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最新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
1 引言
在20世纪50年代后期,随着材料技术、半导体技术、激光技术、微电子技术以及光学技术的迅速发展,从而大大地推动了光电技术的发展,使得这一技术得到人们的广泛关注。
尤其是在军事中得到了较好的应用,如激光雷达、反激光制导武器系统等都利用到了这一技术。
同时在一些特殊的工业行业中,如光纤通信、精密测量、精密制造、零件检查等,其生产技术中对光电技术都有了不同程度地应用。
并且这些行业由于用了这一高新技术而使得其效率得到大幅提高。
但是,目前的光电技术还属于前沿技术,现存的一些光电产品大多原理比较复杂,而且对生产加工技术要求较为严格,因而造价一直比较高,不能被普通用户接受。
因此,本文利用单片机结合光电技术而开发设计了这一光电控制设备。
该设备类似于红外遥控设备,与之不同的是,他传送信号的载体是激光,其传送的信号可以特殊调制。
特别是其原理简单,造价低廉也使他能够被普通用户所接受。
2 基本原理
本系统的基本原理主要是单片机技术和光电检测技术的结合,其检测原理框图如图1所示。
该系统利用单片机对电源进行控制。
单片机根据用户键入的信息自动生成一串有序电源脉冲,用这一电源脉冲来控制半导体激光器。
这样由半导体激光器发射的激光便是一串激光脉冲波,这一串激光脉冲便是载有用户信息的信号波。
当光电检测器检测到此激光信号波时,将其转化成为一串连续的电脉冲波。
但此时所得到的信号是非常微弱、不够规则的,同时由于杂散光以及外部干扰的存在,此处的电信号还混杂着一些无用的干扰信号,因此这些信号还不可以直接应用。
必须通过前置放大电路将他进行放大和除噪处理,处理过的信号便可直接驱动单片机工作,进行译码及判别处理。
通过比较判别,单片机决定执行哪一种处理,然后生成控制信号来启动控制设备。
3 关键技术
3.1 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,本方法所采用的技术是将编码技术与激光调制技术结合起来进行综合编译。
此处选取AT89C51作为控制模块,他使用广泛,具有稳定性好、性价比高等一些突出的优点,因而,他成为此系统的首选型号的单片机。
其具体的编码及调制过程如下:
首先在单片机内设定,当检测到一组二进制码时,若是“1”,便通电40μs,若是“0”时,便断电40μs,然后规定当检测完此组二进制数码时,进行循环执行。
这样,这一电脉冲便形成一周期脉冲。
当用户键入的数字为1998时,那么其二进制编码便是11111001110。
那么单片机便控制发出如图2所示的脉冲信号时序控制信号。
考虑到接收端也是用单片机,因此还有一个通信协议。
这里采用这种方法,一般情况都是低电平,当要发射时先发射4组10μs的信号。
此信号发射完才开始发射控制信号。
3.2 光电检测器件的选取
目前,光电检测技术中常用到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、光电三极管、PIN、光敏电阻、光敏电池以及CCD阵列等一些半导体器件。
选择光电检测器件可参考表1来进行比较选取。
从表1可知光电二极管是最理想的选择,他的光谱响应范围可以满足此系统的需求,他具有较好的线性特性、外加电压小、暗电流小、体积小、最稳定以及价格低等一些优点,他的输出电流小,光敏面积小,可以通过设计前置放大电路以及装光学器材来增大其受光面积。
