一種光電檢測(cè)裝置的可靠性設(shè)計(jì)

張棟, 于景洋, 許銘濤,2, 蘇旭博,3

(1.延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院, 陜西 延安 716000；2.西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院,陜西 西安 710048；3. 蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

基金項(xiàng)目:延安大學(xué)2014年省級(jí)精品資源共享課程項(xiàng)目“模擬電子技術(shù)”(2014006)；陜西省2013年省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(13-1272)；陜西省教育廳資助項(xiàng)目“基于物聯(lián)網(wǎng)的陜北地區(qū)油井無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究”(14JK1829)

0 引 言

當(dāng)今，在電子產(chǎn)品方面，中國(guó)雖然已經(jīng)成為制造大國(guó)，但不是制造強(qiáng)國(guó)。大家仍然喜歡購(gòu)買(mǎi)昂貴的國(guó)外品牌電子產(chǎn)品，而不喜歡購(gòu)買(mǎi)便宜的國(guó)內(nèi)電子產(chǎn)品。究其原因，產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性有一定的差距。國(guó)內(nèi)電子產(chǎn)品和國(guó)外領(lǐng)先企業(yè)產(chǎn)品的差距已經(jīng)不是功能和性能的差距，而是質(zhì)量和可靠性的差距。而質(zhì)量可靠性差的主要原因是：國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)人員可靠性設(shè)計(jì)意識(shí)的缺失，導(dǎo)致設(shè)計(jì)水平低，造成缺乏軟硬件可靠性的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。由此造成的設(shè)計(jì)水平低，僅靠個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心是無(wú)法提高的。故在社會(huì)和企業(yè)，設(shè)計(jì)人員回爐再鍛煉，學(xué)習(xí)相關(guān)的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)熱情高漲。也有許多公司反復(fù)舉辦電子可靠性設(shè)計(jì)的培訓(xùn)班，受到了相關(guān)企事業(yè)單位、公司的重視與追捧，并積極參與。

同樣，在以往的大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)以下幾種情況：已經(jīng)完成的競(jìng)賽作品，當(dāng)從學(xué)校異地運(yùn)輸?shù)綔y(cè)試場(chǎng)地時(shí)，發(fā)現(xiàn)競(jìng)賽作品出現(xiàn)故障；競(jìng)賽至最后一天時(shí)，已經(jīng)完成的模塊突然出現(xiàn)問(wèn)題；基本功能完成后，新增提高要求時(shí)，基本功能反而無(wú)法實(shí)現(xiàn)。從以上現(xiàn)象反映出電子產(chǎn)品的可靠性是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題，而剛剛開(kāi)始接觸電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的大學(xué)生往往對(duì)此缺乏基本的認(rèn)知。對(duì)于大學(xué)生來(lái)講，參與電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽，關(guān)注重點(diǎn)是功能的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于可靠性的問(wèn)題則關(guān)注較少，甚至并未意識(shí)到可靠性設(shè)計(jì)的重要性[1-2]。當(dāng)然，這和當(dāng)今大學(xué)生開(kāi)設(shè)的課程相關(guān)，在沒(méi)有系統(tǒng)學(xué)習(xí)可靠性設(shè)計(jì)的課程前，不會(huì)自發(fā)自覺(jué)產(chǎn)生可靠性設(shè)計(jì)的意識(shí)。然而，后續(xù)的課程中，也很難體現(xiàn)出這方面的因素。為提高可靠性設(shè)計(jì)意識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)典型案例，完成初步的電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)訓(xùn)練，為將來(lái)從事的工作打下基礎(chǔ)，提高就業(yè)能力。

因此，從大學(xué)生電子競(jìng)賽一個(gè)常用器件，用于循跡、火焰探測(cè)等的光電檢測(cè)裝置出發(fā)，重新進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，通過(guò)二次設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，提高其使用可靠性。

1 原光電檢測(cè)裝置簡(jiǎn)介

如圖1所示，原有光電檢測(cè)裝置由往屆大學(xué)生設(shè)計(jì)制作，與市面多種零售光電檢測(cè)裝置基本類似。

圖1 原有光電檢測(cè)裝置實(shí)物正反圖

通過(guò)觀察和使用發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題：

(1)外接導(dǎo)線和電路板易受外力作用，發(fā)生脫焊開(kāi)路現(xiàn)象。

(2)電位計(jì)與電路板焊盤(pán)不匹配，高高豎起，極易脫焊斷開(kāi)。

(3)由于電路板面積狹小，電阻焊盤(pán)間距小，只能采取豎立的方式，抗震性差，受外力作用，易于發(fā)生相互之間短路現(xiàn)象。

(4)電路板單面覆銅接地，單面覆銅接電源，便于引出電源，但極易發(fā)生電源地短路事件。

圖2 原有光電檢測(cè)裝置檢測(cè)電路圖

(5)調(diào)好電位計(jì)中點(diǎn)，在光線明暗不同的實(shí)驗(yàn)室或晝夜，閾值發(fā)生明顯變化，適應(yīng)性較差。

通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)量容易獲得其檢測(cè)部分原理圖，如圖2所示，為簡(jiǎn)易橋路平衡比較電路。與市面所售光電檢測(cè)裝置相同，主要存在問(wèn)題(5)對(duì)環(huán)境光適應(yīng)性非常差。

