光电计数器文献综述

1、浙江师范大学本科毕业设计（论文）文献综述学院专业学生姓名学号指导教师职称合作导师职称论文题目光电计数器设计文献综述:随着精密电子技术的高速发展，社会需求的不断提升，人们对电信号的测量精度要求越来越高。过去，大部分计数器均采用普通门电路或可编程逻辑器件 PLD 来作为信号处理系统的控制核心，这样的结构先天性就存在设计复杂、稳定性差、精度不高的弊端，发展进入一定阶段后就无法进一步提高性能，难以满足新的社会需求。当前，随着电子产品小型化、便捷化、高效化的新定位，对信号的处理的电子技术也提出了比过去更严格的要求，它必须要最大限度的满足准确、迅速、稳定、方便、实用的原则才能更好的推广、运用、适用于普遍的

2、生产生活。传感与检测技术是一门知识面广、综合程度高、实用性很强的专业课程。它从传感器的基本理论入手，着重讲叙传感器的结构与感测原理，传感器是一个二端口的装置，不同的传感器输入-输出特性不同，同一传感器适应不同的被测信号呈现的特性也有所不同。尤其当被测信号为静态信号时两种状态下，传感器的输入-输出特性完全不同。感测技术在许多新知识里都有应用，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原理及方法。作为它的核心，单片机由芯片内仅有 CPU 勺专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPL成在一个芯片中，使计算机系统更小,更容易集成进复

3、杂的而对提及要求严格的控制设备当中。INTEL 的 Z80 是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镀。单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。单片机比专用处理器最适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有 1-2 部单片机。光电式传感器是将光信号转化为电信号的一种传

4、感器。光电传感器的功能主要有：检测物体的有无，检测透明物体，检测色标，检测颜色，检测发光物体，检测位移，激光传感器，CCDM 像传感器，槽形开关等；检测和测量的光栅及传感器的功能主要有：测量物体的外形，纠偏，检测微小的透明物体，测量位移等；安全光幕的功能主要有：对人的手指、手掌、手臂等身体各部位的 2 级和 4 级保护；温度控制器的功能主要有：PID 控制和自动演算，自诊断，自动调谐和自适应等功能以及三级软件安全锁。它是一种基础测量仪器，到目前为止已有 30 多年的发展史。早期，设计师们追求的目标主要是扩展测量范围，再加上提高测量精度、稳定度等，这些也是人们衡量电子计算器的技术水平，决定电子计

5、数器价格高低的主要依据。它是光照射到某些物质上，使该物质的电特性发生变化的一种物理现象，可分为外光电效应和内光电效应两类。外光电效应是指，在光线作用下物体内的电子逸出物体表面向外发射的物理现象。光子是以量子化“粒子”的形式对可见光波段内电磁波的描述。光子具有能量 hv,h 为普朗克常数，v 为光频。光子通量则相应于光强。外光电效应由爱因斯坦光电效应方程描述：hv=1/2*mv0 的平方式中 m 为电子质量，v0 为电子逸出速度。当光子能量等于或大于逸出功时才能产生外光电效应。因此每一种物体都有一个对应于光电效应的光频阈值，称为红限频率。对于红限频率以上的入射光，外生光电流与光强成正比。内光电效

6、应又分为光电导效应和光生伏打效应两类。光电导效应是指，半导体材料在光照下禁带中的电子受到能量不低于禁带宽度的光子的激发而跃迁到导带，从而增加电导率的现象。能量对应于禁带宽度的光子的波长称光电导效应的临界波长。光生伏打效应是指光线作用能使半导体材料产生一定方向电动势的现象。光生伏打效应又可分为势垒效应（结光电效应）和侧向光电效应。势垒效应的机理是在金属和半导体的接触区（或在 PN 结）中，电子受光子的激发脱离势垒（或禁带）的束缚而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下电子移向 N 区外侧，空穴移向 P 区外侧，形成光生电动势。侧向光电效应是当光电器件敏感面受光照不均匀时，受光激发而产生的电子空穴

