光电感应器件的研究毕业论文.doc

i目 录光电感应器件的研究毕业论文目 录第一章 绪 论11.1 光电感应器件概述11.2 光电感应器件的应用2第二章 光电感应器件原理32.1 光电感应器件的概念32.2 光电感应器件的分类32.2.1 按使用的场所分类32.2.2 按光电效应原理分类42.2.3 按光电感应器件的组成分类42.3 基于光电效应组成的光电感应器件52.3.1 外光电效应器件52.3.2 光电导效应器件92.3.3 光生伏特效应器件122.4 基于光电感应器件特性的光电感应器件162.4.1 发光感应器件162.4.2 检测光电感应器件18第三章 光电计数器的方案设计253.1 方案设计253.2 计数器系统特点26第四章 系统硬件电路设计274.1 原理电路图274.2 原理电路论述274.3 光电计数系统组成294.3.1 电源供电部分294.3.2 信号采集部分294.3.3 系统复位部分304.3.4 脉冲生成部分314.3.5 译码计数部分334.3.6 驱动显示部分35第五章 PCB板设计395.1 Altium Desiger Winter 09概述395.2 原理图设计405.3 PCB板的设计43第六章 焊接调试476.1 电路的焊接476.2 电路的调试486.3 问题与改进48第七章 总结与展望517.1 本文总结517.2 展望前景52致 谢53参考文献55附录A 光电计数器实物图57附录B 元器件清单591第一章 绪论第一章 绪 论1.1 光电感应器件概述当今生活是信息时代，是或取信息和处理信息，以及信息应用的时代。光电感应器件的传感和信息检测技术的重要性在于它是获取信息并对信息尽心一定处理的基础技术，是获取信息和信息加工处理的重要手段之一。其中光电感应的专干和检测是一门知识面广、综合程度高、实用性很强的专业课程。它是从传感器的基本理论入手，着重讲述传感器的结构域感测原理，光电感应器件的典型应用就是传感和检测设备。对于传感装置，一般它是一个二端口的装置，不同的传感装置输入-输出特性不同，而同一传感装置适应不同的被检测信号呈现的特新也有所不同。尤其当被检测信号为静态信号时的两种状态下，传感装置的输入-输出特性完全不同。感测技术在很多新知识里面都有应用，以信息的传感、转换、处理为核心，从基本物理概念入手，阐述热工量、机械量、几何量等参数的测量及原理和方法。光电传感器是将光信号转换成电信号的一种传感器。它的理论基础是光电效应，这类效应大致可以分为三类：第一类是外光电效应，即在光照射下，能使电子逸出物体表面。利用这种效应所做成的器件有真空光电管、光电倍增管等。第二类是内光电效应，即在光照射下，能使物体的电阻率发生变化。这类器件包括各类半导体光敏电阻。第三类是光生伏特效应，即在光线照射下，物体内部产生电动势的现象，次电动势称为光生电动势。这类器件包括光电池、光电晶体管等。光电效应就是利用光电元件受光照后，电特性发生变化。敏感的光波长是在可见光附近，包括外波长和紫外波长。数字式电子计数器有直观和计数精确的优点，目前已在各行业中普遍使用，数字式电子计数器有很多计数触发方式，它是由市级使用条件和环境决定的。有采用机械方式的接触式触发，有采用电子传感器的非接触式触发的。光电式传感器就是其中之一，它是一种非触发式点子啊传感器。本文采用光电传感器制作光电式电子计数器，即红外光电传感器制作的计数器。这种光电计数器的应用实例就是生产车间的流水线上对产品的计数操作。它是通过红外线发射和接收进行计数，分直射式和反射式两种。通常用于流水线上面的是直射式的发射、接收分体，发生器和接收器分别位于流水线的两边，中间没有阻挡时发射器发出的红外线射到接收器，接收器收到发射来的红外线经由相反处理使之没有信号输出，有工件经过阻挡光路传输时，接收器失去红外线信号，便输出一个脉冲信号到外部运算累加器进行计数。而反射式就是发射器和接受在同一器件中，它是通过检测是否有物体经过而经物体反射红外线来工作的。本文光电采用的直射式计数器在工厂的生产流水线上做产品统计，商场、电影院或者会场等场所的人数统计。它有着其他计数器不可取代的优点，该红外光电计数器只有两位数，但通过级联可以扩展为四位，甚至更多。1.2 光电感应器件的应用光电感应器件运用最广泛的是制作成各种传感器测量以及实现自动化控制。常用的光电感应器件运用于传感器有：1. 光温度计：被测物体发出的光投射到光电器件上，光电器件输出反应光源参数；这类器件主要有红外线辐射温度计，热释电传感器，2. 浊度计：恒光源穿过，部分吸收，部分由光电器件吸收，吸收量反应被测物参 数；其他的这类器件还有湿度传感器，各类的温度传感器等。正是因为这类器件的作用强大，对生活中常用的控制自动化实现起到很大的促进作用，对日常生活中也提供很大的方便。23第二章 光电感应器件原理第二章 光电感应器件原理前面讲述的按使用场所分类的光电感应器件，不论是直射型、反射片型、近接反射型以及光纤型，发光器件和感应器件都包括在内，在同一装置中。所以此处的分类的光电感应器件特性是具体哪种光电器件的特性研究。