光電探測器設(shè)計

中北大學(xué)《光電探測理論與技術(shù)》

作業(yè)學(xué)院：信息與通信工程學(xué)院方向：動態(tài)測試與智能儀器導(dǎo)師： 靳鴻 姓名： 李俊萍 學(xué)號：s班級： Y110503 成績：學(xué)習(xí)心得通過本學(xué)期《光電探測理論與技術(shù)》課程的學(xué)習(xí)，使我了解了光電測試系統(tǒng)由光源、光學(xué)變換器件、光電轉(zhuǎn)換器件、信號調(diào)理電路等模塊構(gòu)成，光電測試術(shù)具有精度高、測量范圍廣、非接觸式測量等特點及優(yōu)點。本次作業(yè)的題目是紅外線光電煙霧探測系統(tǒng)設(shè)計，我通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，對光電探測電路進行了一定程度的總結(jié)。我參考了浦昭光（文獻(xiàn)［1］）、曾光宇，張志偉，張存林的《光電檢測技術(shù)》（文獻(xiàn)［2］）、郝曉劍，李仰軍的《光電探測技術(shù)與應(yīng)用》（文獻(xiàn)［3］）、張國立（文獻(xiàn)［4］）、沈建華（文獻(xiàn)［5］）、張麗英（文獻(xiàn)［6］）等六篇文獻(xiàn)資料，學(xué)習(xí)了光電探測電路的組成，光電轉(zhuǎn)換器件的光電效應(yīng)（包括外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)），了解了光電二極管的結(jié)構(gòu)、特點、使用方法等。［通過本學(xué)期的課程學(xué)習(xí)，以及課程作業(yè)的完成，讓我對光電探測理論與技術(shù)這門課程有了一定的了解，當(dāng)然是比較淺顯的。謝謝尊敬的周老師！學(xué)生：李俊萍（s）2011-8-28紅外線光電煙霧探測系統(tǒng)設(shè)計中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院S李俊萍摘要：光電技術(shù)目前已經(jīng)全面滲透到人類社會生活的各個方面，部分改變著人們的行為模式和生活方式。光電系統(tǒng)在日常生活中有許多應(yīng)用，在現(xiàn)代化的公共場所和管理部門如收費站、監(jiān)控中心、隧道以及在其它軍用和民用設(shè)施中，火災(zāi)自動報警系統(tǒng)己成為必不可少的設(shè)施。光電感煙探測器具有精度高，壽命長，成本低，生產(chǎn)、安裝簡單等優(yōu)點，是火災(zāi)探測的主流產(chǎn)品。本文設(shè)計了一種紅外線光電煙霧探測報警器，首先分析了目前市場上的情況，依據(jù)其工作原理對光電系統(tǒng)各個部分進行芯片選擇及設(shè)計，選用MSP430超低功耗系列單片機作為探測器的微處理器，充分利用單片機的片上資源，設(shè)計了AD轉(zhuǎn)換電路，縮小了體積，降低了功耗，提高了系統(tǒng)性能。通過采用功耗低、速度快、低成本的運算放大器LM358,硬件與軟件的設(shè)計滿足了系統(tǒng)的低功耗要求，實現(xiàn)了光電煙霧探測器的基本功能，且功耗低，性能穩(wěn)定，實用性強。關(guān)鍵詞：光電煙霧探測器；MSP430；低功耗；運算放大器0引言近年來，全球每年發(fā)生火災(zāi)600?700萬起，為了早期發(fā)現(xiàn)和通報火災(zāi)，防止和減少火災(zāi)危害，保護人身和財產(chǎn)安全，在現(xiàn)代化的公路交通運營現(xiàn)場和管理部門以及許多場合比如收費站、賓館、圖書館、機場、倉庫等方面，火災(zāi)自動探測報警裝置成為必不可少的設(shè)施。對保障人民生命財產(chǎn)安全，保障社會安定，保障交通事業(yè)和其它國民經(jīng)濟各部門的安全運營有著重要的意義。！設(shè)計火災(zāi)自動探測報警裝置時的方案選擇主要有：感溫探測器、感光探測器和感煙探測器，感溫探測器是感受到溫度的變化，需要離火源較近的地方，感光探測器需要有明火出現(xiàn)才可以發(fā)現(xiàn)火情，感煙探測器是感應(yīng)到煙霧的出現(xiàn)，相比較而言以及考慮火災(zāi)的特點，火災(zāi)總是先有煙霧的出現(xiàn)，感煙探測器能更快的檢測到災(zāi)情，在實際應(yīng)用中使用較多。感煙探測器又分為離子式和光電式兩類。離子型感煙探測器對煙霧的探測響應(yīng)性能較為均衡，但其主要利用放射源媚241進行工作，存在環(huán)保問題，并且不適合在潮濕環(huán)境中工作，目前處于逐步淘汰中。