光電傳感器論文

1、隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展,光子以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),具有極快的響應(yīng)速度,極大的頻寬,信息容量和極高的信息效率推動(dòng)信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,具有越來(lái)越大的競(jìng)爭(zhēng)力.光子技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合相互交叉、相互滲透與補(bǔ)充已經(jīng)成為信息科學(xué)技術(shù)的主體之一，光子和微電子是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和核心，光電信息產(chǎn)業(yè)已成為世界上發(fā)達(dá)國(guó)家的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。美國(guó)政府已將光子學(xué)與光子技術(shù)列為國(guó)家發(fā)展的重點(diǎn)，認(rèn)為該領(lǐng)域“在國(guó)家安全與經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)方面有深遠(yuǎn)的意義和潛力”，并肯定“通信和計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展的未來(lái)世界屬于光子學(xué)領(lǐng)域”。本論文通過(guò)對(duì)常用光電檢測(cè)傳感器性能測(cè)試演示實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研究進(jìn)一步展開(kāi)了對(duì)常規(guī)光電檢測(cè)器件的研究。在本篇論文中共使用了四種光電器件，

2、通過(guò)對(duì)硬件電路的調(diào)試，掌握了這幾種器件的光電特性，并通過(guò)調(diào)試一些小程序，對(duì)這些器件進(jìn)行檢測(cè)，從而了解其工作特點(diǎn)。在軟件方面，用了AVR系列的MEGA8代替了傳統(tǒng)的8051單片機(jī)，嘗試了匯編和C語(yǔ)言的編程，深刻地體會(huì)到兩種語(yǔ)言在不同單片機(jī)中的作用。關(guān)鍵字：光電信號(hào)變換光電檢測(cè)技術(shù)光輻射檢測(cè)非接觸測(cè)量MEGA8AbstractWith the development of modern information technology, photon has its unique advantage, such as fast response speed, ultra wide band, info

3、rmation capacity and high information efficiency, so it largely promotes the development of information science and technology, and it is more competitive in the future. The combination, penetration and supplement of photon technology and microelectronic technology has become one of the main bodies

4、of information science and technology, the foundation and kernel of modern information industry. Photo electronics industry has become the leading industry of developed countries in the world. US government has listed the photons and photon technology into the important field of country development,

5、 it has pointed out that “it has the long-lasting importance and potential in the state safety and economic competition ”, emphasized that “the future world of the research and development of communications and computers will be in the photon field”.This thesis further researches into the research o

6、f common photodetector through “The Research of The Demo Platform for Capability Testing of Common Photodetector ”.In this thesis, we deals with four photo electronic devices. We have commanded the character of these devices and test these devices by debugging some programs, by this way we learn the

7、 working features of them! In the software field, we use MEGA8 to substitute the traditional 8051 microchips, and trying the assemble language and C language to program! We deeply experience the function of the two languages in different microchips!Keyword: Photoelectric signal is alternated，Photoel

8、ectric，detectiotechnology ，The detection of ray radiation，Not contact measure，MEGA8目錄第一章緒論11.1 引言11.2 光電檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)代發(fā)展21.3 論文研究目的和內(nèi)容2第二章光電檢測(cè)器件32.1 半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件3半導(dǎo)體結(jié)型光電器件（光伏器件）10第三章新型單片機(jī)ATMEGA8173.1 綜述173.2 軟件調(diào)試18串行編程模式20第四章常用光電檢測(cè)傳感器性能測(cè)試演示實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研究光電置入密碼鎖的設(shè)計(jì)23軟件設(shè)計(jì)方法23硬件設(shè)計(jì)方法24光電置入密碼鎖的總體設(shè)計(jì)25總結(jié)31致謝32參考文獻(xiàn)33第一章 緒論1.1

9、 引言現(xiàn)代信息技術(shù)包含信息采集、信息傳輸和信息處理等內(nèi)容。信息采集：類似于人的感官系統(tǒng)，負(fù)責(zé)獲得原始的信息，主要由各類傳感器完成。傳感器是將各類原始信息(被測(cè)控的非電物理量)轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的易于處理的電信號(hào)輸出的裝置。在人的一生中，獲得信息量最大的感官是眼睛，通過(guò)光獲得的信息占總信息量的80左右。同樣，在各類傳感器中，光電傳感器以大容量、非接觸、在線和主動(dòng)獲取信息而脫穎而出，可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)(高精度)和光子級(jí)(弱信號(hào))測(cè)量，滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)信息獲取的要求。現(xiàn)代光電信息處理重點(diǎn)包括如下方面內(nèi)容： 信息傳輸：類似于人的神經(jīng)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)信息的傳送，屬通訊領(lǐng)域。傳統(tǒng)的通訊分有線(電線)和無(wú)線(電磁波)兩種，然