2.1 光电感应器件的概念光电感应器件总的来说是利用光电效应能将光信号转换为电信号的感光器件，这类器件中同时也包括将电信号转换成电信号的装置，即包括发光器件和光探测器件两类器件。典型应用就是光电传感器。常用实例的基本原理是一个器件中包括发光器件和感光器件，发光器件将光线经透镜聚焦，经传输至感光器件后聚焦。感光器件将收到之光线讯号转变成电信号，此电信号更可进一步作各种不同的开关、计数或者控制动作等，其基本原理即对发光器件与感光器件间的光线做遮蔽之动作所获得的信号加以运用以完成各种自动化控制。 2.2 光电感应器件的分类2.2.1 按使用的场所分类 对照型：即直射型。这种形式的光电感应器件是最早的形式，发光器件和感光器件分开两端，一边发射光源，一边感光接受光，在两者之间若有物体干扰或者阻挡光线传输，就会引起电路的开关或其他操作进而实现自动化检测或计数等操作。 反射片型：即反射型。这种形式是发光器件和感光器件均在同一镜头中，发光器件发射出光线经反射片反射会感光器件，即在同一距离光线会往返两次。工作原理同对照型。 近接反射型：这种是比较现代化一点的光电感应器件应用，装置同反射片型，只是发光器发出的光线是经过物体表面反射回感光器件中的。这样制作的优点就是有前景遮蔽功能和背景遮蔽功能。 光纤型：原理和反射型一样，只是它是利用光纤电缆将在同一镜头中的发光器件和感光器件引导至需要的地方。即一般用于工作困难的环境。2.2.2 按光电效应原理分类 外光电效应：即光电子发射，它是发生在物体表面，被光激发产生的电子逸出物体的表面的现象。基于外光电效应的光电感应器件主要有：光电管、光电倍增管等。 内光电效应：是发生在物体内部，被光激发所产生的载流子（即自由电子或空穴）仍在物质内部运动，是物体的电导率发生变化或者产生光生伏特的现象。它包括光电导效应和光伏特效应。u 光电导效应：当入射光射入到半导体时，半导体吸收入射光子产生电子空穴对，使电导率增大。基于这种效应的器件主要有：光敏电阻。u 光生伏特效应：在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于这种效应的器件主要有：光电池和光敏二极管、光敏三极管等。2.2.3 按光电感应器件的组成分类光电感应器件分为发光光电感应器件和检测（受光）光电感应器件。1) 发光光电感应器件：即能将电能转换成光能的半导体器件。其中半导体发光器件主要有三类：发光管、FP激光器、DBF激光器。2) 检测光电感应器件：即能将光能转换为电能的器件。主要有光电（光敏）二极管、光电（光敏）三极管等。本作品对于光电感应器件的典型应用光电计数器，就是利用红外发射管和红外接收管作为光电计数器的传感器进行计数，采用的这两种器件均属于光电二极管类，同时也属直射型光电感应器用于检测信号的变化作为计数的变量。2.3 基于光电效应组成的光电感应器件从光电感应器件的根本原理光电效应，根据它的不同，电子器件显现出的特性也就不同，从而运用于不同的电路与器件中。2.3.1 外光电效应器件（1） 光电管（1） 光电管的结构与工作原理光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。两者结构相似，如图。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。 图2.1 光电管结构示意图 （2） 光电管的主要性能1.光电管的伏安特性 在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。光电管的伏安特性如图2.2所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。 阳极与末级倍增极间的电压/V 图2.2光电管的伏安特性 2.光电管的光照特性通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线如图所示。曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流I与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它成非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。 图2.3光电管的光照特性3. 光电管光谱特性 由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率0，因此它们可用于不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率0，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。 国产GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其红限0=7000，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率：25%30%。