基于单片机技术的光电检测研究

基于单片机技术的光电检测研究

摘要：随着光学技术、微电子技术、激光技术、材料技术和半导体技术的快速发展，光电技术的发展在此基础上得到了极大的推动，使得光电技术得到了人们的广泛关注和认可。特别是在军事上得到了很好的应用。比如反激光制导武器系统和激光雷达都是利用光电技术。同时，在一些特殊行业，例如在零件检测、精密制造、精密测量、光纤通信等生产技术中，对光电技术的应用有很大程度的依赖。并且由于光电技术的应用，他们的工作效率大大提高。然而，在目前的发展形势下，当前的光电技术仍然是一项相对前沿的技术。现有的一些光电产品原理非常复杂，对生产加工工艺要求非常严格，所以光电技术的成本一直比较高，普通消费水平的用户无法接受。

关键词：光电检测；单片机；脉冲信号；多路控制；

在当前经济发展形势下，光电检测技术已经广泛应用于精密制造和高技术武器行业。提出了一种基于单片机技术的激光检测方法。主要采用单片机对激光脉冲信号进行调制和控制。在此基础上，结合单片机和光电检测的相关技术，设计了一种检测电路，实现了利用激光携带信号进行多通道控制的方法和途径。

一、基本的原理

光电控制系统的基本原理是利用光电检测技术和单片机技术的结合。在该系统中，电源由单片机控制，从而形成一系列有序的功率脉冲(输入用户的基本信息)，用于控制半导体激光器，从而发射一系列携带用户信息的激光脉冲波(信号波)。在光电系统的检测下，信号波被转换成电脉冲波(此时电脉冲波信号微弱，受外界因素干扰，不能直接施加此时的信号)。然后，前置放大器电路放大电脉冲波并去除噪声，此时的信号可以通过单片机的驱动来使用、解码和鉴别。通过这些过程，单片机可以产生启动控制设备的信号。

二、单片机和光电检测

1.单片机。单片机是集成电路芯片。在使用超大规模集成电路(VLSI)技术的

基础上，将CPU、RAM、ROM等具有数据处理能力的功能集中在一个微型硅片上，

形成一个小规模但功能齐全的微型计算机系统。目前，单片机技术已经广泛应用

于工业控制和自动化控制领域。在智能仪器、通信设备、导航系统等领域。，各

种产品都会在使用单片机的基础上得到升级产品的功能。

2.光电检测。光电检测技术是一项重要的光电信息技术，主要基于激光、红

外线、光纤等器件。光电探测器对被测物体进行光照射后，接收光辐射并将其转

换成电信号，通过输入电路、放大、滤波等过程获得有效信息，再通过A/D转换

接口输入计算机运算过程，最终显示出相关的待测物理参数。光电检测技术包括

光电转换技术、光学信息采集技术、光电处理技术等。它在检测各种数据量的过

程中具有以下特点:(1)精度高。在众多测量技术中，光电检测技术是最精确的技

术之一。比如用激光干涉法检测长度，可以获得0.05um/m的精度；利用激光测

距法，地球与其他行星的距离可以精确到1m。(2)速度快。光电检测技术利用光

作为检测介质，光是一种快速运动的物质，所以利用光进行检测的速度是最快的。

(3)非接触测量。当光与被检测物体接触时，没有摩擦力，因此可以进行动态测

量过程，其非接触测量已经成为众多检测方法中最高效的一种。

三、关键的技术

1.编码技术/激光调制技术。激光调制一般是调制激光的频率或振幅。该方

法采用的技术是将编码技术与激光调制技术相结合进行综合编译。这里选用A

T89C51作为控制模块，应用广泛，具有稳定性好、性价比高等突出优点。因此，

它成为该系统中单片机的首选。具体的编码调制过程如下:首先在单片机中设置。当检测到一组二进制码时，通电40 μ s，如果为“0”，断电40μs，然后规定

当检测到这组二进制码时，循环执行。这样，这个电脉冲就形成了周期脉冲。当

用户输入的数字为1998时，其二进制代码为11111001110。然后单片机控制发出

如图1所示的脉冲信号定时控制信号。考虑到接收端也使用单片机，还有一个通

信协议。这样的话，一般都是低水平的。发射时，先发射四组10μs信号。直到

这个信号被发送，控制信号才会被发送。

图1脉冲信号时序

1.

光电检测设备的选择。目前光电检测技术中常用的一些光电检测器件有光电

倍增管、雪崩二极管、光电二极管、光电晶体管、PIN二极管、光敏电阻、光敏

电池和CCD阵列等。光电二极管是最理想的选择，其光谱响应范围可以满足该系

统的需要。它具有线性度好、施加电压小、暗电流小、体积小、最稳定、价格低、输出电流和光敏面积小等优点。因此，选择光电二极管作为该系统的光电检测装置，连接检测电器时应注意光电二极管在反向偏置状态下的正常工作。

3.检测电路的频率特性分析。当给定输入光照度时要在负载上取到最大功率

输出时,要求满足RL=Rb和g<

4.噪声处理及前置放大电路设计。光电检测电路的关键部分在于前置放大电

路的设计和噪声处理。实际光电检测电路中存在各种外部干扰和内部噪声。外部

干扰包括随机波动和额外的光调制、光传输介质的末端流动和背景波动杂散光的

入射，以及检测电路遭受的电磁干扰。这些干扰可以通过稳定辐射源、去除杂散

光和选择偏振器来解决。内部噪声主要由检测电路中的一些半导体器件引起。这

些噪声主要是热噪声的形式，可以通过电容耦合消除。因此，为了减少外部干扰，采用单片机控制半导体激光器，产生有序的激光脉冲信号，大大降低了外部干扰

对系统的影响。为了降低内部热噪声的影响并提高放大器输出端的信噪比，选择

了无噪声偏置放大器电路，如图2所示。

图2前置放大电路

应选择C2的大小，以使其电抗在最低工作效率下小于铷，从而使镭和铷产

生的热噪声可以通过C2旁路接地。这样，只有Rd产生少量噪声。为了便于计算