故选择光电二极管作为此系统的光电检测器件,进行检测电器的连结时要注意光电二极管正常工作于反偏状态下,其一般的检测电路如图3所示,该电路的微变等效电路如图4所示。
3.3 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<。
此处,Cj为光电二极管结电容,Rg为内阻,Se为光电流。
RL是前置放大电路的输入电阻。
在设计中考虑到为从光电二极管中得到足够的信号功率和电压,RL和Rb不能太小。
根据其微变等效电路可得RL和Rb过大又会引起高频截止,频率下降,降低了通频带宽度。
频率的响应是光电检测电路考虑的主要因素,要满足保证所需检测灵敏度前提下获得最好的线性不失真和频率不失真。
因此可根据上述分析来设计检测电路。
3.4 噪声处理及前置放大电路的设计
在光电检测电路中其关键部分在于前置放大电路的设计以及噪声处理,实际光电检测电路中存在各种外部扰动和内部噪声。
外部扰动包括随机波动和附加的光调制,光路传输介质的端流和背景起伏杂散光的入射以及检测04电路所受到的电磁干扰等。
这些扰动可以通过稳定辐射光源、去除杂散光、选择偏振片等方法来得到解决。
而内部噪声主要是由检测电路内部的一些半导体器件而产生。
这些噪声主要是以热噪声的形式出现,可以通过电容耦合的方法来消除这些噪声。
因此,为了减少外部扰动用单片机控制半导体激光器,生成一个有序激光脉冲信号,这就大大减少了外部扰动对系统的影响。
为了减少与内部热噪声的影响,提高放大器输出端的信噪比,选用无噪声偏置放大电路,如图5所示。
选择C2大小,应使得在最低工作效率时他的电抗小于Rb,这样Ra,Rb产生的热噪声便可通过C2旁通到地。
这样只有Rd产生少部分噪声。
为了计算确定一些具体的阻容元件参数的方便,将此电路作了微变等效分析。
一般等效处理即将各种器件等效处理为相同形式的均方值(或有效值)电流源的形式。
这样便可以与其余的电路器件一起以统一方式建立等效的噪声电路。
通过计算可以得出此电路具有较高的信噪比,且能够满足此系统对信号的要求。
3.5 信号的判断处理及控制信号的生成
此部分主要是信号经过放大整形后送入单片机进行处理,并且由单片机产生一路控制信号,可实现对不同设备的同步控制。
为了检验这一技术的可行性,我们设计并开发了激光密码报警系统,通过试验其性能稳定,操作方便简捷。
证明了这一方法是非常可行的。
4 结语
此系统具有原理简单、系统稳定、价格低廉、操作简便等一些优点,使其能够为更多的用户所接受创造了条件。
若将其接收部分进行改造,装以光电轴或透镜以便增大接收面积,可以进行灵活而快速的近中程通信与控制。
其智能化程度比较高,只要改变单片机内的程序便可执行更多其他控制,有很大发展前景。
在军事方面,若将此装置用于火箭炮的车外发射,便可进行更简便、更优化、更远距离的操作,不必担心其车外发射电缆的断裂和干扰。
在民用方面,他可以用于防盗设备上,使其更具智能化和人性化,如防盗门、保险箱等。
在工业方面,他可以用于控制一些大型的成组设备,或是同一流水线上的不同操作步骤。
应用了单片机灵活的可编程特性技术,其应用范围变得更加宽广。
参考文献
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中国计量出版社,1995.
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国防科技大学出版社,2000.
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浙江大学出版社,1995.