2 簡(jiǎn)單問(wèn)題的可靠性設(shè)計(jì)及器件特性測(cè)試

針對(duì)以上存在的5個(gè)問(wèn)題，進(jìn)行二次設(shè)計(jì):改變接頭選擇，電路板選擇，紅外發(fā)光二極管的選擇，電流、個(gè)數(shù)、形狀，閾值選擇，光敏二極管的選擇等[3-5]。

2.1 簡(jiǎn)單問(wèn)題的可靠性設(shè)計(jì)

其中(1)～(4)問(wèn)題簡(jiǎn)單[6-7]，可采用以下設(shè)計(jì)解決：

(1)外接導(dǎo)線根部固定，且采用雙接頭冗余備份設(shè)計(jì)。

(2)更換電位計(jì)封裝形式，或采用大焊盤(pán)匹配。

(3)重新布局布線，讓電阻等元器件平貼電路板，多余引線盡可能短且不外漏。

(4)電路板重新布局布線，甚至可以采用單面板。

問(wèn)題(5)與常見(jiàn)成品光電檢測(cè)裝置存在問(wèn)題一致，是本次設(shè)計(jì)研究重點(diǎn)，需要進(jìn)一步研究閾值相關(guān)因素,得先解決以下問(wèn)題。

2.2 紅外發(fā)光二極管的特性測(cè)試

圖3 紅外發(fā)光二極管的伏安特性曲線

光電檢測(cè)裝置基本原理是紅外發(fā)光二極管的紅外光發(fā)射，光敏二極管接收反射的紅外光來(lái)判斷黑白。紅外發(fā)光二極管特性直接決定發(fā)射光，必將影響反射光的接收效果。然而，市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)的元器件通常無(wú)法獲得其詳細(xì)的參數(shù)，于是，在一批紅外發(fā)光二極管中隨機(jī)選取若干個(gè)進(jìn)行基本性能的測(cè)試，為后續(xù)設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。經(jīng)測(cè)試，紅外發(fā)光二極管的正向?qū)ǖ姆蔡匦郧€如圖3所示。

據(jù)此，可設(shè)計(jì)紅外發(fā)光二極管的額定工作電流，特別考慮工作壽命影響，工作電流可選20～25 mA,然后根據(jù)工作電壓可選取限流電阻。

圖4 紅外發(fā)光二極管的發(fā)光觀測(cè)

圖5 橋路匹配電阻受光后電流圖

由于缺乏分光儀等測(cè)試設(shè)備，對(duì)于紅外光強(qiáng)度無(wú)法直接定量測(cè)試，先用肉眼觀察定性分析。然而，紅外光在肉眼的可視范圍之外，無(wú)法直接觀察。利用手機(jī)照相機(jī)的全光譜特性，如圖4所示，可以通過(guò)照相機(jī)的鏡頭來(lái)定性觀察發(fā)光狀況，注意，蘋(píng)果手機(jī)無(wú)法觀測(cè)此現(xiàn)象。

關(guān)于紅外光強(qiáng)度定量計(jì)算，通過(guò)檢測(cè)光敏二極管電流值或匹配等效電阻來(lái)確定發(fā)光二極管的效能，等效定量計(jì)算紅外發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度。

2.3 光敏二極管的橋路匹配電阻設(shè)計(jì)

光敏二極管和所在橋路的電阻分壓后輸出到比較器，和設(shè)定閾值比較，來(lái)判定是否接收到反射光信號(hào)。因此，此橋路匹配電阻的選取應(yīng)接近光敏二極管接收反射光時(shí)的等效電阻，或使接收反射光后電流電壓變化最大，如圖5所示，此次設(shè)計(jì)選1.3 kΩ。

3 核心問(wèn)題的閾值可靠性設(shè)計(jì)

解決器件特性問(wèn)題后，即可進(jìn)行本次可靠性設(shè)計(jì)的重點(diǎn)——閾值設(shè)計(jì)。原閾值僅靠電位計(jì)調(diào)節(jié)，不能同時(shí)滿足不同光亮度環(huán)境。

3.1 多發(fā)光管設(shè)計(jì)選擇

圖6 多紅外發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度觀測(cè)