10、而，這種通訊方式已滿足不了現(xiàn)代大信息傳輸?shù)囊?。于是，大容量和高帶寬的光通訊就誕生了，有線光通訊(光纜)正在替代電纜通訊，無(wú)線光通信也正在研制和發(fā)展中， 信息處理：類似于人的大腦系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)信息的綜合處理顯然由電子計(jì)算機(jī)完成。然而，盡管電子計(jì)算機(jī)處理速度在不斷提高，但還是滿足不了人們的要求，于是，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)就誕生了，人們借助于光通信技術(shù)的發(fā)展，利用信息高速公路(光網(wǎng))的多臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)得到或處理信息。為了進(jìn)一步滿足人們對(duì)大信息處理的要求光計(jì)算機(jī)也正在研制中。 從上述分析可知，現(xiàn)代信息技術(shù)的主體是光子技術(shù)與微電子技術(shù)，而光子技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合，它們相互交叉、相互滲透與補(bǔ)充，就形成了光電信息技術(shù)，光電

11、信息技術(shù)的主要內(nèi)容是電光信息轉(zhuǎn)換和光電信息的轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用，是現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)和核心。1.2 光電檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)代發(fā)展 光電信息技術(shù)是光子技術(shù)與微電子技術(shù)的結(jié)合，是現(xiàn)代信息技術(shù)的核心，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。我國(guó)政府十分重視光電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已將它列入國(guó)民經(jīng)濟(jì)優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域，把光電子產(chǎn)業(yè)列為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展計(jì)劃，繼1986年3月王大珩等四位專家倡導(dǎo)的“863計(jì)劃”之后，在此基礎(chǔ)上開(kāi)始了“973計(jì)劃”，這兩個(gè)高科技計(jì)劃的重點(diǎn)是光電子產(chǎn)業(yè)。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)資料顯示，受信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化浪潮的推動(dòng)，中國(guó)的光電信息市場(chǎng)和產(chǎn)業(yè)也呈現(xiàn)出高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，成為拉動(dòng)整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的第一支柱行業(yè)。1999年底全國(guó)范圍內(nèi)建

12、成了“八橫八縱”的光纜網(wǎng)。武漢、廣東和長(zhǎng)春等地提出了建設(shè)中國(guó)光谷的規(guī)劃。 本世紀(jì)是光的年代，因此深入研究光電技術(shù)并應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)與國(guó)防事業(yè)之中，勢(shì)在必行。1.3 論文研究目的和內(nèi)容本論文通過(guò)對(duì)常用光電檢測(cè)傳感器性能測(cè)試演示實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研究進(jìn)一步展開(kāi)了對(duì)常規(guī)光電檢測(cè)器件的研究。論文研究目的在于掌握各種光電器件的特性及使用方法，了解現(xiàn)代智能化器件在光電信息處理中的應(yīng)用。從而進(jìn)一步掌握基于實(shí)驗(yàn)臺(tái)的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試以及軟件的編程。培養(yǎng)在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并排除故障的能力。論文的內(nèi)容主要是由于光電置入式智能密碼鎖使用了光敏電阻，光電開(kāi)關(guān)，紅外對(duì)管等光電傳感器，利用其對(duì)光的敏感特性，實(shí)現(xiàn)光電信息置入。同時(shí)利

13、用性能卓越的新型的單片機(jī)mega8的中斷源進(jìn)行有效的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)密碼的置入。 第二章 光電檢測(cè)器件2.1 半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件光電信息轉(zhuǎn)換是光電信息技術(shù)的核心內(nèi)容，正是由于各類光電信息轉(zhuǎn)換器件的發(fā)明和性能的不斷改善，才導(dǎo)致了現(xiàn)代光電信息技術(shù)的迅猛發(fā)展。 光電信息轉(zhuǎn)換原理，主要有以下四種： 1外光電效應(yīng)。在入射光能量作用下，某些物體內(nèi)的電子逸出物體表面，向外發(fā)射電子，用此原理制成的光電信息轉(zhuǎn)換器件有光電倍增管、真空光電管、充氣光電管等。 2光電導(dǎo)效應(yīng)。在入射光線的作用下，半導(dǎo)體材料中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子的激發(fā)，將由價(jià)帶越過(guò)禁帶躍遷到導(dǎo)帶，從而使導(dǎo)帶中電子濃度加大，材料的電阻率減小。

14、基于這種原理的光電信息轉(zhuǎn)換器件有光敏電阻等。 3光伏效應(yīng)。在入射光能量作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)。以PN結(jié)為例，由于光線照射PN結(jié)而產(chǎn)生的電子和空穴，在內(nèi)電場(chǎng)作用下分別移向N和P區(qū)，從而對(duì)外形成光生電動(dòng)勢(shì)?；谠撔?yīng)制成的光電信息轉(zhuǎn)換器件有光電池、光敏二極管、光敏三極管等。 4光電熱效應(yīng)。光照引起材料溫度發(fā)生變化而產(chǎn)生電流，如熱釋電、蹄鎘汞(CMT)等，這類器件稱為熱電探測(cè)器。一、 光敏電阻光敏電阻利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成。當(dāng)入射光子使電子由價(jià)帶躍升到導(dǎo)帶時(shí)，導(dǎo)帶中的電阻和價(jià)帶中的空穴二者均參與導(dǎo)電，因此電阻顯著減小，稱為光敏電阻。這種本征光電導(dǎo)效應(yīng)可用來(lái)檢測(cè)可見(jiàn)光和近紅外輻射。如果入射光子