它适用于白光光源，因而被广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中。对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外传感器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。另外，锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为30008500，灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型的光电阴极；但也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异，因而在测量和控制技术中，这些光电管可以担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。 一般充气光电管当入射光频率大于8000Hz时，光电流将有下降趋势，频率愈高，下降得愈多。（二） 光电倍增管（1） 光电倍增管的结构和工作原理由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105106倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。如图2.4所示的光电倍增管的原理示意图。 图2.4光电倍增管原理示意图（2） 光电倍增管的主要参数 1. 倍增系数M 倍增系数M等于n个倍增电极的二次电子发射系数的乘积。如果n个倍增电极的都相同，则M=1因此，阳极电流 I 为 i 光电阴极的光电流光电倍增管的电流放大倍数为 M与所加电压有关，M在105108之间，稳定性为1左右，加速电压稳定性要在0.1以内。如果有波动，倍增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极之间的电压为10002500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50100V。对所加电压越稳越好，这样可以减小统计涨落，从而减小测量误差。 图2.5 光电倍增管的特性曲线2. 光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。 光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。 另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。 3.暗电流和本底脉冲 一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使用，使其只对入射光起作用；但是由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流，这是热发射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿电路消除。如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的，本底电流具有脉冲形式。 3. 光电倍增管的光谱特性光谱特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系。对于较好的管子，在很宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于104lm时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图所示。 图2.6 光电倍增管的光谱特性2.3.2 光电导效应器件l 光敏电阻11. 光敏电阻的概述光敏电阻是利用半导体和光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器：入射光强，电阻小；入射光弱，电阻增大。它是没有极性, 纯粹是一个电阻器件, 使用时既可加直流电压, 也可以加交流电压；无光照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大, 电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时, 它的阻值（亮电阻）急剧减少, 电路中电流迅速增大；一般希望暗电阻越大越好, 亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。 实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级, 亮电阻在几千欧以下。2. 