光电探测器设计

中北大学

《光电探测理论与技术》

作业

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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： s

班级： Y110503

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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。

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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（s） 2011-8-28

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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 S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。

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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

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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

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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

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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