15、從雜質(zhì)能級(jí)躍升到導(dǎo)帶(非本征光電導(dǎo))，那么N型材料的電導(dǎo)率增大。與此相似的，當(dāng)光子能量使電子由價(jià)帶躍升到P型主能級(jí)，從而使價(jià)帶中留有可移動(dòng)的交穴時(shí)，P型材料就會(huì)出現(xiàn)非本征光電導(dǎo)。光敏電阻與其它半導(dǎo)體光電器件相比有以下特點(diǎn)： 1光譜響應(yīng)相當(dāng)寬。根據(jù)不同的光電導(dǎo)材料，光敏電阻的靈敏域可在紫外光區(qū)，可見(jiàn)光區(qū)，也可在紅外區(qū)和遠(yuǎn)紅外區(qū)。 2所測(cè)的光強(qiáng)范圍寬，即可對(duì)強(qiáng)光響應(yīng)，也可對(duì)弱光響應(yīng)。 3無(wú)極性之分，使用方便，成本低，壽命長(zhǎng)。 4靈敏度高工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安。 光敏電阻的原理是半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)，只有能量（h）大于材料禁帶寬度（Eg）的光子，才能使材料產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)。每一種半導(dǎo)體或絕緣體都有一定的

16、光電導(dǎo)效應(yīng)，但只有其中一部分材料經(jīng)過(guò)特殊處理，摻進(jìn)適當(dāng)雜質(zhì)，才有明顯的光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻的結(jié)構(gòu)是在一塊光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃、云母、高頻瓷或其它絕緣材料基板上，兩端接有電極引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。光敏面作成蛇形，電極作成梳狀是因?yàn)檫@樣既可以保證有較大的受光表面，也可以減小電極之間距離，從而既可減小極間電子渡越時(shí)間，也有利于提高靈敏度。圖2-1 光敏電阻結(jié)構(gòu)圖1光敏電阻的特性（1）光電導(dǎo)靈敏度 按靈敏度定義（響應(yīng)量與輸入量之比），可得 ()：光電導(dǎo)，單位為西門(mén)子S（）。：照度，單位為勒克斯（lx）。單位為西門(mén)子/勒克斯（）或。（2）.光電特性光電流與照度的關(guān)系稱為光

17、電特性。光敏電阻光電特性如下： ()：光電流：照度：電壓指數(shù)：光電導(dǎo)靈敏度:光敏電阻兩端所加的電壓與材料和入射光強(qiáng)弱有關(guān)，對(duì)于硫化鎘光電導(dǎo)體，在弱光照下1，在強(qiáng)光照下0.5，一般0.51。與光電導(dǎo)體和電極材料之間的接觸有關(guān)，歐姆接觸時(shí)1，非歐姆接觸時(shí)=1.11.2。圖2.2 硫化鎘光敏電阻的光電特性曲線    由圖可見(jiàn)，硫化鎘光敏電阻在弱光照下，與具有良好的線性關(guān)系，在強(qiáng)光照下則為非線性關(guān)系，其它光敏電阻也有類似的性質(zhì)。如果電壓指數(shù)1，在弱光照下有()（3）光譜特性    光譜特性多用相對(duì)靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線表示。從這種曲線中可以直

18、接看出靈敏范圍、峰值波長(zhǎng)位置和各波長(zhǎng)下靈敏度的相對(duì)關(guān)系。圖2.3 在可見(jiàn)光區(qū)靈敏的幾種光敏電阻的光譜特性曲線 1-硫化鎘單晶  2-硫化鎘多晶  3-硒化鎘多晶4-硫化鎘與硒化鎘混合多晶圖2.4 在紅外區(qū)靈敏的幾種光敏電阻的光譜特性曲線由圖可見(jiàn)，硫化鎘單晶、硫化鎘與硒化鎘混合多晶，硫化鎘多晶、硒化鎘多晶等幾種光敏電阻的光譜特性曲線覆蓋了整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)，峰值波長(zhǎng)在515600um之間。（4）溫度特性光敏電阻的溫度特性很復(fù)雜，在一定的照度下，亮電阻的溫度系數(shù)有正有負(fù)，()、分別為與溫度、相對(duì)應(yīng)的亮電阻。溫度對(duì)光譜響應(yīng)也有影響。一般說(shuō)，光譜特性主要決定于材料，材料的禁帶寬度越窄則對(duì)

19、長(zhǎng)波越敏感，但禁帶很窄時(shí)，半導(dǎo)體中熱激發(fā)也會(huì)使自由載流子濃度增加，使復(fù)合加快，靈敏度降低。因此，采取冷卻靈敏面的辦法來(lái)提高靈敏度往往是很有效的。圖2.5 硫化鉛光敏電阻在冷卻情況下相對(duì)光譜靈敏度的變化（5）頻率特性。    光敏電阻是依靠非平衡載流子效應(yīng)工作的，非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合都有一個(gè)時(shí)間過(guò)程，這個(gè)時(shí)間過(guò)程在一定程度上影響了光敏電阻對(duì)變化光照的響應(yīng)。光敏電阻采用交變光照時(shí)，其輸出將隨入射光頻率的增加而減小。圖2.6 幾種光敏電阻的頻率特性曲線1-硒  2-硫化鎘  3-硫化鉈  4-硫化鉛（6）伏安特性在一定的光照下，加到光敏