光敏电阻的特点光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）；偏置电压低，工作电流大；动态范围宽，既可测强光，也可测弱光；光电导增益大，灵敏度高；无极性，使用方便；在强光照射下，光电线性度较差；光电响应时间较长，频率特性较差。3. 光敏电阻的主要参数暗电阻（RD）：光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻, 此时流过的电流称为暗电流(ID)。 亮电阻(RL)：光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻, 此时流过的电流称为亮电流(IL)。 光电流：亮电流与暗电流之差称为光电流。灵敏度：是指光敏电阻在光照射和无光照射电阻值的相对变化。时间常数：指光敏电阻从光照跃变开始稳定亮电流的63%时所需的时间。最高工作电压(VM)：指光敏电阻在额定功率下所允许承受的最高电压。电阻温度系数：指光敏电阻在环境温度改变1度时其电阻值的相对变化。4. 光敏电阻的结构光敏电阻制成薄片状结构，以便吸收更大的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子-空穴对，参与导电，使电路中的电流增强。为了提高灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳妆图案，它是咋一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。光敏电阻结构图所示。光敏电阻通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成。光敏电阻在电路中通常用字母“R”或“RL”、“RG”表示。 图2.7 光敏电阻的结构图 图2.8 光敏电阻的封装外形5. 光敏电阻的基本特性（1） 伏安特性在一定的光照下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系如图2.9所示。在给定的偏压情况下，光照强度越大，光电流也就越大；在一定的光照强度下，所加电压越大，光电流越大，没有饱和现象。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定；耗散功率又和面积以及散热条件等因素有光。 图2.9 光敏电阻的电压和电流的关系 （2）光照特性 光敏电阻的光电流与光强的关系如图2.10所示 图2.10光敏电阻的光电电流与光强的关系 （3）光谱特性 光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的。具体关系如图2.11所示。 图2.11 光敏电阻的光谱特性（4） 响应时间光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。通常用响应时间t表示： 图2.12光敏电阻的响应时间曲线 （5） 频率特性 不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的特性也就不同。其特性曲线如图2.13所示。 图2.13 光敏电阻的频率特性曲线 （6）温度对光谱特性影响随着温度的升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此，采用降温措施可以提高光敏电阻对波长的响应。其关系图如图2.14所示。 图2.14 温度对光敏电阻光谱特性的影响曲线 2.3.3 光生伏特效应器件光生伏特效应的光电感应器件主要有光电池、红外发射与接收管和光电二、三极管，其中，光电二、三极管通常是用作光电检测，所以这两类器件在后面的光电检测器件中介绍。(一)光电池（1） 光电池的结构和工作原理光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。同时它能将太阳能转换成电能，顾又称为太阳能电池。结构中，它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。光电池结构如下图所示。它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质形成PN结。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出点子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样这样N区和P区之间出现电位差。若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。 图2.15 光电池结构图 图2.16 光电池的构造原理图（2） 光电池在电路中的应用光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。 图2.17 光电池符号及基本工作电路（3） 光电池的应用特性 光电池主要应用三大方面：一是无电场合提供电源，主要为广大无电地区居民生活生产提供电力，以及微波中继源、通信电源等。