(jìn)而可以對(duì)不同設(shè)備進(jìn)行控制管理[7]。為了進(jìn)一步對(duì)這一技術(shù)的可行性與科學(xué)性進(jìn)行驗(yàn)證，本次設(shè)計(jì)還另外使用了激光密碼報(bào)警系統(tǒng)用于檢驗(yàn)，最后檢驗(yàn)結(jié)果得出其使用安全性能十分穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)易便捷。

3 結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，本次研究的基于單片機(jī)技術(shù)的光電檢測(cè)系統(tǒng)的操作原理簡(jiǎn)單，系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定，價(jià)格經(jīng)濟(jì)低廉，操作簡(jiǎn)單易行，給予用戶(hù)更加便捷的操作條件。這一系統(tǒng)能夠被廣泛運(yùn)用到軍事、民用、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域中，進(jìn)而拓展單片機(jī)與光電檢測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域。

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Research on Photoelectric Detection of Single Chip Microcomputer Technology

Zheng Jie

（Lu Liang University， Lvliang 033000， China）

Abstract：With the development of modern information technology， automation control system and information processing technology further， photoelectric detection technology has become in the field of information science a crucial part. It is a light matter interaction of disciplines， relying on the accurate measurement of high degree， fast detection speed， large information capacity， the advantages of higher degree of automation in the field of information science has been very widely used. The current photoelectric detection technology is moving towards the direction of high precision， intelligent， diversified， automation and continuous development. This paper mainly aims at a kind of photoelectric detection based on single chip computer technology.

Key words： single chip technology； photoelectric detection； pulse signal