20、電阻兩端的電壓與流過(guò)光敏電阻的亮電流之間的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性，常用曲線表示。 圖中的虛線為額定功耗線。使用光敏電阻時(shí)，應(yīng)不使電阻的實(shí)際功耗超過(guò)額定值。從圖上來(lái)說(shuō)，就是不能使靜態(tài)工作點(diǎn)居于虛線以內(nèi)的區(qū)域。按這一要求，在設(shè)計(jì)負(fù)載電阻時(shí)，應(yīng)不使負(fù)載線與額定功耗線相交。圖2.7 光敏電阻的伏安特性曲線2光敏電阻的使用光敏電阻的重要特點(diǎn)是，光譜響應(yīng)范圍寬，測(cè)光范圍寬，靈敏度高，無(wú)極性之分。但由于材料不同，在性能上差別較大。使用中應(yīng)注意：    1）當(dāng)用于模擬量測(cè)量時(shí)，因光照指數(shù)與光照強(qiáng)弱有關(guān)，只有在弱光照下光電流與入射輻射通量成線性關(guān)系。  &#

21、160; 2）用于光度量測(cè)試儀器時(shí)，必須對(duì)光譜特性曲線進(jìn)行修正，保證其與人眼的光譜光視效率曲線符合。    3）光敏電阻的光譜特性與溫度有關(guān)，溫度低時(shí)，靈敏范圍和峰值波長(zhǎng)都向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，可采取冷卻靈敏面的辦法來(lái)提高光敏電阻在長(zhǎng)波區(qū)的靈敏度。    4）光敏電阻的溫度特性很復(fù)雜，電阻溫度系數(shù)有正有負(fù)，一般說(shuō)，光敏電阻不適于在高溫下使用，溫度高時(shí)輸出將明顯減小，甚至無(wú)輸出。    5）光敏電阻頻帶寬度都比較窄，在室溫下只有少數(shù)品種能超過(guò)1000Hz，而且光電增益與帶寬之積為一常量，如要求帶寬較寬，必須以犧牲

22、靈敏度為代價(jià)。6）設(shè)計(jì)負(fù)載電阻時(shí)，應(yīng)考慮到光敏電阻的額定功耗，負(fù)載電阻值不能很小。2.2半導(dǎo)體結(jié)型光電器件（光伏器件）利用半導(dǎo)體PN結(jié)光伏效應(yīng)制成的器件稱為光伏器件，也稱結(jié)型光電器件。這類器件品種很多，其中包括各種光電池、光電二極管、光電晶體管、光電場(chǎng)效應(yīng)管、PIN管、雪崩光電二極管、光可控硅、陣列式光電器件、象限式光電器件、位置敏感探測(cè)器（PSD）、光電耦合器件等。一、半導(dǎo)體發(fā)光二極管 發(fā)光是一種能量轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。當(dāng)系統(tǒng)受到外界激發(fā)后，從穩(wěn)定的低能態(tài)躍遷到不穩(wěn)定的高能態(tài)，在系統(tǒng)由不穩(wěn)定的高能態(tài)重新回到穩(wěn)定的低能態(tài)時(shí)，如果其多余的能量以光的形式輻射出來(lái)，就產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。半導(dǎo)體發(fā)光二極管利用注入p-

23、n結(jié)的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合發(fā)光，是一種直接把電能轉(zhuǎn)換成光能的固體發(fā)光器件。1半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)和原理發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)，是利用正向偏置PN結(jié)中電子與空穴的輻射復(fù)合發(fā)光的，是自發(fā)輻射發(fā)光，不需要較高的注入電流產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，也不需要光學(xué)諧振腔，發(fā)射的是非相干光。圖2.8 LED結(jié)構(gòu)圖發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過(guò)渡層，稱PN結(jié)。在半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以

24、注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。 當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽(yáng)極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。2LED光源的特點(diǎn) (1)LED輻射光為非相干光，光譜較寬，發(fā)散角大。 (2)LED的發(fā)光顏色非常豐富，通過(guò)選用不同的材料，可以實(shí)現(xiàn)各種發(fā)光顏色。如采用GaP：ZnO或GaAaP材料的紅色LED，GaAaP材料的橙色、黃色LED，以及GaN藍(lán)色LED等。而且通過(guò)紅、綠、藍(lán)三原色的組合，可以實(shí)現(xiàn)全色化。 (3)LED的輝度高。隨著各種顏色LED輝度的迅速提高，即使在日光

25、下，由LED發(fā)出的光也能視認(rèn)。正是基于這一優(yōu)勢(shì)，在室外用信息板、廣告牌、道路通行狀況告示牌等方面的應(yīng)用正迅速擴(kuò)大。 (4)LED的單元體積小。在其他顯示器件不能使用的極小的范圍內(nèi)也可使用，再加上低電壓、低電流驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，作為電子儀器設(shè)備、家用電器的指示燈、信號(hào)燈的使用范圍還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。 (5)壽命長(zhǎng)，基本上不需要維修。可作為地板、馬路、廣場(chǎng)地面的信號(hào)光源，是一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。3發(fā)光二極管的主要特性（1）伏安特性圖2.9發(fā)光二極管伏安特性曲線通過(guò)發(fā)光二極管的電流與加到二極管兩端電壓之間的關(guān)系，稱為發(fā)光二極管的伏安特性。圖中，UT為開(kāi)啟電壓。UUT時(shí)，二極管導(dǎo)通發(fā)光。UUT時(shí)，二極管截止不發(fā)光。

