基于单片机技术的光电检测研究

基于单片机技术的光电检测研究

黄德佳

长江存储科技有限责任公司 湖北 武汉 430070

摘要：随着光学技术、微电子技术、激光技术、材料技术和半导体技术的快速发展，光电技术的发展在此基础上得到了极大的推动，使得光电技术得到了人们的广泛关注和认可。特别是在军事上得到了很好的应用。比如反激光制导武器系统和激光雷达都是利用光电技术。同时，在一些特殊行业，例如在零件检测、精密制造、精密测量、光纤通信等生产技术中，对光电技术的应用有很大程度的依赖。并且由于光电技术的应用，他们的工作效率大大提高。然而，在目前的发展形势下，当前的光电技术仍然是一项相对前沿的技术。现有的一些光电产品原理非常复杂，对生产加工工艺要求非常严格，所以光电技术的成本一直比较高，普通消费水平的用户无法接受。

关键词：光电检测；单片机；脉冲信号；多路控制；

在当前经济发展形势下，光电检测技术已经广泛应用于精密制造和高技术武器行业。提出了一种基于单片机技术的激光检测方法。主要采用单片机对激光脉冲信号进行调制和控制。在此基础上，结合单片机和光电检测的相关技术，设计了一种检测电路，实现了利用激光携带信号进行多通道控制的方法和途径。

一、 基本的原理

光电控制系统的基本原理是利用光电检测技术和单片机技术的结合。在该系统中，电源由单片机控制，从而形成一系列有序的功率脉冲(输入用户的基本信息)，用于控制半导体激光器，从而发射一系列携带用户信息的激光脉冲波(信号波)。在光电系统的检测下，信号波被转换成电脉冲波(此时电脉冲波信号微弱，受外界因素干扰，不能直接施加此时的信号)。然后，前置放大器电路放大电脉冲波并去除噪声，此时的信号可以通过单片机的驱动来使用、解码和鉴别。通过这些过程，单片机可以产生启动控制设备的信号。

二、单片机和光电检测

1.单片机。单片机是集成电路芯片。在使用超大规模集成电路(VLSI)技术的基础上，将CPU、RAM、ROM等具有数据处理能力的功能集中在一个微型硅片上，形成一个小规模但功能齐全的微型计算机系统。目前，单片机技术已经广泛应用于工业控制和自动化控制领域。在智能仪器、通信设备、导航系统等领域。，各种产品都会在使用单片机的基础上得到升级产品的功能。

2.光电检测。光电检测技术是一项重要的光电信息技术，主要基于激光、红外线、光纤等器件。光电探测器对被测物体进行光照射后，接收光辐射并将其转换成电信号，通过输入电路、放大、滤波等过程获得有效信息，再通过A/D转换接口输入计算机运算过程，最终显示出相关的待测物理参数。光电检测技术包括光电转换技术、光学信息采集技术、光电处理技术等。它在检测各种数据量的过程中具有以下特点:(1)精度高。在众多测量技术中，光电检测技术是最精确的技术之一。比如用激光干涉法检测长度，可以获得0.05um/m的精度；利用激光测距法，地球与其他行星的距离可以精确到1m。(2)速度快。光电检测技术利用光作为检测介质，光是一种快速运动的物质，所以利用光进行检测的速度是最快的。(3)非接触测量。当光与被检测物体接触时，没有摩擦力，因此可以进行动态测量过程，其非接触测量已经成为众多检测方法中最高效的一种。

三、关键的技术

1.编码技术/激光调制技术。激光调制一般是调制激光的频率或振幅。该方法采用的技术是将编码技术与激光调制技术相结合进行综合编译。这里选用A T89C51作为控制模块，应用广泛，具有稳定性好、性价比高等突出优点。因此，它成为该系统中单片机的首选。具体的编码调制过程如下:首先在单片机中设置。当检测到一组二进制码时，通电40 μ s，如果为“0”，断电40μs，然后规定当检测到这组二进制码时，循环执行。这样，这个电脉冲就形成了周期脉冲。当用户输入的数字为1998时，其二进制代码为11111001110。然后单片机控制发出如图1所示的脉冲信号定时控制信号。考虑到接收端也使用单片机，还有一个通信协议。这样的话，一般都是低水平的。发射时，先发射四组10μs信号。直到这个信号被发送，控制信号才会被发送。

图1脉冲信号时序

2. 光电检测设备的选择。目前光电检测技术中常用的一些光电检测器件有光电倍增管、雪崩二极管、光电二极管、光电晶体管、PIN二极管、光敏电阻、光敏电池和CCD阵列等。光电二极管是最理想的选择，其光谱响应范围可以满足该系统的需要。它具有线性度好、施加电压小、暗电流小、体积小、最稳定、价格低、输出电流和光敏面积小等优点。因此，选择光电二极管作为该系统的光电检测装置，连接检测电器时应注意光电二极管在反向偏置状态下的正常工作。

3.检测电路的频率特性分析。当给定输入光照度时要在负载上取到最大功率输出时,要求满足RL=Rb和g<

4.噪声处理及前置放大电路设计。光电检测电路的关键部分在于前置放大电路的设计和噪声处理。实际光电检测电路中存在各种外部干扰和内部噪声。外部干扰包括随机波动和额外的光调制、光传输介质的末端流动和背景波动杂散光的入射，以及检测电路遭受的电磁干扰。这些干扰可以通过稳定辐射源、去除杂散光和选择偏振器来解决。内部噪声主要由检测电路中的一些半导体器件引起。这些噪声主要是热噪声的形式，可以通过电容耦合消除。因此，为了减少外部干扰，采用单片机控制半导体激光器，产生有序的激光脉冲信号，大大降低了外部干扰对系统的影响。为了降低内部热噪声的影响并提高放大器输出端的信噪比，选择了无噪声偏置放大器电路，如图2所示。

图2前置放大电路

应选择C2的大小，以使其电抗在最低工作效率下小于铷，从而使镭和铷产生的热噪声可以通过C2旁路接地。这样，只有Rd产生少量噪声。为了便于计算和确定电阻和电容元件的一些具体参数，对该电路进行了微变量等效分析。一般等效处理是指各种器件等效为相同形式的均方值(或有效值)电流源。

5.信号的判断和处理以及控制信号的产生。这部分信号经过放大整形后送到单片机进行处理，单片机产生控制信号，可以实现不同器件的同步控制。为了测试该技术的可行性，我们设计开发了一种性能稳定、操作方便的激光密码报警系统。实践证明，这种方法是非常可行的。

总之，该系统具有原理简单、系统稳定、价格低廉、操作简单等优点，被更多的用户所接受。如果对接收部分进行改造，安装光电轴或镜头，增加接收面积，就可以在近中范围内进行灵活快速的通信和控制。它智能化程度高，在单片机中通过改变程序可以执行更多的其他控制，具有很大的发展前景。

参考文献：

[1]胡玲.单片机技术的光电检测研究.2019.

[2]朱道平.浅谈基于单片机技术的光电检测研究.2020.