也包括一些移动电源和备用电源；二是太阳能日用电子产品，如各类的太阳能充电器、太阳能路灯等；三是并网发电，只是这个方面目前国际上还推广不是很多。平时的光电池的类型除了单晶、多晶、非晶硅电池之外，还有多元化合物光电池，它是指制作材料不是用单一元素半导体材料制成。目前已经有的多元化化合光电池有硫化镉光电池、砷化镓光电池及铜铟硒光电池。 目前应用最广最有发展前途的事硅光电池，它价格便宜，转化效率高，寿命长，适合接受红外光。（二） 红外发射管与红外接收管（1）红外发射管 红外发射管概述红外线发射管也称红外线发射二极管，属于二极管类。它是可以将电能直接转换成近红外光（不可见光）并能辐射出去的发光器件，主要应用于各种光电开关及遥控发射电路中。红外线发射管的结构、原理与普通发光二极管相近，只是使用的半导体材料不同。红外发光二极管通常使用砷化镓（GaAs）、砷铝化镓（GaAlAs）等材料，采用全透明或浅蓝色、黑色的树脂封装。 外形结构目前市面上生产的小功率红外发射管形状如图2.18所示。 图2.18 红外发射管外形 应用范围主要用于红外控制系统的发射源发射信号经频率调制后一般接收距离可超过10米，无干扰时可超过30米。红外发射LED大量用于，各种远近距离红外夜视监控摄像机。设计中采用的是小功率发射管，耗电低，作为在电路板上的器件，所以发射距离都限制在2cm之内。（2）红外接收管 红外接收管概述红外接收管的作用是进行光电转换，是在LED行业中命名的，红外接收二极管又叫红外光电二极管，也可称红外光敏二极管,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。广泛用于各种家用电器的遥控接收器中，如音响、彩色电视机、空调器、VCD视盘机、DVD视盘机以及录像机等。 红外接收管外形结构本设计中采用的小功率黑色树脂封装的红外接收管外形如图2.19所示。图2.19 红外接收管外形 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，分别是NPN型和PNP型。 设计中采用是二极管类型。 特征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。 2.4 基于光电感应器件特性的光电感应器件按光电感应器件组成有发光器件和检测光电感应器件两种。其中，发光器件包括发光管（LED）、FP激光器及DBF激光器这几种常用器件；而检测类光电感应器件有光电二极管和光电三极管，它们的特性已在光生伏特效应感应器件中有所研究，此处就不再多论述。2.4.1 发光感应器件（1） 发光管（LED）1未经谐振输出，发非相干光的半导体发光器件称为发光管。发光二极管简称LED，它是一种将电能转换成光能的半导体器件，主要由IIIV族化合物半导体，如砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）制成。它由一个PN结组成。当加正向电压时，P区和N区的多数载流子扩散至对方与少数载流子复合，复合过程中有一部分以光子的形式放出，使二极管发光。发出的光波可以是红外光或可见光，例如砷化镓发射红外光。发光二级管发射可见光时常用作显示器件，如指示灯、七段数码管、矩阵显示器等。工作时加正向电压，并接入限流电阻，工作电流一般为几到几十毫安。电流愈大，发出的光愈强，但是会出现亮度衰退的老化现象，使用寿命将缩短。发光二极管导通时管电压降为1.82.2V。发光管的特点：输出功率低，发射角大，光谱宽，调制速率低，价格低廉，适合于短距离通信。其发光二极管的符号如图2.20所示。 图2.20 发光二极管符号（2） FP激光器FP激光器是以F-P（Fabry-perot）腔为谐振腔，发出多纵模相干光的半导体发光器件。这类器件的特点：输出功率大，发射角较小，光谱较窄，调制速率高。适合较长距离通信。 FP激光器性能参数工作波长：激光器发出光谱的中心波长；光谱宽度：多纵模激光器的均方根谱宽；阈值电流：当器件的工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激 输出光功率：激光器输出端口发出的光功率。（3） DFB激光器DFB激光器是在FP激光器的基础上采用光栅滤光器件使掐金只有一个纵横输出，此类器件的特点：输出光功率大，发射角较小，光谱较窄，调制速率低，适合长距离通信。DFB激光器在目前的光纤通信系统中得到了广泛应用，因为它与一般FP激光器相比，具有以下特点： 动态单纵横窄线宽输出由于DFB激光器中光栅的栅距很小，形成一个微型谐振腔，对波长具有良好的选择性，使主模和边模的阀值增益相对较大，从而得到比FP激光器窄许多的线宽，并能保持动态单纵横模输出。 波长稳定性好由于DFB激光器内的光栅有助于锁定给定的波长，其温度漂移约为0.8A每摄氏度，比FP激光器要好很多。 DFB激光器结构 图2.21 DFB激光器的结构 DFB激光器性能参数：工作波长：激光器发出光谱的中心波长。