光電式對燃燒時的煙霧有較好的響應(yīng)，全部由電子元器件組成，比較環(huán)保，基于以上原因本文設(shè)計一種低功耗的光電式煙霧探測器。1光電系統(tǒng)概述光電系統(tǒng)是用電子學(xué)的方法對光學(xué)信息進行處理與控制的系統(tǒng)，它是一種用于接收來自目標(biāo)反射或自身輻射的光輻射，通過變換、處理、控制等環(huán)節(jié)，獲得所需要的信息或能量，并進行必要處理的光電裝置。它的基本功能就是將接收到的光輻射轉(zhuǎn)換為電信號，并利用它去達(dá)到某種實際應(yīng)用的目的。組成光電系統(tǒng)的基本框圖如圖1所示。其核心組成單元大致包括輻射源、傳輸介質(zhì)、光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、電子系統(tǒng)、輸出和控制單元等。圖1光電系統(tǒng)組成框圖2光電煙霧探測器的工作原理與器件選型本文設(shè)計的煙霧探測器的工作原理如圖2所示}圖2光電煙霧探測器的工作原理主控芯片定期驅(qū)動紅外發(fā)射部分發(fā)射紅外線，在被測區(qū)若有煙霧則產(chǎn)生光的散射，紅外接收二極管接收光信號后產(chǎn)生電流信號，經(jīng)運算放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號，送入主控芯片ADC模塊通道進行采樣轉(zhuǎn)換，當(dāng)判斷被測區(qū)煙霧超過安全值后，主控芯片驅(qū)動高聲強壓電蜂鳴器發(fā)出煙霧報警聲音。在工作可靠性方面，本文采用了補償測量的方法，主控芯片定期通過ADC模塊循環(huán)采樣檢測煙霧，消除了器件老化、電壓變化等因素引起的測量偏差，保證探測器工作穩(wěn)定可靠。（1）光源的選擇基于紅外線對煙霧顆粒的敏感性，及隱蔽性好不易受自然光和其他光源干擾，選擇紅外線作為探測光源（紅外發(fā)射二極管）。（2）光電探測器件的選擇光電探測器的理論基礎(chǔ)為光電效應(yīng)，即光電探測器是把光輻射轉(zhuǎn)換成電量的器件。利用將光輻射信號轉(zhuǎn)換成電信號以進行顯示或控制的功能，光電探測器不僅可以代替人眼，而且由于其光譜響應(yīng)范圍寬，更是人眼的延伸。探測器的分類如下：I熱點探測元件非放大型eg：真空光電管，充氣光電管，外光電效應(yīng)《〔放大型eg：光電倍增管，變像管，像增強器，攝像管光電探測元件 , （本征型eg：光敏電阻{ ［光電導(dǎo)探測器\摻摻雜型eg：紅外探測器內(nèi)光電效應(yīng)《光磁電效應(yīng)探測器‘非放大型eg：光電池，光電二極管1?光生伏特探測器彳放大型eg：光電三極管，光電場" 效應(yīng)管氣體光電探測元件本論文使用的光電探測器件為：PIN型紅外接收二極管。紅外接收二極管又叫紅外光電二極管，也可稱紅外光敏二極管。PIN光電二極管是上世紀(jì)50年代末期開發(fā)出來的光電子器件。它是靈敏度比一般PN結(jié)光電二極管（PD）要高的光檢測二極管，它是針對一般PD的不足、在結(jié)構(gòu)上加以改進而得到的一種光電二極管。PIN光電二極管克服了PN管結(jié)電容大的缺點，速度較快，其暗電流也較雪崩管小，由于在光通信領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，因此價格低，易于獲得。本系統(tǒng)對暗電流通過補償設(shè)計的辦法進行消除，對響應(yīng)速度盡管要求不高，但出于對系統(tǒng)速度改進空間的以及制作成本的綜合考慮，使用PIN光電二極管作為光電探測器。其主要參數(shù)如下：①光譜范圍九：?口m；②工作波長九：口m；③光敏面直p0徑Q：4mm；④響應(yīng)度Re:從A^W;⑤響應(yīng)時間t：<3ns。PIN光電二極管的實物圖如圖1所示。圖1PIN光電二極管的實物圖?。?）電子器件的選擇本煙霧探測器的主控芯片使用美國TI公司14引腳的超低功耗MSP430F2012單片機；煙霧檢測的電流信號放大使用低成本的運算放大器LM358,為降低功耗，采用由PNP和NPN三極管組成的開關(guān)電路，為其提供9V工作電源；驅(qū)動蜂鳴器采用具有使能控制端的壓電蜂鳴器驅(qū)動專用芯片RE46C100；主控系統(tǒng)采用9V電池降為后供電，整個系統(tǒng)功耗低，結(jié)構(gòu)簡單。