26、UT的大小與材料、工藝等因素有關(guān)。一般GaAs管的UT約為1.3V；GaP管的UT約為2V；GaAsP管的UT約為1.6V；GaAlAs管的UT約為1.55V。（2）發(fā)光亮度發(fā)光二極管的發(fā)光亮度，基本上是正比于電流密度的，一般管的發(fā)光亮度都與電流密度成正比例，亮度正比于電流密度這種性質(zhì)，對(duì)于采用脈沖驅(qū)動(dòng)的方式是很有利的，它可以在平均電流與直流電流相等的情況下，獲得很高的亮度。（3）溫度特性圖2.10 發(fā)光電流與溫度的關(guān)系曲線溫度對(duì)PN結(jié)的復(fù)合發(fā)光是有影響的，在偏置電壓不變的情況下，結(jié)溫升高到一定程度后，電流將變小，發(fā)光亮度減弱，電流與溫度的關(guān)系大致如上圖所示。 （4）時(shí)間響應(yīng) 這里說(shuō)的時(shí)間響應(yīng)

27、，是指發(fā)光二極管啟亮與熄滅時(shí)的時(shí)間延遲。發(fā)光二極管的響應(yīng)時(shí)間很短，一般只有幾納秒至幾十納秒。當(dāng)利用脈沖電流去驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管時(shí)，應(yīng)考慮到脈沖寬度、空度比與響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系。  （5）壽命發(fā)光二極管的壽命都很長(zhǎng)，在電流密度j1的情況下，可達(dá)以上。不過(guò)，電流密度對(duì)二極管的壽命是有影響的，電流密度大時(shí)，發(fā)光亮度高，壽命就會(huì)很快縮短。二、光電耦合器1光電耦合器的原理光電耦合器是一種把電子信號(hào)轉(zhuǎn)換成為光學(xué)信號(hào)，然后又回復(fù)電子信號(hào)的半導(dǎo)體器件。當(dāng)電流移向電耦合器的輸入面（如下圖），光學(xué)信號(hào)由發(fā)光二極管輸出 。輸出面的光學(xué)感應(yīng)器察覺(jué)之，同時(shí)電流移動(dòng)。 圖2.11 電耦合器的操作原理圖2.12 電耦合器

28、2光電耦合器的應(yīng)用1）、光電耦合器用于電平轉(zhuǎn)換。2）、光電耦合器用于邏輯門(mén)電路。3）、光電耦合器起隔離作用。 由于光電耦合的抗干擾性比晶體管好，因此，用光電耦合器組成的邏輯電路要比晶體管可靠得多。三、光電開(kāi)關(guān)1、工作原理光電開(kāi)關(guān)（光電傳感器）是光電接近開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)稱，它是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測(cè)物體有無(wú)的。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測(cè)。光電開(kāi)關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無(wú)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)。多數(shù)光電開(kāi)關(guān)選用的是波長(zhǎng)接近可見(jiàn)光的紅外線光波型。2、光電開(kāi)關(guān)的分類紅外線屬于一種電磁射線，其特性等同于無(wú)線電

29、或X射線。人眼可見(jiàn)的光波是380nm-780nm，發(fā)射波長(zhǎng)為780nm-1mm的長(zhǎng)射線稱為紅外線，浙江省洞頭縣光電開(kāi)關(guān)廠生產(chǎn)的紅外線光電開(kāi)關(guān)優(yōu)先使用的是接近可見(jiàn)光波長(zhǎng)的近紅外線。紅外線光電開(kāi)關(guān)（光電傳感器）屬于光電接近開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)稱，它是利用被檢測(cè)物體對(duì)紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測(cè)物體的有無(wú)，其物體不限于金屬，對(duì)所有能反射光線的物體均可檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)方式的不同，紅外線光電開(kāi)關(guān)可分為：（1）漫反射式光電開(kāi)關(guān)漫反射光電開(kāi)關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)時(shí)，將光電開(kāi)關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)信號(hào)。當(dāng)被檢測(cè)物體的表面光亮或其反光

30、率極高時(shí)，漫反射式的光電開(kāi)關(guān)是首選的檢測(cè)模式。  圖2.13 反射光電開(kāi)關(guān)原理圖圖2.14 引起理想漫反射的光度分布圖2.15局部較強(qiáng)漫反射時(shí)的光度分布（2）鏡反射式光電開(kāi)關(guān) 鏡反射式光電開(kāi)關(guān)亦是集發(fā)射器與接收器于一體，光電開(kāi)關(guān)發(fā)射器發(fā)出光線經(jīng)過(guò)反射鏡，反射回接收器，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)且完全阻斷光線時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了檢測(cè)開(kāi)關(guān)信號(hào)。圖2.16鏡反射式光電開(kāi)關(guān)原理圖（3）對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)包含在結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對(duì)放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進(jìn)入接收器。當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)物體是不透明時(shí)，對(duì)射式光電開(kāi)

