光电探测器设计

中北大学

《光电探测理论与技术》

作业

学院：信息与通信工程学院

方向：动态测试与智能仪器

导师：靳鸿

姓名：李俊萍

学号： s2*******

班级： Y110503

成绩：

学习心得

通过本学期《光电探测理论与技术》课程的学习，使我了解了光电测试系统由光源、光学变换器件、光电转换器件、信号调理电路等模块构成，光电测试术具有精度高、测量范围广、非接触式测量等特点及优点。

本次作业的题目是红外线光电烟雾探测系统设计，我通过查阅相关文献资料，对光电探测电路进行了一定程度的总结。我参考了浦昭光（文献[1]）、曾光宇，张志伟，张存林的《光电检测技术》（文献[2]）、郝晓剑，李仰军的《光电探测技术与应用》（文献[3]）、张国立（文献[4]）、沈建华（文献[5]）、张丽英（文献[6]）等六篇文献资料，学习了光电探测电路的组成，光电转换器件的光电效应（包括外光电效应、内光电效应），了解了光电二极管的结构、特点、使用方法等。

通过本学期的课程学习，以及课程作业的完成，让我对光电探测理论与技术这门课程有了一定的了解，当然是比较浅显的。

谢谢尊敬的周老师！

学生：李俊萍（s2*******）

2011-8-28

红外线光电烟雾探测系统设计

中北大学信息与通信工程学院 S2*******李俊萍

摘要：光电技术目前已经全面渗透到人类社会生活的各个方面，部分改变着人们的行为模式和生活方式。光电系统在日常生活中有许多应用，在现代化的公共场所和管理部门如收费站、监控中心、隧道以及在其它军用和民用设施中，火灾自动报警系统己成为必不可少的设施。光电感烟探测器具有精度高，寿命长，成本低，生产、安装简单等优点，是火灾探测的主流产品。本文设计了一种红外线光电烟雾探测报警器，首先分析了目前市场上的情况，依据其工作原理对光电系统各个部分进行芯片选择及设计，选用MSP430超低功耗系列单片机作为探测器的微处理器，充分利用单片机的片上资源，设计了AD转换电路，缩小了体积，降低了功耗，提高了系统性能。通过采用功耗低、速度快、低成本的运算放大器LM358，硬件与软件的设计满足了系统的低功耗要求，实现了光电烟雾探测器的基本功能，且功耗低，性能稳定，实用性强。

关键词：光电烟雾探测器；MSP430；低功耗；运算放大器

0 引言

近年来，全球每年发生火灾600～700万起，为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全，在现代化的公路交通运营现场和管理部门以及许多场合比如收费站、宾馆、图书馆、机场、仓库等方面，火灾自动探测报警装置成为必不可少的设施。对保障人民生命财产安全，保障社会安定，保障交通事业和其它国民经济各部门的安全运营有着重要的意义。

设计火灾自动探测报警装置时的方案选择主要有：感温探测器、感光探测器和感烟探测器，感温探测器是感受到温度的变化，需要离火源较近的地方，感光探测器需要有明火出现才可以发现火情，感烟探测器是感应到烟雾的出现，相比较而言以及考虑火灾的特点，火灾总是先有烟雾的出现，感烟探测器能更快的检测到灾情，在实际应用中使用较多。感烟探测器又分为离子式和光电式两类。离子型感烟探测器对烟雾的探测响应性能较为均衡，但其主要利用放射源媚241进行工作，存在环保问题，并且不适合在潮湿环境中工作，目前处于逐步淘汰中。光电式对燃烧时的烟雾有较好的响应，全部由电子元器件组成，比较环保，基于以上原因本文设计一种低功耗的光电式烟雾探测器。

1光电系统概述

光电系统是用电子学的方法对光学信息进行处理与控制的系统，它是一种用于接收来自目标反射或自身辐射的光辐射，通过变换、处理、控制等环节，获得所需要的信息或能量，并进行必要处理的光电装置。它的基本功能就是将接收到的光辐射转换为电信号，并利用它去达到某种实际应用的目的。组成光电系统的基本框图如图1所示。其核心组成单元大致包括辐射源、传输介质、光学系统、光电探测器、电子系统、输出和控制单元等。

光学系统探测器电子系统输出和控制单元

图1 光电系统组成框图

2 光电烟雾探测器的工作原理与器件选型

本文设计的烟雾探测器的工作原理如图2所示

图2 光电烟雾探测器的工作原理

主控芯片定期驱动红外发射部分发射红外线，在被测区若有烟雾则产生光的散射，红外接收二极管接收光信号后产生电流信号，经运算放大器转换为电压信号，送入主控芯片ADC模块通道进行采样转换，当判断被测区烟雾超过安全值后，主控芯片驱动高声强压电蜂鸣器发出烟雾报警声音。在工作可靠性方面，本文采用了补偿测量的方法，主控芯片定期通过ADC 模块循环采样检测烟雾，消除了器件老化、电压变化等因素引起的测量偏差，保证探测器工作稳定可靠。（1）光源的选择

基于红外线对烟雾颗粒的敏感性，及隐蔽性好不易受自然光和其他光源干扰，选择红外线作为探测光源（红外发射二极管）。

（2）光电探测器件的选择

光电探测器的理论基础为光电效应，即光电探测器是把光辐射转换成电量的器件。利用将光辐射信号转换成电信号以进行显示或控制的功能，光电探测器不仅可以代替人眼，而且由于其光谱响应范围宽，更是人眼的延伸。探测器的分类如下：

热点探测元件

非放大型eg ：真空光电管，充气光电管

外光电效应

放大型 eg ：光电倍增管，变像管，像增强器，摄 像管

光电探测元件 本征型eg ：光敏电阻

光电导探测器

掺杂型eg ：红外探测器

内光电效应 光磁电效应探测器

非放大型eg ：光电池，光电二极管 光生伏特探测器

放大型 eg ：光电三极管，光电场 效应管

气体光电探测元件

本论文使用的光电探测器件为：PIN 型红外接收二极管。红外接收二极管又叫红外光电二极管，也可称红外光敏二极管。PIN 光电二极管是上世纪50年代末期开发出来的光电子器件。它是灵敏度比一般PN 结光电二极管（PD ）要高的光检测二极管，它是针对一般PD 的不足、在结构上加以改进而得到的一种光电二极管。PIN 光电二极管克服了 PN 管结电容大的缺点，速度较快，其暗电流也较雪崩管小，由于在光通信领域有广泛应用，因此价格低，易于获得。本系统对暗电流通过补偿设计的办法进行消除，对响应速度尽管要求不高，但出于对系统速度改进空间的以及制作成本的综合考虑，使用 PIN 光电二极管作为光电探测器。其主要参数如下：①光谱范围p λ：0.4~1.1μm ；②工作波长0λ：0.9μm ；③光敏面直径Q ：4mm ；④响应度Re ：0.5A μ/W μ；⑤响应时间t ：<3ns 。PIN 光电二极管的实物图如图1所示。