基于光电传感器的计数研究

基于红外光电传感器—简易计数器的研究 1 基于红外光电传感器—简易计数器的研究

2011年12月6日

基于红外光电传感器—简易计数器的研究

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前言

在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。 由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的应用与日俱增。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用，它是一种以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。

光随着计数器技术的不断发展与进步，计数器的种类越来越多，应用的范围越来越广，随之而来的竞争也越来越激烈。光电传感器在现在的生活中应用非常广泛。如在工厂中用于计数货物的件数，或者制作红外报警器,或者应用于智能车等等。但是现在我们来讨论红外传感器用于计数器的简单应用！

一、光电传感器工作原理（红外线光电传感器原理）

由于我们着重是研究传感器，所以对其原理做了详细的说明与重点介绍。

1.1、理论基础——光电效应

光电效应一般有外光电效应、光导效应、光生伏特效应。

光照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大时，电子会克服束缚脱离材料表面而进入外界空间，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应

根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为hv(v

为光波频率，h 为普朗克常数，h ＝6.63*10-34 J/HZ)，由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子，

电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。根据能量守恒定律：

式中，m 为电子质量,v 为电子逸出的初速度,A 微电子所做的功。 由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是h>A 。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。相应的波长为 式中，c 为光速，A 为逸出功。

1.2、光电元件及特性

根据外光电元件制造的光电元件有光电子，充气光电管和光电倍曾管。 1、光电管 光电管的种类繁多，典型的产品有真空光电管和充气光电管，光

A

-h m 21

2νν=A

hc K =

λ

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它的外形和结构如图1所示，半圆筒形金属片制成的阴极K 和位于阴极轴心的金属丝制成的阳极A 封装在抽成真空的玻壳内，当入射光照射在阴极上时，单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，从而使自由电子的能量增加h 。当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A 时，它就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电子发射。这种电子称为光电子，光电子逸出金属表面后的初始

动能为2

)21(mv

光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，如图2所示。在人射光频率大于“红

限”的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极的光子数增多，单位时间内发射的光电子数也就增多，光电流变大。在图2所示的电路中，电流和电阻只上的电压降就和光强成函数关系，从而实现光电转换。当光线照射到光电阴极K 上时，电子从阴极表面逸出，并被光电阳极的正电厂吸收，外电路产生电流I ，在负载电阻 L

R 上的电压0

U

光电管的光电特性如图3 所示，从图中可知，在光通量不太大时，光电特性基本是一条直线。

2、光电倍曾管 由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放大光电流能力的光电倍增管。图4是光电倍增管结构示意图。

从图中可以看到光电倍增管也有一个阴极K 和一个阳极A ，与光电管不同的是在它的阴极和阳极间设置了若干个二次发射电极，D1、D2、D3…它们称为第一倍增电极、第二倍增电极、…，倍增电极通常为10～15级。光电倍增管工作时，相邻电极之间保持一定电位差，其中阴极电位最低，各倍增电极电位逐级升高，阳极电位最高。当入射光照射阴极K 时，从阴极逸出的光电子被第一倍增电极D1加速，以高速轰击D1 ，引起二次电子发射，一个入射的光电子可以产生多个二次电子， D1发射出的二次电子又被D1、D2问的电场加速，射向D2并再次产生二次电子发射……，这样逐级产生的二次电子发射，使电子数量迅速增加，这些电子最后到达阳极，形成较大的阳极电流。若倍增电极有n 级，各级的倍增率为σ ，则光电倍增管的倍增率可以认为是σN ，因此，光电倍增管有极高的灵敏度。在输

图2光电管测量电路 图3光电管的光电特性 图4

光电

倍增

结构示意图

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出电流小于1mA的情况下，它的光电特性在很宽的范围内具有良好的线性关系。光电倍增管的这个特点，使它多用于微光测量。

3、光敏电阻光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料的两端装上电极引线，将其封在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻。光敏电阻的特性和参数如下：

1）暗电阻光敏电阻置于室温、全暗条件下的稳定电阻值称为暗电阻，此流过电阻的电流称为暗电流。

2)亮电阻光敏电阻置于室温和一定光照条件下测得稳定电阻值称为亮电阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。

4、伏安特性光敏电阻两端所加的电压和流过光敏电阻的电流间的关系称为伏安特性，如图5所示。从图中可知，伏安特性近似直线，但使用时应限制光敏电阻两端的电压，以免超过虚线所示的功耗区。

图5光敏电阻的伏安特性

5、光电特性光敏电阻两极间电压固定不变时，光照度与亮电流间的关系称为光电特性。光敏电阻的光电特性呈非线性，这是光敏电阻的主要缺点之一。

1.3、光电传感器

1.3.1、光电传感器结构

光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的，它的基本结构如图6，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号.光电传感器一般由光源,光学通路和光电元件三部分组成.光电检测方法具有精度高,反应快,非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛.