7、对的浓度也不均匀，电子向未被照射部分扩散，引起光照部分带正电、未被光照部分带负电的一种现象。目前这些基本技术日臻完善，成熟。应用现代技术可以轻松地将电子计数器的测频上限扩展到微波频段。通俗地讲光电计数器实际上就是一种反应敏捷，方便适用的计数装置。它利用光电元件制做组装而成，其工作原理就是由红外发光管发射出的红外光线通过反射在光电元件（如光电管、光敏电阻）上，红外光线每被反射一次，光电元件就改变一次工作状态，这样就可以通过放大器记录下放射接受的次数，在实际生产生活中可以用于记录成品数量或者展览会参观人数等数据，也可以用在物流检测，如航空、铁路、公路等运输部门的包裹及车流量的检测。还可用在生产部门

8、的原料、工件、成品、半成品的检测。当然也可以用在文化娱乐部门等的客流量的检测等具有很好的广泛的应用价值。一、国内外研究概况及发展趋势目前国内应用于皮带机上的计数器主要有两种，一种是使用机械手的机械式计数器，一种是使用反射式光电计数器.现在是信息高速发展的时代，随着大规模、自动化的生产行业的不断发展，精密仪器已经逐渐取代了过去的普通电子设备，很多企业在生产的过程中，大量使用各种智能化的产品，不但提高了生产管理的水平同时也使得生产效率得到突破提升。本光电计数器基本的设计思路主要是从两个方面来考虑：第一，在结构上，以单片机为设计核心充分结合了自动化控制的优势，将机械或人工计数方式变为电子计数使之具有

9、很高的实用价值；第二，在使用上，选择采用 LEEM 码显示和集成电路制作以便于将数据直观的显示的同时还有漂亮、小巧的外观、友好的操作方式。针对我国的实际情况、结合具体的市场需求、利用所学的专业知识，本人做了一个光电式计数器，该计数器运用到了模拟电子技术，数字电子技术以及光电转换技术设计制作，它的基本运行流程是：首先利用红外发光二极管发出的光来控制电路输出高低电平,然后再通过计数器记录数字数据，之后再用译码器进行译码工作，最后通过数码管来显示数字数据，该计数器应用范围十分广泛，作用巨大，适用性很强，能够节约大量人力，物力，财力，例如，工厂里产品生产相关的技术，自动化控制技术等，目前，市场上各式各

10、样的计数器技术层出不尽，水平参差不齐，如温度计数器，触摸计数器等，其电路复杂，元件昂贵，体积大，且外观不好看，计数效果不好，不能在各种不同的环境中工作，所以本人就从弥补以上市场上各计数器产品的缺点为出发点，做了改进，让本计数器具有能在高低温下长期工作，且受外界干扰小，使用方便，性能稳定，价格低廉的特点。光自动化的计数提高了工业生产上的效率以及准确行，计数的自动化和智能化最终能加速实现现代化的工业。随着生产自动化、设备数字化和机电一体化的发展，对光电计数器的需求增多。从实际情况出发，不断去完善电路的设计方式，降低元件的价格、缩小体积，提高生产效率，回馈企业促进生产力的发展，这样才能循环式的刺激计

11、数器的发展。在我国电子技术的不断发展和市场新需求的推动作用下，计数器相关技术和产业不断完善，除了它原先存在的主要核心功能外，电子计数器的辅助功能也逐渐增加，现在已经出现了多功能计数器，多功能计数器产品的响应度较高，交直、流电两用、耗能低、价格低、无机械碰撞、无磨损、使用寿命长，既可计数，又可计算。例如在毛衣编织机上运用，除可计数和计算外，还可实现断线报警。通用计数器不仅可测频率、周期还可以测多周期平均、时间问隔、频率比和累计等。频率计数器专门用于测量高频和微波频率的计数器。微波计数器是以通用计数器和频率计数器为主配以测频扩展器而组成的微波频率计。它的测频上限已进入毫米波段，有手动、半自动、全自