边模抑制比：激光器工作主模与最大边模的功率比。20dB光谱宽度：由激光器输出光谱的最高点降低20dB处光谱宽度。阈值电流：当器件的工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激光。输出光功率：激光器输出端口发出的光功率。2.4.2 检测光电感应器件（一）光电二极管4（1）光电二极管概述光电二极管又叫光敏二极管，是一种能够将光能转换成电能的半导体器件。与普通二极管相似，光电二极管也是具有一个PN结的半导体器件，所不同的事光电二极管壳上有一个透明的窗口，以便使光线能够照射到PN结上，将光线强度的变化转换成电流的变化。常见的有透明塑封光电二极管、金属壳封装光电二极管、树脂封装光电二极管等。光电二极管有许多种类、常用的有PN结型、PIN结型、雪崩型和肖特基结型等。其中硅材料PN结型光电二极管最为常用。（2） 光电二极管的工作原理发光二极管管芯是一个具有光敏特性的PN结，它被封装在管壳内。发光二极管管芯的光敏面是通过扩散工艺在N型单晶硅上形成的一层薄膜。光敏二极管的管芯以及管芯上的PN结面积做得较大，而管芯上的电极面积做得较小，PN结的结深比普通半导体二极管做得浅，这些结构上的特点都是为了提高光电转换的能力。另外，与普通半导体二极管一样，在硅片上生长了一层SiO2保护层，它把PN结的边缘保护起来，从而提高了管子的稳定性，减少了暗电流。光敏二极管与普通光敏二极管一样，它的PN结具有单向导电性，因此，光敏二极管工作时应加上反向电压，当无光照时，电路中也有很小的反向饱和漏电流，此时相当于光敏二极管截止;当有光照射时，PN结附近受光子的轰击，半导体内被束缚的价电子吸收光子能量而被击发产生电子一空穴对。这些载流子的数目，对于多数载流子影响不大，但对P区和N区的少数载流子来说，则会使少数载流子的浓度大大提高，在反向电压作用下，反向饱和漏电流大大增加，形成光电流，该光电流随入射光强度的变化而相应变化。光电流通过负载RL时，在电阻两端将得到随人射光变化的电压信号。光敏二极管就是这样完成电功能转换的，红外发射和接收管只是材料不同，光电转换的与上述光敏二极管原理相同。（3） 光电二极管的检测 光电二极管的正、负极判断光电二极管两管脚有正、负极之分，通常，靠近管键或色点的是正极，另一脚是负极；较长的是正极，较短的是负极。 用万用表检测光电二极管的好坏将万用表置“RlK”挡，黑表笔（表内电池正极）接光电二极管正极，红表笔接负极，测其正向电阻，应为1020k；对调两表笔，即红表笔接光电二极管正极，黑表笔接负极，然后用一遮光物（例如黑纸片等）将光电二极管的透明窗口遮住，这时测得的是无光照情况下的反向电阻，应为无穷大； 移去遮光物，使光电二极管的透明窗口朝向光源（自然光、白炽灯或手电筒等)，这时表针应向右偏转至几k处，这说明被测管是好的。如果在无光照和有光照时测得的反向电阻均为0或无穷大，则说明此 光电二极管是坏的，不能使用。（4） 光电二极管的正确选用光电二极管的种类很多，而且参数相差较大，选用时要根据电路的要求。首先确定选用什么类别的，再确定选用什么型号的，最后再从同型号中选用参数满足电路要求的光电二极管。（5） 光电二极管的参数开路电压：PN结两端开路时，其电压称为开路电压。与光通量对数成正比， 其温度系数很大。 短路电流： PN结两端短路时，其电流称为短路电流。短路电流与照度成正比，其温度系数很小。 暗电流：是指光敏二极管在无光照及最高反向工作电压条件下的漏电流。暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，检测弱光的能力越强。暗电流随温度与反偏电压而变化。 响应特性：由PN结的结电容与负载电阻决定。反偏电压越大，结电容越小，工作频率越高。（6） 光电二极管图示及符号 光电二极管的外形与电路符号 图2.22 光电二极管的外形 图2.23 光电二极管符号 光电二极管的工作原理图及正、负极判别 图2.24 光电二极管工作原理示意图 图2.25 光电二极管正、负极判断标示（3） 光电三极管光电三极管的作用也是实现光电转换。但是，光电二极管的光电转换的灵敏度低，而光电三极管实质是在光电二极管的基础上加了一级放大，其光电转换的灵敏度大大提高。同时，光电三极管也叫光敏晶体管，光敏三极管。（1） 光电三极管的外形光电三极管为NPN结构，基极即为光窗口。大多数光电三极管只有发射极E和集电极C两个管脚。也有部分光电二极管基极B有引出管脚，作为温度补偿，不用时可将其减去。光敏晶体管和普通三极管的结构相类似。不同之处是光敏晶体管有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，因此，光敏晶体实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的三极管。当光照射到 PN 结附近时，由于光生伏特效应，产生光电流。该电流相当于三极管的基极电流，因此将被放大（ 1+ ）倍，所以光敏三极管具有比光敏二极管更高的灵敏度。 