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基于PIC16F87X单片机的火灾报警系统设计
2008-02-1919:
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总线火灾报警系统系列单片机分压电路HSCMOS管SOTXUSARTMSSP
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引言
火灾报警系统是各行各业必需的一种安全系统网络,可靠的监测与数据传输是该系统非常重要的环节。
以往的火灾报警系统经常会出现总线上的数据冲突、长距离数据传输的不可靠以及不易扩展等问题,随着近年来一些低价格、高性能单片机被广泛应用于各个电路系统,尤其是电路控制等方面,这些问题都得到了一定的改善。
本系统采用了美国微芯公司生产的运行速度快、功耗低且驱动能力强的PIC16F87X系列单片机,作为该系统电路的逻辑控制、总线侦听以及数据读取与发送单元,解决了可靠数据监测以及长距离传输所面临的问题,可以准确地远程监视火灾发生地点。
硬件设计
系统硬件电路设计
系统基本工作原理如图1所示。
传感器输出的电流信号经过电流转换电压电路变为电压信号,然后由信号放大电路将信号转化为适合模数转换器件(A/D)的输入信号,最后将数字化的采样结果送入单片机PIC16F87X,分析该数据是否已经达到了火灾效应。
若分析得到有火灾发生时,先进行总线侦听,当总线“空闲”时则单片机立即读出外部ROM事先存储好的有关室内所有的信息数据(包括报警装置的放置位置),然后发送数据并将这些重要数据送到部门远程监视系统的液晶显示器LCD上,最后输出连续脉冲信号,通过驱动电路驱动报警喇叭以提醒监视人员有火灾危险。
传感器介绍及其外围电路的设计
该系统使用的传感器为HS系列一氧化碳电化学气体传感器,以定电位电解为基本原理。
当一氧化碳扩散到气体传感器时,其输出端产生电流输出,起着将化学能转化为电能的作用。
当一氧化碳气体浓度发生变化时,气体传感器的输出电流也随之成正比变化。
传感器测定范围:
0-1000ppm
输出电流:
4010nA/ppm
工作气压:
1atm10%
将电流信号转换为电压信号是引入一个电阻R1,将0~40mA的电流信号转换为0~4V的电压信号,然后进行放大滤波。
图中OPA637接成电压跟随方式,它的输入阻抗很高,可以减少对R1的分流作用。
OP07接成运放电路,可以通过调节Rf的大小来改变运放的闭环增益,以调节为适应于A/D的电压输入范围。
PIC16F87X的特性
PIC16F87X是微芯(Microchip)公司于1998年年底推出的产品,采用哈佛总线结构,指令单字节化,寻址方式简单,精简指令集(RISC)技术,仅有35条指令。
它运行速度快,功耗低,驱动能力强,具备有USART模块和MSSP模块,程序保密性强,目前尚无其他办法对其直接进行解密拷贝。
它的一大特征是片内带有64、128或256字节的EEPROM数据存储器,另外其程序存储器是Flash型存储器,这种存储器可以实现在电路板上直接擦/写程序。
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"maxtomin:
",max1,max2,min(a,b,c) PIC16F87X与外部串型存储器ROM的硬件连接
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 在选择外部存储器ROM时,由于要在安装报警器前通过单片机将与安装地点有关的重要信息全部写入外部存储器中,所以必须使用容量较大的静态存储器ROM,以便写入尽可能多的数据信息且掉电后数据不易丢失。
当有火灾发生时,单片机立即在其RA0口模拟出移位时钟CLK,并输入给外部存储器ROM的CLK引脚,同时RA1口向SI口发送读命令,最后从存储器SO输出口读取已经保存好的数据,并立即将这些数据送入部门远程监视系统的显示器上。
在考虑PIC单片机与本系统所选的外部串行存储器AT25F1024的引脚连接时,由于PIC16F87X供电电源为VCC=5V,输出为CMOS电平,即输出高电平约5V,低电平约0V。
但是其输入为TTL电平,而供电电压为2.7V~3.6V左右的AT25F1024,其VLL在?
0.6V~0.3VCC之间,VIH在0.7VCC~VCC+0.5之间。
所以如果将单片机和ROM直接连接,当单片机输出高电平给ROM时,该值将超过ROM的输入门限值,此刻就有可能出现无法识别数据或烧毁存储器管脚的情况。