12、动3 类。系列化微波计数器是电子计数器发展的一个重要方面。国外方面，实际上根据最新的研究成果和趋势，对计数器的研究大体分为通用与专用两个大类。而光电计数器就是其中的一种。国内外至今已出版了大量有关光电计数器理论研究和技术应用的专门书籍，许多书均有专门的章节论述光电计数技术。有关光电计数器的综述文章也已发表了很多，它们所引用的有关光电计数研究的参考文献数以千计。事实上计数器多年来一直是电子测量领域中的研究热点，至今仅各种类型的计数方法就已提出了上千种， 而且近年来每年都有上百篇有关研究报道发表。1839 年 A.E.贝可勒尔发现当光线落在浸没于电介液中的两个金属电极上，它们之间就产生电势，后来称

13、这种现象为光生伏特效应。1873 年 W.史密斯和Ch.梅伊发现硒的光电导效应。1887 年 H.R.赫兹发现外光电效应。基于外光电效应的光电管和光电倍增管属真空电子管或离子管器件，曾在 5060 年代广泛应用，直到目前仍在某些场合继续使用。虽然早在 1919 年 T.W.凯斯就已取得硫化铠光导探测器的专利权，但半导体光敏元件却是在 60 年代以后随着半导体技术的发展而开始迅速发展的。在此期间各种光电材料都得到了全面的研究和广泛的应用。它们的结构有单晶和多晶薄膜的，也有非品的，它们的成分有元素半导体的和化合物半导体的，也有多元混品的。其中最重要的两种是硅和硫镉汞。硅的原料丰富，工艺成熟，是制造

14、从近红外到紫外波段光电器件的优良材料。硫镉汞是硫化汞和硫化镉的混品，是优良的红外光敏材料。通过对光电效应和器件原理的研究已发展了多种光电器件（如光敏电阻、光电二极管、光电三极管、场效应光电管、雪崩光电二极管、电荷耦合器件等），适用于不同的场合。光电式传感器的制造工艺也随薄膜工艺、平面工艺和大规模集成电路技术的发展而达到很高的水平，并使产品的成本大为降低。被称为新一代摄像器件的聚焦平面集成光敏阵列正在取代传统的扫描摄像系统。光电式传感器的最新发展方向是采用有机化学汽相沉积、分子束外延、单分子膜生长等新技术和异质结等新工艺。光电式传感器的应用领域已扩大到纺织、造纸、印刷、医疗、环境保护等领域。在红

15、外探测、辐射测量、光纤通信，自动控制等传统应用领域的研究也有新发展。例如，硅光电二极管自校准技术的提出为光辐射的绝对测量提供了一种很有前途的新方法。同时，国内的制造技术水平远不如国外，制造技术不仅是衡量一个国家科技发展水平的重要标志，也是国际间科技竞争的重点。我国正处于经济发展的关键时期，制造技术是我们的薄弱环节。只有跟上发展先进制造技术的世界潮流，将其放在战略优先地位，并以足够的力度予以实施，才能尽快缩小与发达国家的差距，才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。总之，在我国研究和发展先进制造技术势在必行。二、研究内容及实验方案1 .内容本课题是研究一电路光控电路：能够放置在流水线旁，当有产品通过

16、光电门时，都会先触发光控电路，根据光控电路产生触发脉冲令计数器进行加计数，能够在高低温下长期工作，且受外界干扰小，使用方便，性能稳定，价格低廉。该光电计数器是由光电传感电路、运算放大电路、STC89S5 惮片机系统电路、显示计数电路、报警电路五个部分组成的，其中以单片机 STC89C51 为设计核心，采用了红外收发管组成计数电路，同时利用键盘模块设置所需的计数数值，并实时采用液晶显示数据，当液晶显示值与设定值相同时报警。此外计数器停止计数，手动清除报警后可重新工作。2 .万不2.1系统控制模块单片机系统是个控制系统的核心，它完成整个系统的信息处理及协调控制功能。由于系统对控制速度，精度及功能要

17、求都无特别之处，因此可以选用目前广泛使用的 MCS-51系列单片机 STC89C52STC89C521 一个低功耗，高性能 CMOS 的单片机，片内含8kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用ATME公司的高密度、 非易失性存储技术制造， 兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISPFlash 存储单元，功能强大的微型计算机的 STC89C525T 为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。STC89C5 现有如下特点：40 个弓唧，8kBytesF