MSP430F2012是門公司2005年推出的一款高性能16位微控制器，特點是超低功耗和功能集成，特別適用開發(fā)自動信號采集、手持式和電池供電設(shè)備，其特性如下：①低電壓范圍：?②超低功耗：活動模式（1MHz,時為200uA）待機模式口A）,掉電模式（RAM數(shù)據(jù)保持口A）,③從待機到喚醒不到1us；④五種省電模式（此設(shè)計使用LPM3模式：在3V時?口A）⑤內(nèi)部的超低功耗、低頻率振蕩器（VLO）,不需要晶振就能提供12KHz頻率⑥帶有2個捕捉/比較功能的16位定時器Timer_A⑦集成內(nèi)部參考電壓、采樣及保持和自動掃描電路的8通道、10位200-KspsA/D,通用串行接口USI;支持SPI和I2C;程序代碼熔絲保護；零功耗BOR復(fù)位保護功能。⑧16位精簡指令集，指令周期LM358是具有內(nèi)部頻率補償、直流電壓增益較高的低功耗運算放大器。寬電壓范圍3?30V（單電源），輸入失調(diào)電流為2nA,偏置電流為20nA，單位增益帶寬為，其上電、穩(wěn)定時間常數(shù)均滿足探測器的設(shè)計要求。強壓電蜂鳴器的驅(qū)動采用性價比較高的專業(yè)芯片RE46C100,該芯片的電壓工作范圍寬（6?16V）,低功耗（空閑電流小于100nA）。系統(tǒng)光電結(jié)構(gòu)設(shè)計自然光和外界光都含有一定的紅外光成分，都會對紅外接受二極管產(chǎn)生一定的干擾，設(shè)計采用密封的方法，將二極管放在一個暗室里，阻斷外界光線的進入，紅外光發(fā)射和接收器件在暗室內(nèi)的兩邊間隔一定距離并形成一定的夾角布放、進行可靠固定，保證了煙霧探測器對散射光有足夠的靈敏度，如下圖所示。在煙氣進入的通道上安裝細(xì)的網(wǎng)罩用于防塵和蚊蟲。由于不同入射光波長，不同尺寸的煙霧粒子散射信號不同，一般煙霧粒徑分布在到4um之間，絕大多數(shù)粒子屬于中等粒子，密集分布在680nm到900nm的光波范圍內(nèi)。將紅外發(fā)射二極管與紅外接受二極管的管腳引出暗室外與外部電路相連。圖4光電感煙式探測器暗盒示意圖系統(tǒng)硬件電路設(shè)計（1）光電二極管的工作模式光電二極管一般有兩種工作模式：零偏置工作和反偏置工作。圖2所示是光電二極管的兩種工作模式的偏置電路，即光伏模式、光導(dǎo)模式。圖2光電二極管的工作模式*圖2中，在光伏模式時，光電二極管可非常精確的線性工作；而在光導(dǎo)模式時，光電二極管可實現(xiàn)較高的切換速度，但線性度較低。事實上，在反偏置條件下，即使無光照，仍有一個很小的電流（叫做暗電流或無照電流）；而在零偏置時則沒有暗電流，這時二極管的噪聲基本上是分路電阻的熱噪聲。在反偏置時，由于導(dǎo)電產(chǎn)生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。因此，在設(shè)計光電二極管電路的過程中，通常是針對光伏或光導(dǎo)兩種模式之一進行最優(yōu)化設(shè)計，而不是對兩種模式都進行最優(yōu)化設(shè)計。一般來說，在光電精密測量中，被測信號都比較微弱。因此，暗電流的影響一般都非常明顯。本設(shè)計由于所討論的待檢測信號也是十分微弱的信號。所以，盡量避免噪聲干擾是首要任務(wù)，設(shè)計時選用圖（b）的光伏模式。（2）光源驅(qū)動和運放電路模塊主控芯片MSP430F2012的引腳控制運放的電源開關(guān)電路，引腳控制紅外發(fā)射二極管的關(guān)斷，LM358運放將紅外接收二極管的接收電流放大轉(zhuǎn)換為電壓信號，其輸出被調(diào)節(jié)至能夠由MSP430F2012的10位ADC模塊測量的范圍。R4

首次檢測再次檢測紅外發(fā)射二極管及驅(qū)劭設(shè)置連接兩次檢測有煙標(biāo)準(zhǔn)smoke=1煙霧聲光報警是否出現(xiàn)煙霧VLO6s校準(zhǔn)VDDLPM3模式... LM要采樣煙霧子程序退出LPM3關(guān)閉報警設(shè)置6s中斷首次檢測再次檢測紅外發(fā)射二極管及驅(qū)劭設(shè)置連接兩次檢測有煙標(biāo)準(zhǔn)smoke=1煙霧聲光報警是否出現(xiàn)煙霧VLO6s校準(zhǔn)VDDLPM3模式... LM要采樣煙霧子程序退出LPM3關(guān)閉報警設(shè)置6s中斷開始蜂鳴器運放LM358電源開關(guān)電路紅外接收二極管及運放卬352P1.4P1.6測控儀器設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)