但是,AT25F1024的输出可以直接和单片机相连接,因为PIC单片机的输入为TTL电平,故只需考虑ROM的输入接口电平匹配问题。
同理,输入输出电流也是如此分析。
为了解决接口电平匹配问题,有很多可采用的方法:
使用分压电阻分压,通过三级管和CMOS管的开关作用以及其他适合的芯片来调节电压等。
【答案】A 在设计该电路的过程中,由于分压电路易于实现,如图3所示,首先考虑使用电阻分压得到适当的电平送给串行ROM,经调试后可实现数据通信。
此电路结构简单,不需要太多的电子元器件,但一般在此情况下使用较少。
为了达到更好的通信效果。
如图4所示,在此电路中选择了非门芯片74LVC04A,该非门的供电电压在1.2V~3.6V之间,可以和外部ROM使用同一个电源供电,其管脚的高电平电压输入范围在2.0V~5.5V之间,低电平输入为0V左右,可识别单片机的CMOS输出电平。
该芯片输出高电平电压约为电源供电电压,低电平电压约为0V左右,所以可串联两个74LVC04A非门将单片机的输出信号转换为AT25F1024可准确识别的输入电压,从而提高了数据的准确传输。
C.BOF()D.SUBSTR(DTOC(DATE()),7) 避免总线冲突的设计
27.如果某数据表为空表,则打开该表后________。
在本结构中,为了保证正确有效的长距离数据传输,使用了开关管RF634来增加电路的驱动能力,在接收端使用LM393比较器来修正信号,并在其后端连接一个非门7406,用以还原原始信号。
当一个节点需要使用总线时,为了实现总线通信可靠,在有数据需要发送的情况下先侦听总线。
在硬件接口上,将报警终端单片机的数据发送引脚TX与其中断引脚INT0相连接,且将RA2口作为接收引脚,通过驱动电路与起侦听作用的单片机的RA3引脚相连接。
报警终端网络中的单片机在发送数据前,先探测其RA2口是否保持高电平输入。
若有,则表明总线“忙”,等待主控方释放总线;若没有,则表明总线“空闲”,可以发送数据。
因主控方在发送数据的同时也将数据传给了中断引脚INT0,起侦听作用的单片机接收数据后,通过其RA3口向报警装置网络中的所有单片机以广播的通信方式发送高电平1。
报警终端网络中的单片机在一直不停地查询其中断引脚INT0是否有电平变化,并同时查询其RA2接收口是否有高电平输入。
若单片机的RA2口有高电平输入且又有中断引脚电平变化,则继续发送数据;若只有RA2口有高电平输入但中断引脚INT0没有电平变化,表示其探测到总线正“忙”,则待主控方完成通信交出总线控制权后,再让其得到总线控制权,这样就较好地解决了总线冲突的问题。
采用这种工作方式后,系统中已经没有主、从节点之分,各个节点对总线的使用权限是平等的,从而有效避免了个别节点通信负担较重的情况。
总线的利用率和系统的通信效率都得以提升,从而也使系统响应的实时性得到改善。
而且,即使系统中个别节点发生故障,也不会影响其他节点的正常通信和正常工作。
这样使得系统的“危险”分散,从某种程度上来说,增强了系统的工作可靠性和稳定性。
?
str(n)+"的大写汉字为肆" 在查询INT0引脚的高低电平变化时,宜采用定时器TIMER0来定时,在一个固定的时间内查询INT0引脚是否有高低电平变化。
以避免所发送的数据有连续的1或0发送时,INT0引脚无高低电平变化,从而导致主控方停止发送数据。
?
"圆环的面积为:
",s 系统软件设计
软件的主要流程如下:
【答案】D 1)报警装置终端程序:
完成系统的初始化工作,开始给模数转换器发送启动转换信号,使之开始工作,将转换后的数据与空气中的一氧化碳浓度(已知数据)相比较,如果其浓度远大于空气中一氧化碳的浓度,则说明有火灾发生,否则,继续进行转换、比较。
当判断有火灾发生时,先进行总线侦听,若检测到总线上有数据传输时,则等待总线释放,若没有检测到,则立即从外部ROM里读出数据,进行数据发送。
C.只能根据数据库表建立查询D.可以根据数据库表和自由表建立查询 2)侦听电路中的单片机程序:
判断是否有数据接收,若有数据接收,则发送数据给远程终端,并同时输出高电平给报警装置单片机的RA2口。
3)数据显示程序:
判断是否有数据接收,若有,则初始化LCD,数据写入LCD,显示信息。
最后输出连续脉冲信号以驱动报警喇叭。
结论
基于PIC16F87X单片机的报警网络系统,其电路简单、功耗低、电源要求单一、精度高、系统监视范围广,具有检测总线冲突的功能,可以在远程监视系统中显示火灾的具体位置和有关的重要信息。
该系统尽可能减少了火灾损失,容易扩展为一台显示器监视较多的报警装置的系统网络,在石油化工、航空、煤炭以及其他易于发生火灾的领域,都具有实用价值。
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