31、關(guān)是最可靠的檢測(cè)模式。圖2.17對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)原理圖（4）槽式光電開(kāi)關(guān) 槽式光電開(kāi)關(guān)通常是標(biāo)準(zhǔn)的U字型結(jié)構(gòu)，其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)U型槽且阻斷光軸時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了檢測(cè)到的開(kāi)關(guān)量信號(hào)。槽式光電開(kāi)關(guān)比較安全可靠的適合檢測(cè)高速變化，分辨透明與半透明物體。第三章 新型單片機(jī)ATmega83.1 綜述ATmega8是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega8 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和32 個(gè)

32、通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。ATmega8 有如下特點(diǎn):8K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash( 具有同時(shí)讀寫(xiě)的能力，即RWW)，512 字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié)SRAM，32 個(gè)通用I/O 口線，32 個(gè)通用工作寄存器，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器(T/C)， 片內(nèi)/ 外中斷，可編程串行USART，面向字節(jié)的兩線串行接口， 10 位6 路(8 路為T(mén)QFP 與MLF 封裝)ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可

33、編程看門(mén)狗定時(shí)器，一個(gè)SPI 串行端口，以及五種可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的省電模式。工作于空閑模式時(shí)CPU 停止工作，而SRAM、T/C、SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時(shí)晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，允許用戶保持一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)； ADC 噪聲抑制模式時(shí)終止CPU 和除了異步定時(shí)器與ADC 以外所有I/O 模塊的工作，以降低ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)的開(kāi)關(guān)噪聲.本芯片是以Atmel 高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi)ISP Flash 允許程序存儲(chǔ)器通過(guò)ISP 串行接口，或者通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過(guò)運(yùn)

34、行于AVR 內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用Flash存儲(chǔ)區(qū)。在更新應(yīng)用Flash存儲(chǔ)區(qū)時(shí)引導(dǎo)Flash區(qū)(Boot Flash Memory)的程序繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了RWW 操作。通過(guò)將8 位RISC CPU聲明本數(shù)據(jù)手冊(cè)的典型值來(lái)源于對(duì)器件的仿真，以及其他基于相同產(chǎn)生工藝的AVR 微控制器。3.2 軟件調(diào)試一、開(kāi)發(fā)軟件AVR STUDIO(AVR集成開(kāi)發(fā)軟件)，ATMEL開(kāi)發(fā)的AVR STUDIO軟件是一個(gè)用于開(kāi)發(fā)AVR系列單片機(jī)的集成環(huán)境。該軟件有以下功能：匯編程序匯編器、模擬仿真功能、實(shí)時(shí)仿真功能（需仿真機(jī)配合）、AVR Prog串行編程、STK5

35、00/AVRISP/JTAG ICE編程等功能。AVR STUDIO支持ATMREL全系列仿真機(jī)。C語(yǔ)言目前已成為設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言，它既是不同高級(jí)語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)化編程、可讀性好、維護(hù)方便的特點(diǎn)，又具有匯編等低級(jí)語(yǔ)言對(duì)硬件訪問(wèn)的方便、代碼效率高的特點(diǎn)，因此十分適合于嵌入式系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。ICCAVR是美國(guó)ImegaCraft公司推出的一種C編程器，主要用于開(kāi)發(fā)ATMEL公司的AVR系列單片機(jī)。ICCAVR是一種用ANSI標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)微控制器的一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，其集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)除了集成項(xiàng)目管理、程序編輯、程序編譯、錯(cuò)誤提示等常用的功能以外，還包括了瀏覽、應(yīng)用程序向?qū)АSP下載工具和

36、AVR資源配置計(jì)算器等方便使用的工具。二、熔絲位配置ATmega8有兩個(gè)字節(jié)的熔絲位：熔絲位高字節(jié)（FHB）和熔絲位低字節(jié)（FLB），下表給出了它們的名稱、作用和出廠設(shè)定值熔絲位未編程的狀態(tài)為“1”，被編成后的狀態(tài)為“0”。下表中，熔絲位SPINE不能通過(guò)串行方式編程；熔絲位CKPOT的作用與CKSEL有關(guān)。熔絲BOOTSZ1.0的默認(rèn)值定義的引導(dǎo)加載區(qū)為最大值1024。表3-1熔絲位高字節(jié)熔絲位名稱位用途默認(rèn)值RSEDISBL7設(shè)定引腳PC6為I/O或RESET1(PC6為RESET引角)WDTON6WDT總為有效1（由WDTCR位設(shè)定WDT是否有效）SPINE5允許串行編程和程序下載0（允