18、lash 片内程序存储器，256bytes 的随机存取数据存储器(RAM,32 个外部双向输入/输出(I/O)口，5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断，2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，看门狗(WDT 电路，片内时钟振荡器。此外,STC89C5 殁计和配置了振荡频率可为 0Hz 并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPUW 停工作，而 RAMS 时计数器，用行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存 RAM 勺数据， 停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。 同时该芯片还具有 PDIP、TQFPffiPLCC?三种封装形式，以适应不同产品的需求。2.2按键

19、模块：按键采用矩阵式键盘，4 根 I/O 接口线(P1.0-P1.3)作为行线，另外 4 根 I/O 接口线(P1.4-P1.7)作为列线，按键跨接在行线和列线上，按键按下时，行线和列线发生短路。为了提高 CPU 勺效率，采用中断扫描方式。当按下键盘上任意键时，则表明向单片机申请中断，单片机响应中断请求后，在中断服务程序中扫描按键的行、列值，以形成键号值。判断按键所在位置的方法是：一次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其他根行线为高电平。在确定某根行线为低电平后，在逐行检测各列线的电平状态。若某根列线为低电平，则该列线与置低电平的行线交叉处的按键就是所按下的按键。2.3红外模块在正常

20、时刻， 红外发射管 D1 与红外接受管 D2 正常接受发射。 当物体遮挡在两管之间时，它们由于不能进行正常的接受发射红外光线，比较器两端的电压发生改变，从而识别出信号。接收电路的红外接收管是一种光敏二极管，使用时要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作而获得高的灵敏度。红外接收二极管一般有圆形和方形两种。由于红外发光二极管的发射功率较小，红外接收二极管收到的信号较弱，所以接收端就要增加高增益放大电路。红外线发射与接收的方式有两种，其一是直射式，其二是反射式。直射式指发光管和接收管相对安放在发射与受控物的两端，中间相距一定距离；反射式指发光管和接收管并列一起，平时接收管始终无光照，只在发光管

21、发出的红外光遇到反射物时，接收管收到反射回来的红外线才工作。2.4显示模块为了使系统具有更好的人机交换界面，方便用户友好的进行简单操作。在系统设计中采用 LCD1602ft 晶显示器显示所有相关信息。LCD1602t 晶不仅显示内容丰富，而且控制相对简单方便。因为系统需要实时显示数据内容情况，而且显示的内容多而丰富，所以如果采用 LE 嗷码管远远就不能达到设计要求，虽然 LEE&码管的价格低廉，但是 LE 嗷码管的渠动电路比较繁琐，不方便使用，故而采用 LCD1602K 晶屏。LCD1602J 晶屏不仅可以显示阿拉伯数字，而且能显示字符，且其驱动电路不仅简单而且方便，可谓称得上是价廉物

22、美。2.5报警电路报警电路采用蜂鸣器声音报警，通过 NPNE 极管控制蜂鸣器工作。同时三极管还起到对蜂鸣器的功率放大作用。当 IC5D 输出为低电平时，发光二极管 D 发光，同时蜂鸣器发出报警。由 555 按时器输出秒脉冲经过 r3 输入到计数器 IC4 的 cD 端,作为减计数脉冲。当计数器计数计到 0 时， IC4 的(13)脚输出借位脉冲使十位计数器 IC3 开始计数。 当计数器计数到 000 时应使计数器复位并置数 999。但这时将不会显示 000,而计数器从 001 直接复位。 由于 000 是一个过渡时期， 不会显示出来，所以本电路采取 999 作为计数器复位脉冲。当计数器由 000 跳变到 999 时，利用个位和十位的 9 即 1001 通过与非门 IC5 去触发 rs 触发器使电路翻转，从 11 脚输出低电平使计数器置数，并保持为 999,同时 D 发光二极管亮，蜂鸣器发出报警声，即声光报警。按下 k1