图2.26 光电三极管的外形 图2.27 光电三极管的电路符号 图2.28 光电三极管中电流 光电三极管的工作原理光电三极管可以等效为光电二极管和一般三极管的组合元件。如图2.24所示。 图2.29光电三极管的等效电路 图2.29中ICBO随入射光的变化而变化，约为几十微安，而由于三极管的电流放大作用，集电极电流ICEO可达基极电流的几十倍。因此，光电三极管具有较高的光电转换的灵敏度。（2） 光电三极管的检测 从外观上检查判别光电三极管的引脚 靠近管键或色点的是发射极E，离管键或色点较远的是集电极C，较长的管脚是发射极E，较短的管脚是集电极C。如图2.30所示。 图2.30光电三极管的引脚识别 用万用表检测光电三极管的好坏 将万用表置于“R1k”挡，用黑表笔接光电二极管的集电极C，红表笔结光电三极管的发射极E。用遮光物遮住光电三极管的光窗口，由于没有光照，光电三极管中没有电流，其电阻值应接近无穷大；移去遮光物，将光电三极管的光窗口朝向光源，这时万用表的指针应向右偏转至几k或1k左右，指针的偏转大小表征光电三极管的灵敏度。（4） 光电三极管的特性 光电三极管频率响应特性光电三极管响应速度比光敏二极管慢，因为结电容CCB放大了倍。越大，输出电流越大，响应特性越坏。在允许限度内，负载电阻选用低值，有助于改善频率响应特性。 光电三极管的伏安特性光敏晶体管在不同照度 Ee 下的 伏安特性，就象一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。只要将入射光在发射极与基极之间的 PN 结附近所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏晶体管看成一般的晶体管。其福安特性曲线如下图所示： 图2.31 光电三极管的伏安特性曲线 光电三极管的光谱特性 图2.32光电三极管的光谱特性曲线 光电三极管的光照特性 图2.33 光电三极管的光照特性曲线 光电三极管的温度特性 图2.34光电三极管暗电流-温度特性曲线 图2.35光电三极管光电流-温度特性曲线 25第三章 光电计数器的方案设计第三章 光电计数器的方案设计 3.1 方案设计该方案可以满足设计的基本要求，红外发射管采用直流供电，接收管判断是否有物体通过光门，并且当物体通过光门时输出一个高电平，触发后面的加法计数器，使其实行加1计数。为简单起见，计数器为一组BCD码输出，输出由BCD七段数码管译码器，输入至数码管显示。此处只设置了0-99的计数范围，当计数满时可手动清零重新工作。该计数器系统总体设计方案较为简单，由六部分组成：电源供电部分、信号采集(光电转换)部分、系统复位部分、检测调制部分、计数译码部分和显示部分。由于本设计中采用的光电感应器件为红外发射管和红外接收管，对于感应器件应供电电压稳定，因此设计中的电源输出采用稳压集成电路，考虑这些器件的需求电压基本在5V左右，所以选择4.5V的直流电源供电。设计中大概的传输过程以及部分器件为：用光电感应器（红外发射/接收管）实现信号采集（由红外发射管发出红外信号，红外接收管收到红外信号使接地支路导通。当红外信号被阻挡时，接地支路阻断，由于电压变化，从而得到不同的高低电平）；这些不同的电平被传输到振荡器中得到CP脉冲，再将生成的脉冲信号输入到译码计数器的CP时钟引脚，进行译码，再驱动共阴极数码显示管进行显示。其系统设计的原理框架为： 图3.1光电计数器系统设计原理框架 设计光电计数器的原理流程为： 图3.2光电计数器原理流程 3.2 计数器系统特点 本系统具有体积小、硬件少、电路结构简单及容易操作等优点。本计数器可将机械或人工计数方式变为电子计数，并且采用LED数码显示，简单直观，可适用于诸多行业，以满足现代生产、生活等方面的需求。随着生产技术的不断改善和提高，在现代化生产的许多场合都可以看到计数器的使用。本计数器具有低廉的造价以及控制简单等特点。该系统还具有以下特点： 该系统具有清零功能，工作人员可以通过复位开关使两个数码管都显示零，这样可以方便进行人工操作以及确认计数器是否正常工作；原理就是利用CD40110的清零端CR，输出与十位七段译码器的灭灯输入端BL端相接，每当复位时，BL就会输入高电平，从而是两个数码管都会清零。 该光电计数器只有两位数，但通过级联可以扩展为四位，甚至多位。 该系统复位采用上电复位及按钮复位，这样能保证该光电计数系统的正常复位，能有效的保护电路中的元器件。37第四章 系统硬件电路设计第四章 系统硬件电路设计4.1 原理电路图经过前面研究原理的系统设计及各部分实现的功能和主要器件，将各部分电路的器件连接供电，得到如图4.1所示的光电计数器的原理电路图。部分器件在软件设计时为线路的简单明了、直观，将部分引脚省略显示，即引脚实为接地，只是不显示。图4.1光电计数器原理图4.2 原理电路论述从上面的原理图可以看出，电源分别接入系统清零（复位）电路和本系统的主体电路，即信号采集、脉冲生成、计数译码是均采用统一供电方式。首先，信号采集部分连接在电源两端，保护电阻R1与红外发射管DS串联接在电压源两端；后红外接收管BG和保护电阻R2串联且并联与发射管连接入电源两端。