37、許SPI編程）CKOPT4晶振選項(xiàng)1EESAVE3芯片擦除時(shí)保護(hù)1無(wú)保護(hù)BOOTSZ12設(shè)定引導(dǎo)加載區(qū)大小0BOOTSZ01設(shè)定引導(dǎo)加載區(qū)大小0BOOTRST0設(shè)置復(fù)位向量1表3-2熔絲位低字節(jié)熔絲位名稱位用途默認(rèn)值BODLEVEL7BOD觸發(fā)電平1BODEN6BOD允許1SUTI5設(shè)置復(fù)位啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間1SUT04設(shè)置復(fù)位啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間0SKSEL33選擇時(shí)鐘源0SKSEL22選擇時(shí)鐘源0SKSEL11選擇時(shí)鐘源0SKSEL00選擇時(shí)鐘源1熔絲的默認(rèn)值定義了最大的復(fù)位啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間；熔絲CKSEL3.0的默認(rèn)值定義是用芯片內(nèi)部的RC振蕩源（1MHz）為系統(tǒng)時(shí)鐘源。當(dāng)加密鎖定熔絲位LB1被編成后，其

38、他所有的熔絲位被鎖定，因此，應(yīng)在編程LB1前改變其他熔絲位的狀態(tài)在引腳RESET接地時(shí)，F(xiàn)LASH程序存儲(chǔ)器、EPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、熔絲位和加密鎖定為都可以通過(guò)串行SPI總線來(lái)編程。該串行接口包括引腳SCK（串行時(shí)鐘）、MOSI（輸入）、MISO（輸出）。當(dāng)RESET引腳為電平后，應(yīng)先執(zhí)行串行編程允許指令，再執(zhí)行編程/擦除操作。下圖為串行編程接線圖，如果已經(jīng)設(shè)置使用芯片內(nèi)部RC振蕩器，XTAL1可以不用。圖3.1 串行編程接線圖當(dāng)僅需要編程EPROM時(shí)，由于內(nèi)部定時(shí)的編程操作中已經(jīng)包含了對(duì)EPROM的自動(dòng)擦除周期，因此無(wú)需先執(zhí)行芯片擦除指令。芯片擦除指令是把程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的每一單元都變成0X

39、FF。根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘源的不同，串行編程時(shí)鐘SCK必須同系統(tǒng)時(shí)鐘相配合，SCK的低電平和高電平的最小時(shí)間定義如下：LOW:大于2個(gè)MCU時(shí)鐘周期(fck<12MHz);大于3個(gè)MCU時(shí)鐘周期(fck<12MHz)。HIGH:大于2個(gè)MCU時(shí)鐘周期(fck<12MHz);大于3個(gè)MCU時(shí)鐘周期(fck<12MHz)。在串行編程中，輸入的串行數(shù)據(jù)由SCK的上升沿輸入，輸出的串行數(shù)據(jù)由SCK的下降沿輸出。(1)上電過(guò)程:在Vcc和GND之間上電，同時(shí)將RESET和SCK設(shè)置為“ 0” 。(2)等待至少20ms，有MOSI引腳送入允許串行編程指令，是芯片進(jìn)入串行編程狀態(tài)。(3)命令

40、的輸入必須與SCK時(shí)鐘同步，否則命令是不能被執(zhí)行的。如果時(shí)序正確，在輸入允許串行編程的第3個(gè)字節(jié)時(shí)，芯片將送出該命令的第2個(gè)字節(jié)。當(dāng)命令4個(gè)字節(jié)全部輸入后，如果沒(méi)有收到芯片回送的0x53，控制RESET輸入一個(gè)正脈沖，然后再次輸入允許串行編程命令。(4)需要時(shí)先輸入芯片擦除程序，等待9ms在進(jìn)行下一編程的過(guò)程，確保芯片擦除操作的完成。(5)FLASH是按頁(yè)編程的，及一次寫(xiě)操作將對(duì)一個(gè)頁(yè)編程。寫(xiě)入的數(shù)據(jù)應(yīng)先裝入臨時(shí)緩沖頁(yè)，寫(xiě)入地址為頁(yè)內(nèi)自尋址地址，寬度為5位。對(duì)相同的一個(gè)字地址，應(yīng)先裝入字的低位字節(jié)，再裝入字的高位字節(jié)。緩沖頁(yè)填充完成后，使用寫(xiě)FLASH命令將緩沖頁(yè)內(nèi)容寫(xiě)入程序存儲(chǔ)器中，該命令中

41、的7位地址為頁(yè)尋址地址。如果不采用輪循方式寫(xiě)存儲(chǔ)器，則要等待4。5ms在進(jìn)行下一頁(yè)的寫(xiě)操作過(guò)程，以保證當(dāng)前頁(yè)寫(xiě)造作正常進(jìn)行。在當(dāng)前頁(yè)寫(xiě)操作時(shí)，不能進(jìn)行其他的寫(xiě)操作。(6)EPROM是按字節(jié)編程的，及一次寫(xiě)操作可以直接編程一個(gè)字節(jié)，因此命令中要同時(shí)給出尋址地址和數(shù)據(jù)。在寫(xiě)EPROM的操作中，先自動(dòng)對(duì)指定字節(jié)進(jìn)行擦除，在寫(xiě)入數(shù)據(jù)。如果不采用輪循方式寫(xiě)存儲(chǔ)器，則要等待9ms在進(jìn)行下一字節(jié)的寫(xiě)操作過(guò)程，以保證當(dāng)前字節(jié)寫(xiě)操作正常進(jìn)行。(7)任何存儲(chǔ)空間的存儲(chǔ)單元內(nèi)容都可以通過(guò)讀命令讀出校驗(yàn)。讀命令得出的指定地址的數(shù)據(jù)從串行輸出引腳MISO輸出。(8)在編程結(jié)束后，RESER引腳可以設(shè)置為高電平，是芯片開(kāi)