已知單紅外發(fā)光管不滿足使用需求，故測(cè)試單、雙、三和四紅外發(fā)光管進(jìn)行比較[8]。

如圖6所示，多管發(fā)光強(qiáng)度基本線性增長(zhǎng)高于單管，但四管相比較三管，其效能已經(jīng)不明顯。

3.2 背景光影響因素

光電檢測(cè)要考慮在不同光背景下進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量[9]。測(cè)量環(huán)境按明暗程度分類包括：①太陽(yáng)光直射下無(wú)玻璃隔擋；②太陽(yáng)光直射下有一層玻璃隔擋；③太陽(yáng)光直射下有兩層玻璃隔擋；④普通的背光實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中； ⑤太陽(yáng)光非直射下用不透光的窗簾隔擋； ⑥晚上日光燈下等。

如圖7所示，背景光在陽(yáng)光直射情況和普通背光及夜間有明顯的不同，結(jié)合圖6可以看出單發(fā)光管對(duì)于日光的照射已經(jīng)無(wú)能為力，必須在雙發(fā)光管以上，三發(fā)光管基本適宜。

圖7 背景光的明暗強(qiáng)度影響

3.3 多發(fā)光管布局設(shè)計(jì)

采用多發(fā)光管方式就帶來(lái)一個(gè)布局問(wèn)題，經(jīng)比較包圍和單邊兩種布局，發(fā)現(xiàn)單邊布局略優(yōu)于包圍布局，如表1所示，主要與距離相關(guān)。

表1 多發(fā)光管布局比較

3.4 變閾值光敏二極管設(shè)計(jì)

原電路為固定閾值比較，只能通過(guò)增強(qiáng)發(fā)光管的亮度來(lái)獲得更大的閾值范圍。由圖7可以看出，在強(qiáng)光條件下，其已經(jīng)趨于臨界，易于出現(xiàn)誤判和錯(cuò)判。在固定閾值橋路中，設(shè)計(jì)其上端電阻用光敏二極管取代，其僅接收環(huán)境光的變化，而不接收反射光，從而使閾值隨環(huán)境光變化，提高其適應(yīng)能力。

此外，若實(shí)際系統(tǒng)主控芯片有AD閑置，可以直接用兩路AD采樣反射光和背景光的等效強(qiáng)度，取其差值，也能同樣達(dá)到目的。本次設(shè)計(jì)采用TM4C123GH6PM芯片[10-11]，如表2所示，一般閾值取碼值3 500，當(dāng)背景光達(dá)碼值3 400時(shí)閾值可取3 700。

表2 反射光與背景光等效強(qiáng)度測(cè)試表

經(jīng)實(shí)測(cè)，效果良好，在晝夜均可分辨出反射光與環(huán)境光的不同。

4 可測(cè)性設(shè)計(jì)

在實(shí)際使用中，光電檢測(cè)裝置是與其他設(shè)備配合使用的。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，到底是檢測(cè)裝置出現(xiàn)問(wèn)題，還是其他控制設(shè)備發(fā)生故障，需要使用萬(wàn)用表或示波器來(lái)測(cè)量比較器的輸出電平高低，測(cè)試非常不便，為了加快測(cè)試進(jìn)度，提高調(diào)試快捷性，增加了可測(cè)性設(shè)計(jì)。在光電檢測(cè)輸出端并聯(lián)一個(gè)有色發(fā)光二極管，以發(fā)光管的亮滅來(lái)對(duì)應(yīng)檢測(cè)裝置測(cè)試結(jié)果，加快了調(diào)試進(jìn)度，一目了然，使用非常方便。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，由于實(shí)際使用場(chǎng)景的變換，其背景光源發(fā)生變化，導(dǎo)致紅外光敏二極管的測(cè)量范圍發(fā)生大跨度的變化，從而使測(cè)量失敗。而從發(fā)射和接收兩方面雙管齊下，擴(kuò)大閾值范圍，并自動(dòng)調(diào)節(jié)閾值中點(diǎn)，最終獲得更強(qiáng)的檢測(cè)適應(yīng)性，提高了工作的可靠性。通過(guò)對(duì)以上改進(jìn)型光電檢測(cè)裝置的測(cè)試分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)單發(fā)光管反射光弱于對(duì)應(yīng)雙層玻璃直射光強(qiáng)度，當(dāng)環(huán)境光增強(qiáng)時(shí)檢測(cè)裝置容易失效。

(2)三發(fā)光管設(shè)計(jì)可以基本滿足強(qiáng)光場(chǎng)景使用。

(3)變閾值接收管設(shè)計(jì)可以自適應(yīng)場(chǎng)景變換，晝夜使用。

此外，若不考慮成本問(wèn)題，也可以采用單片機(jī)AD采樣，實(shí)現(xiàn)變閾值檢測(cè)方式，晝夜也均可使用。