光电传感器原理及其实际应用.doc

JINGGANGSHAN UNIVERSITY传感器原理及应用课程设计题目：光电传感器原理及其实际应用姓 名： 涂志强 班 级： 10电信本（2）班 学 号： 100913024 完成时间： 2012.6.10 摘 要 在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。 由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的应用与日俱增。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用，它一种是以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。其中，红外对管就是现在应用非常广泛的一种光电传感器。【关键词】STC89C52单片机； 光电传感器；红外对管；语音芯片1 绪论 光电效应一般有外光电效应、光导效应、光生伏特效应。光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大是，电子会克服束缚脱离材料表面而进入外界空间，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应。根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为hv(v为光波频率，h为普朗克常数，h6.63*10-34 J/HZ)，由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。根据能量守恒定律： 式中，m为电子质量,v为电子逸出的初速度,A微电子所做的功。由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是hA。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。相应的波长为 式中，c为光速，A为逸出功。 根据外光电元件制造的光电元件有光电子，充气光电管和光电倍曾管。 光电管 光电管的种类繁多，典型的产品有真空光电管和充气光电管，光它的外形和结构如图1所示，半圆筒形金属片制成的阴极K和位于阴极轴心的金属丝制成的阳极A封装在抽成真空的玻壳内，当入射光照射在阴极上时，单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，从而使自由电子的能量增加h。当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时，它就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电子发射。这种电子称为光电子，光电子逸出金属表面后的初始动能为光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，如图2所示。在人射光频率大于“红限”的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极的光子数增多，单位时间内发射的光电子数也就增多，光电流变大。在图2所示的电路中，电流和电阻只上的电压降就和光强成函数关系，从而实现光电转换。当光线照射到光电阴极K上时，电子从阴极表面逸出，并被光电阳极的正电厂吸收，外电路产生电流I，在负载电阻 上的电压1.1 红外对管简介与说明 红外线接收管是在LED行业中命名的，是专门用来接收和感应红外线发射管发出的红外线光线的。一般情况下都是与红外线发射管成套运用在产品设备当中。详细可参阅：广州市光汇电子有限公司的产品说明。 特征与原理：红外线接收管是将红外线光信号变成电信号的半导体器件，它的核心部件是一个特殊材料的PN结，和普通二极管相比，在结构上采取了大的改变，红外线接收管为了更多更大面积的接受入射光线，PN结面积尽量做的比较大，电极面积尽量减小，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。红外线接收二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。当有红外线光照时，携带能量的红外线光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对（简称：光生载流子）。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。红外线接收二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。 分类：红外线接收管有两种，一种是光电二极管，另一种是光电三极管。光电二极管就是将光信号转化为电信号，光电三极管在将光信号转化为电信号的同时，也把电流放大了。因此，光电三极管也分为两种，分别别是NPN型和PNP型。 作用：红外接收管的作用是进行光电转换，在光控、红外线遥控、光探测、光纤通信、光电耦合等方面有广泛的应用。如何选择红外线接收管：红外线最重要的参数就是光电信号的放大倍率，一般的有1000-1300 1300-1800 1800-2500，这些对灵敏度有决定作用。 红外对管是红外线发射管与光敏接收管，或者红外线接收管，或者红外线接收头配合在一起使用时候的总称。 本次使用的红外对管参数如下：直径：3mm，波长：940nm，工作电压：1.2V，工作电流：20mA，测量距离：20cm。波段为红外光，受可见光干扰小。实物图如下： 1.2 红外线发射管在光谱中波长自0.76至400微米的一段称为红外线，红外线是不可见光线。所有高于绝对零度（-273.15）的物质都可以产生红外线。现代物理学称之为热射线。医用红外线可分为两类：近红外线与远红外线。 红外线发射管红外线发射管在LED封装行业中主要有三个常用的波段，如下850NM、875NM、940NM。根据波长的特性运用的产品也有很大的差异，850NM波长的主要用于红外线监控设备、875NM主要用于医疗设备、940NM波段的主要用于红外线控制设备。EG：红外线遥控器、光电开关、光电记数设备等。 1.3 红外线接收管 功能与光敏接收管相似只是不受可见光的干扰，属于光敏二极管，只对红外线有反应。当有红外光照射时,饱和反向漏电流马上增加，形成光电流,在一定的范围内它随入射光强度的变化而增大。 红外线接收管2 系统总体设计分析2.1功能要求本方案设计一个屏显计数、语音播报装置，具体要求满足以下条件： 1.要求采用51单片机作为微控制器； 2.通过四个1.8寸共阳高亮红色数码管显示红外对管所采集信号的次数；3. 语音播报采用的是ISD4004系列语音芯片，单片机处理红外对管所采集的信号，在显示的同时报数。