其中，要求DS和BG要对齐，距离不要太大。当电路正常工作时，DS与BG之间形成一个光通道，以DS发出红外光，BG通过检测是否有光线来判断有无物体经过光通道。当没有物体通过，红外接收管BG能顺利接收到来自发射管DS的红外光，由前面所述的红外接收二极管的反向导电特性。此时，BG两端导通，红外接收管内PN结产生光电流，电流经过保护电阻R2到达电源的负极，而电流不经过定时器NE555。当光通道被物体挡住时，接收管BG产生暗电流，使得BG上端出现高阻抗特性，而此时的BG外电路R2、R3、C2形成电路的谐振，这时NE555在电路中就做振荡器的功能，产生计数译码所需的时钟脉冲CP。而RC的谐振为振荡器提供振荡频率。设计中的振荡频率为4.5KHz，后经NE555的THOLD（引脚6）和TRIG（引脚2）输入振荡器，振荡器在这样的谐振下产生相应的脉冲信号经OUT（引脚3）输出给译码计数器CD40110的计数时钟引脚。当采集的信号输入振荡器NE555后，产生的是高低脉冲脉冲信号。此时，信号就传入计数译码器CD40110的时钟CP输入引脚中，本设计的计数范围是099，所以译码器和数码显示器各位两个，分别译码和显示十位和个位数。从NE555的输出端（引脚3OUT）输出的信号再进入个位译码器CD40110的加计数时钟输入端CPU(引脚9)，通过对进入的脉冲信号进行译码；当脉冲信号的超过09时，就会通过个位的译码器的进位输出端CO（引脚10）进入十位译码器，译码过程两者都是一样，只是个位满时就传向高位。当要扩展计数器计数范围时，只需把高位译码器的进位输出端CO（引脚10）计入更高位的计数时钟输入端CPU(引脚9)即可实现级联，能译码显示计数更大范围。对于译码器CD40110在译码过程中，它的计数允许端CT（引脚4）、锁存器预置端LE（引脚6）及减法输入端CPD(引脚7)都接地。因为前两者是低电平有效，而减法译码在本设计中未采用，但引脚不能悬空，因此接地。CD40110的清零端CR（引脚5）接入复位电路，以便模块的正常复位及保护芯片的正常工作。从两个译码器CD40110输出信号，每个管脚分别接一定大小的电阻保护电路，后经译码出的信号输入数码显示管的ag,且通过CD40110驱动数码管工作以正常显示译码的数值，显示通过光门物体的个数。同译码器CD40110一样，要扩展计数范围，数码管的级联只需将公共端COM（引脚9）同前面数码管公共端详连接即可，其他输入端与其他译码器连接相同。最后对于整个电路的复位电路，电路接通电源刚开始正常启动时，整个电路时进行上电复位，即图中的C3和电阻R5支路。它的工作原理是：在电路接通电源的瞬间，两译码器CD40110的清零端CR电位与电源电位相同，随着电容C3上的电位逐渐上升，CR端的电压逐渐下降，于是在CR端便形成了一个正脉冲，这个正脉冲持续，当这个正脉冲持续两个时钟周期以上即可实现系统自动复位清零；而后面的按钮复位，是针对人工手工清零操作，当计数器计数达最高值时可进行人工清零操作，即按下按钮SB清零键即可。它的工作原理是：人工操作按下清零键SB，会在电阻R5上形成一个高电平脉冲，由于这一操作远远大于两个时钟周期，因此，实现对计数的译码的清零操作。4.3 光电计数系统组成4.3.1 电源供电部分设计中采用的器件均是小功率耗电器件，因此电源电压不宜过高，而且NE555的耗电在5V左右，因为市面的直流供电干电池，一般为1.5V，所以设计选择整个电路的供电电压为4.5V，以便实现。4.3.2 信号采集部分本设计中的信号采集部分其实就是红外发射管与红外接收管组成，发射光在电路加电后发射出红外光，接收管接收红外光从而两器件形成一个光通道。当光通道没有被物体挡住时，红外接收管两端导通，电流沿着红外接收管到达电路的接地端，形成通路，而不进行计数操作；当光通道被物体挡住时，由于二极管的反向导通原理，使得在红外接收管的正极形成高阻，从而光通道之后的电路中电压随之变化。由这种电压的变化，电路的RC形成谐振电路，形成的电压高低电平再进入NE555定时器中。NE555的功能很多，后面脉冲生成部分再做详细介绍。此时，NE555只做振荡器，因输入的电压变化，进而转换成脉冲输出进行译码计数，最后驱动显示。具体脉冲生成过程在原理电路论述部分详细介绍。4.3.3 系统复位部分本设计采用的复位方式有上电复位和按钮复位。其中采用的译码计数为CD40110模块，它的CR引脚为清除端。当该引脚上出现持续两个周期的高电平，即可实现系统自动清除计数，从而复位系统，使模块工作回到初始状态。上电复位是指整个电路加电瞬间，要在CR引脚形成一个正脉冲，使模块进入清零状态。按钮复位是指用户按下“清零”按钮，使电路回到初始状态。其中，两点复位电路的产生方式如下图所示： 图4.2上电复位 图4.3按钮复位和上电复位 图4.2中的上电复位也就是自动复位，电路加上电源开始工作时，电路会自动复位清零，即此处的数码显示管会显示零。当接通电源的瞬间，CR端与Vcc同电位，随着电容上的电压逐渐上升，CR端的断崖会逐渐