1.3.2、光电传感器原理

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光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号.光电传感器一般由光源,光学通路和光电元件三部分组成.光电检测方法具有精度高,反应快,非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛.

光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。

光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。

图7 传感器工作原理图

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回

1.2.3、分类和工作方式

⑴槽型光电传感器

把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负

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载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。

⑵对射型光电传感器

若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。

⑶反光板型光电开关

把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。

⑷扩散反射型光电开关

它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。

看了这么的类型，那么我们实验的是哪一种类型呢？我们用的就是槽型光电传感器。下面将其设计原理级程序一一说明。

二、设计原理

基于红外光电传感器—简易计数器的研究7 利用AT89S51单片机来制作一个手动计数器，硬件电路图如图8所示：

图8计数器硬件电路图

系统板上硬件连线

1）用单片机的P0.0－P0.7接一个共阳数码管，作为0－9计数的个位数显示。

2）把“单片机系统”区域中的P2.0－P2.2端口用排线连接到数码管位选段上。

3）把“单片机系统”区域中的P1.0端口用导线连接到红外光电传感器上。

4）把“单片机系统”区域中的P1.6端口连接到报警电路上。

三、软件设计

3.1 系统软件设计流程图

主程序先是开始，然后赋初值，本设计采用的是动态显示，所以在赋玩初值后显示程序不断被调用，并判断计数是否达到上限，如果达到则报警一次，并且进行下一次计数。

8

基于红外光电传感器—简易计数器的研究Array图9 程序流程图

3.2 系统程序

#include

#include

基于红外光电传感器—简易计数器的研究9 #define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

sbit xinhao=P1^0;

sbit baojing=P1^6 ;

sbit sw1=P1^2;

sbit sw=P1^4;

/*延时程序*/

void Delay_1ms(uint x)

{

uint i;

uchar j;

for(i = 0; i < x; i++) for(j = 0; j <= 148; j++);

}

/*显示程序*/

void Display(uchar k)

{

uchar code table[9] = {0xf9, 0xa4, 0xb0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xf8, 0x80, 0x90};

P2 = 0; //消隐

P0 = table[k % 10];

P2 = 0x01; Delay_1ms(5); //显示5ms个位

}

/*主程序*/

void main()

{ uint k=100;

while(1)

{ if (xinhao==0)

{

Display(k);

Delay_1ms(1000);

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k++;

if(k>106)

{

baojing=0;

Delay_1ms(3000);

baojing=1;

k=100;

}

else baojing=1;

}

else continue ;

}

}

四、我对光电传感器的想法

随着科学技术的发展人们对测量精度有了更高的要求，这就促使光电传感器不得不随着时代步伐而更新，改善光电传感器性能的主要手段就是应用新材料、新技术制造性能更优越的光电元件。例如今天光电传感器的雏形，是一种小的金属圆柱形设备,发射器带一个校准镜头,将光聚焦射向接收器,接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上在金属圆筒内有一个小的白炽灯作为光源的一种坚固的白炽灯传感器。由于这种传感器存在各种缺陷，逐渐在测量领域销声匿迹。到了光纤出现，因为它的各种优越的性能，于是出现了光纤与传感器配套使用的无源元件,另外光纤不受任何电磁信号的干扰,并且能使传感器的电子元件与其他电的干扰相隔离。

时代在发展，科学技术在更新，光电传感器种类也日益增多，应用领域也越来越广泛，例如近来一种红外光电传感器已在智能车方面得了到应用，其中一种基于红外传感器的智能车的核心就是反射式红外传感器，它运用反射式红外传感器设计路径检测模块和速度监测模块；另外一种基于红外传感器的自寻迹小车则利用红外传感器来采集数据．

光电传感器具有其他传感器所不能取代优越性，因此它发展前景非常好，应用也会越来越。

五、参考文献

陈照章朱湘临《光电测速传感器及其信号调理电路》2002年

董晓娇苏绍兴颜晓河．<<电子工业专用设备>>.光电传感器器及其应用.2006年刘岩川大连民族学院《单片机接口与技术》 2010年

徐科军《传感器与检测技术》第二版 2008年

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