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： Y 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(jìn)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(jìn)行芯片選擇及設(shè)計，選用MSP430超低功耗系列單片機(jī)作為探測器的微處理器，充分利用單片機(jī)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(yùn)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(qiáng)。關(guān)鍵詞：光電煙霧探測器；MSP430；低功耗；運(yùn)算放大器0 引言近年來，全球每年發(fā)生火災(zāi)600700萬起，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(hù)人身和財產(chǎn)安全，在現(xiàn)代化的公路交通運(yùn)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(jī)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(jì)各部門的安全運(yùn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號，送入主控芯片ADC模塊通道進(jìn)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(qiáng)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(bǔ)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(jìn)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：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(qiáng)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 光生伏特探測器 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(jìn)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(bǔ)償設(shè)計的辦法進(jìn)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(jìn)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：光譜范圍：0.41.1m；工作波長：0.9m；光敏面直徑Q：4mm；響應(yīng)度：0.5/；響應(yīng)時間t：3ns。PIN光電二極管的實物圖如圖1所示。圖1 PIN光電二極管的實物圖（3）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(jī)；煙霧檢測的電流信號放大使用低成本的運(yùn)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3.3V 后供電，整個系統(tǒng)功耗低，結(jié)構(gòu)簡單。MSP430F2012是TI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：低電壓范圍：1.83.6V超低功耗：活動模式（1MHz，2.2V時為200 A) 待機(jī)模式(0.7A)，掉電模式(RAM數(shù)據(jù)保持0.1 A)，從待機(jī)到喚醒不到1s;五種省電模式（此設(shè)計使用LPM3 模式: 在3V 時0.60.9A）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 頻率帶有2 個捕捉/比較功能的16 位定時器Timer_A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-Ksps A/D，通用串行接口USI；支持SPI和I2C；程序代碼熔絲保護(hù)；零功耗BOR復(fù)位保護(hù)功能。16 位精簡指令集，指令周期62.5nsLM358 是具有內(nèi)部頻率補(bǔ)償、直流電壓增益較高的低功耗運(yùn)算放大器。寬電壓范圍330V（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1.1MHz，其上電、穩(wěn)定時間常數(shù)均滿足探測器的設(shè)計要求。強(qiáng)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（616V），低功耗（空閑電流小于100nA）。3 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(jìn)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(jìn)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(jìn)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0.001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4 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。 (a) 光導(dǎo)模式 (b) 光伏模式圖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(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計，而不是對兩種模式都進(jìn)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2(b)的光伏模式。（2） 光源驅(qū)動和運(yùn)放電路模塊主控芯片MSP430F2012的P1.4 引腳控制運(yùn)放的電源開關(guān)電路，P1.6 引腳控制紅外發(fā)射二極管的關(guān)斷，LM358 運(yùn)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/C2 反饋網(wǎng)絡(luò)用于建立電路的增益，C2 為消除運(yùn)放自激振蕩的反饋電容，實現(xiàn)光-電流-電壓的線性變換。煙霧檢測信號經(jīng)放大后被引入主控芯片ADC 模塊通道A3。圖5為光源驅(qū)動電路和運(yùn)放電路。該三極管為NPN型，當(dāng)P1.6輸出為高電平時，三極管導(dǎo)通，紅外發(fā)射二極管發(fā)光。紅外接收二極管接收到微弱的光信號以后，經(jīng)運(yùn)算放大器LM358放大后輸入到單片機(jī)的P1.3口。圖5 光源驅(qū)動電路和運(yùn)放電路（3） 主控芯片引腳接線圖4 MSP430F2012 單片機(jī)引腳接線（4） 信號處理電路模塊紅外線煙霧傳感器送出的信號是模擬信號，必須通過AD轉(zhuǎn)換后，變成數(shù)字量，才能被單片機(jī)進(jìn)行處理和控制，本設(shè)計采用MSP430單片機(jī)內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換器，節(jié)約了成本，減小了體積，提高了效率。MSP430F2002單片機(jī)配置了10位的AD轉(zhuǎn)換器，ADC10模塊能夠?qū)崿F(xiàn)10位精度的模數(shù)塊轉(zhuǎn)換。將轉(zhuǎn)換結(jié)果與設(shè)定的閥值進(jìn)行比較，判斷煙霧的存在與否，若存在則輸出聲光報警信號。（5） 強(qiáng)壓電蜂鳴器驅(qū)動模塊該芯片采用9V電池供電，該芯片的使能端HRNET與MSP430 的P2.6 I/O 口連接，當(dāng)芯片被使能時（也就是使能端為高電平時）,芯片和周邊壓電蜂鳴器等元器件產(chǎn)生自激振蕩而發(fā)出報警聲音，否則停止工作不報警。所選壓電蜂鳴器可發(fā)出105dB 的報警聲音，滿足煙霧報警聲強(qiáng)的要求。達(dá)到一定的煙霧報警，可以這樣給個值，就是沒有煙霧時采集一個電壓值u，經(jīng)過煙霧時采集到另一個值u0，用u比u0，得到值如果超過閥值就開始報警。閥值是經(jīng)過多次測量實驗，傳感器標(biāo)定的，直接寫入單片機(jī)的。（6）電源模塊 系統(tǒng)需要提供9v和3.3V兩個工作電壓，9V供給RE46C100，3.3V是單片機(jī)MSP430F2012的工作電壓，本電路選用穩(wěn)壓器TPS。TPS71533是一款采用SC-70封裝的高輸入電壓LDO(低壓降)穩(wěn)壓器，其與微處理芯片MSP430F1232同屬于美國的TI公司。該穩(wěn)壓器的特點是：高輸入、低壓降、低功耗和小型封裝。芯片的輸入電壓范圍為2.524V，低壓降和低靜態(tài)電流(最大靜態(tài)電流為3.2 A)使該芯片的功耗處于極低的水平，適用于電池供電的場合。4 軟件設(shè)計本探測器軟件采用C 語言進(jìn)行程序設(shè)計，MSP430 系列單片機(jī)的C430 語言與C 語言兼容程度高，容易理解，硬件控制能力好，表達(dá)和運(yùn)算能力強(qiáng)，能夠充分發(fā)揮MSP430 的功能，明顯提高了軟件開發(fā)效率與執(zhí)行效率。系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法，各模塊之間相互獨立，使得程序結(jié)構(gòu)清晰。整個軟件設(shè)計包括主程序、煙霧采樣與處理子程序等。為降低系統(tǒng)功耗,除采樣煙霧外, MSP430單片機(jī)均工作在低功耗模式LPM3，在主程序和初始化中最大化CPU 的低功耗模式LPM3 時間為6S，單片機(jī)從LPM3模式中斷喚醒后，開始執(zhí)行煙霧采樣子程序。ADC 模塊的數(shù)據(jù)傳遞控制器DTC 允許ADC 采樣和存儲在其他任何的寄存器而不受單片機(jī)的干預(yù)，故在采樣轉(zhuǎn)換期間，單片機(jī)可進(jìn)入LPM3 模式以進(jìn)一步降低功耗。在煙霧采樣與處理子程序中，將ADC10 設(shè)置為4 次序列通道轉(zhuǎn)換模式，采樣轉(zhuǎn)換煙霧信號的變化；ADC 在打開和關(guān)閉紅外發(fā)射二極管的狀態(tài)下分別打開運(yùn)算放大器電源的開關(guān)電路，采樣紅外接收二極管的電流進(jìn)行比較，從而判斷是否出現(xiàn)煙霧，為避免誤報警，必須連續(xù)兩次判斷煙霧信號出現(xiàn)時才啟動聲光報警。煙霧報警的閾值偏移量可通過軟件設(shè)置進(jìn)行靈活調(diào)整，確保探測器在煙參數(shù)達(dá)到預(yù)定值時開始報警。主程序流程圖如圖6 所示。 煙霧聲光報警設(shè)置連接兩次檢測有煙標(biāo)準(zhǔn)smoke=1再次檢測 是否出現(xiàn)煙霧首次檢測 是否出現(xiàn)煙霧 關(guān)閉報警 設(shè)置6S中斷 采樣煙霧子程序 退出LPM3 開始VLO 6S校準(zhǔn) LPM3模式5 所設(shè)計煙霧探測器的特點及參數(shù) 吸頂安裝 光學(xué)迷宮 采用低功耗 CMOS 微處理器 特殊防潮設(shè) 具有手動測試功能 工作性能穩(wěn)定可靠 采用超薄式結(jié)構(gòu)設(shè)計 結(jié)構(gòu)設(shè)計獨特，防塵、防蟲、抗外界光線干擾技術(shù)參數(shù)傳感器： 光學(xué)腔迷宮工作電壓： 9VDC/12VDC工作電流： 靜態(tài)電流小于10uA，報警工作電流10-30mA煙霧靈