42、始正常執(zhí)行寫(xiě)入的程序。(9)掉電過(guò)程。如果芯片編程完畢需要取消電源時(shí)，應(yīng)設(shè)置RESER為“1”，然后斷開(kāi)Vcc。3使用輪循方式寫(xiě)FLASH在一個(gè)寫(xiě)FLASH頁(yè)期間，可以讀取該頁(yè)中任何一個(gè)地址的內(nèi)容。如該地址還未被編程，則讀出值為0xFF；如已被編程，則讀出的是寫(xiě)入數(shù)據(jù)。因此，可以使用查詢的方法，確定是否前也已經(jīng)編程完畢，可以開(kāi)始新的頁(yè)的編程操作。注意，如果寫(xiě)入的值為0xFF時(shí)，該值是不能用于輪循判斷的，此時(shí)必須等待4.5ms，再開(kāi)始寫(xiě)新的頁(yè)。4使用輪循方式寫(xiě)EPROM再寫(xiě)一個(gè)自己到EPROM 間，可以讀取該字節(jié)的內(nèi)容，如該地址還未被編程，則讀出值為0xFF ；如已被編程，則讀出的是寫(xiě)入數(shù)據(jù)。因

43、此，可以使用查詢的方法，確定是否當(dāng)前字節(jié)已經(jīng)編程完畢，可以開(kāi)始下一個(gè)字節(jié)的編程操作。注意，如果寫(xiě)入的值為0xFF 時(shí)，該值是不能用于輪循判斷的，此時(shí)必須等待9ms，再開(kāi)寫(xiě)下一字節(jié)。第四章常用光電檢測(cè)傳感器性能測(cè)試演示實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研究光電置入密碼鎖的設(shè)計(jì)一、模塊化的總體設(shè)計(jì)當(dāng)明確軟件設(shè)計(jì)的總?cè)蝿?wù)之后，即可進(jìn)入軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此時(shí)，一般采用自頂向下的方法，即把任務(wù)從上到下逐步細(xì)分，一直分到可以具體處理的基本單元為止。如果這個(gè)基本單元程序定義明確，可以獨(dú)立地進(jìn)行設(shè)計(jì)，調(diào)試，糾錯(cuò)而且可以移植時(shí)，它就稱之為模塊。模塊化的總體結(jié)構(gòu)具有概念清楚，組合靈活和易于調(diào)試及連接等優(yōu)點(diǎn)。模塊的劃分有很大的靈活性，但也不

44、能隨意劃分，劃分時(shí)應(yīng)遵循以下原則：1每個(gè)模塊應(yīng)具有獨(dú)立的功能，能產(chǎn)生明確的結(jié)果；2模塊間的控制耦合應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，模塊之間的數(shù)據(jù)耦合應(yīng)盡量少；3模塊長(zhǎng)度適中，模塊語(yǔ)句的長(zhǎng)度通常在20-100的范圍較合適。二、結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)1、“自頂向下的設(shè)計(jì)方法” 按照這種“自頂向下”的方法，不管儀器或檢測(cè)系統(tǒng)的功能怎樣復(fù)雜，分析設(shè)計(jì)工作都能有計(jì)劃有步驟的進(jìn)行。其中自頂向下的軟件設(shè)計(jì)方法要領(lǐng)是：對(duì)于沒(méi)一個(gè)程序模塊，應(yīng)明確規(guī)定其輸入、輸出和模塊的功能；一旦認(rèn)定一部分問(wèn)題能夠歸入一個(gè)模塊之內(nèi)，就不要再進(jìn)一步設(shè)想如何來(lái)實(shí)現(xiàn)它，即不要糾纏細(xì)枝末節(jié)；于傳遞模塊間信息數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)，與過(guò)程或算法的設(shè)計(jì)同樣重要。2、模塊化編程 為了程序便于編寫(xiě)、調(diào)試和排除錯(cuò)誤，也為了便于檢驗(yàn)和維護(hù)，總是設(shè)法把程序編寫(xiě)成一個(gè)結(jié)構(gòu)完整、相對(duì)獨(dú)立的程序段，這就是所謂的一個(gè)程序模塊。編程設(shè)計(jì)時(shí)考慮下列原則：適當(dāng)劃分模塊；模塊功能獨(dú)立；模塊單入口，單出口；對(duì)每一個(gè)模塊作出具體定義，包括解決某問(wèn)題的算法、允許的輸入輸出值范圍以及副作用；在模塊中只有順序、循環(huán)、分支三種基本結(jié)構(gòu)；盡可能采用符號(hào)化參數(shù)，分離I/O功能和數(shù)值處理功能，減少共同存儲(chǔ)單元等。3三種基本結(jié)構(gòu)程序結(jié)構(gòu)順序結(jié)構(gòu)分支結(jié)構(gòu)循環(huán)結(jié)構(gòu)常見(jiàn)硬件故障分析1邏輯錯(cuò)誤：樣