通过按键可以切换语音播报的两种模式，计数模式和Mp3模式。4.数字显示范围是0-99，四个数码管前后各2个，显示数字相同，设计的目的是为了前后方便观看到准确的数字。2.2方案论证2.2.1 信号采集方案论证方案一：红外对管采用直接正面相对的方法，只要有物体在中间通过，红外对管就能接收到信号。这种接法的优点是原理简单，性能也比较稳定；缺点是实际接线复杂，安装不方便。接法如下图： 方案二：红外对管采用平行并行的接法，只要有物体接近，发射管的红外线通过物体反射到接收管，红外对管接到信号。这种接法的优点很明显，不用接触物体，只要接近就能采集信号，而且它与主控部分在一起，实际操作简单。具体接法如下图：因为本作品用于计数和语音播报，所以传感器要求和主控板连在一起，故使用方案二为设计方案。2.2.2 控制器方案论证方案一：基于FPGA的VHDL语言设计 优点: FPGA是一种高密度的可编程逻辑器件，器件集成度高，方便易用。FPGA在通信、数据处理、网络、仪器、工业控制、军事和航空航天等众多领域得到了广泛应用。随着功耗和成本的进一步降低，FPGA还将进入更多的应用领域。 缺点：用VHDL语言编写的程序很难实现符合这个课题的效果，在逻辑算法上也不及52单片机来得灵活。在仿真环境上无法体现出需要实现的功能，不太适合用在这个课题上。 方案二：基于STC89C52单片机设计 优点：52单片机具有高效能，资源占用率低等特点。目前52单片机的使用非常广泛，关于52单片机设计开发的资料非常丰富，很适合初学者自学。使用C语言编程可以实现丰富的功能。 缺点：对多线程同时需要共享资源的任务处理性能有限，无法满足现今对执行效率和存储容量都有较高要求的信息家电等的需要。在多任务的处理能力上根本无法与基于嵌入式操作系统构架的方案同日而语。 由于本课题属于小型项目，信息处理量不大，采用FPGA的设计存在成本高，开发过程复杂等情况，本项目并不能发挥出这些芯片的强大功能。基于以上优缺点的分析我选择了第2种设计方案。选用宏晶公司的STC89C52作为控制芯片，成本低，开发周期短，配合各种专用芯片的使用能够实现丰富的功能。所以本设计采取方案二以STC89C52作为单片机。3 具体实现方法与原理3.1 具体方法光电传感器采集信号，它具有非接触采集信号的能力，只要目标物体接近就可以采到信号，通过单片机处理即可以在屏幕上显示计数，并同时可控制语音装置报数或播放语音。3.2原理分为三个部分：主控部分（包括信号采集）、语音录放部分、屏显部分。3.2.1主控部分主控芯片为STC89C52，它有32个I/O口，P0口用来控制屏幕显示，P1口用来控制语音部分，P2口控制按键，P3口用来采集信号。主控部分电路图如下：3.2.2语音录放部分采用的是ISD4004系列语音芯片，通过单片机控制时序可以控制语音部分在任意时间播放任意一段已存的语音（包括音乐）。语音录放部分原理图：3.2.3屏显部分选用的是1.8寸共阳数码管，用74HC595驱动。为了便于操作，电源、按键也在这个部分。电源用的是5节1.5V干电池，电压为7.5V，给数码管供电。通过LM7805把7.5V电源稳压到5V来为主控部分和语音部分的电源提供电源。屏显部分原理图：3.3程序程序用的是C语言编写，因为程序比较复杂，不能列举出来，以下是函数声明、部分子函数、主函数和中断函数。#include#include ISD4004控制.c#include key.c#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit sclk = P00; /时钟sbit rck = P01; /数据锁存sbit date = P02; /数据sbit sing_1 = P32;sbit sing_2 = P33;/sbit shuiyin= P27;sbit mode_1 = P20; /上下运动模式sbit mode_2 = P21; /前后运动模式sbit mode_3 = P22; /mp3模式sbit muie = P23;/选择歌曲/sbit rec = P24; /录音/sbit st_rec = P25;/停止录音#define ADDR1 20#define ADDR11 25#define ADDR2 300#define ADDR3 600#define ADDR4 900#define ISRECMODE 1#define ISPLAYMODE 1#define ISSTOPMODE 0char mode,Mplaymode,j=0;uchar x=0,y=0;uchar ge=0,shi=0;bit flag3=0;unsigned int recordadd11=/0-10十一个数字语音的地址0,9,18,27,37,46,55,64,73,82,95,;uchar code table= /0-9十个数的代码0xa0,0xf6,0x61,0x64,0x36,0x2c,0x28,0xe6,0x20,0x24,0xff;unsigned int recordadd211=/0-10十一个数的数字歌地址110,133,156,181,206,231,256,281,306,331,356,;unsigned int music=/5首歌地址400,760,1386,1686,1950,;void hc595(uchar d)uchar i;sclk=0;rck = 0;for(i=8;i0;i-)date = d&0x80;/发送bit0-bit7d=3) paoma(table2,table3);j=0;x+;y+; if(x=22) x=8;if(y=20) y=6;3.4 实物展示3.4.1试验阶段3.4.2最终成品键盘底层为51主控部分语音模块喇叭高亮数码管红外对管4 结束语经过本人多次实验，已经实现所有功能，硬件与软件全部完成。本设计的设计能成功的原因具体可以归纳如下：语音、屏显装置主控芯片为51单片机STC89C52，它具有性能齐全、运行稳定、操作方便、价格低廉等优势；语音、屏显装置分为主控（包括信号采集）、语音录放和屏幕显示三部分；语音部分采用的是ISD4004系列语音芯片，它具有高质量高保真、自然语音还原技术，可以重复录放10万次，录音时间8至16分钟；屏幕显示部分用的是1.8寸红色高亮数码管，它具有显示亮度高，显示清晰等特点；信号采集用的是光电传感器，它具有非接触采集信号的能力，只要目标物体接近就可以采到信号，通过单片机控制即可以在屏幕上显示计数。红外对管的特殊功能帮助我很好的实现了预计的功能。主要参考文献【1】51单片机C语言教程入门、提高、开发、拓展全攻略 郭天祥 编著，北京：电子工业出版社，2008年；【2】基于51系列单片机的LED显示屏开发技术刘全 李骐 编著，北京：北京航空航天大学出版