毕业设计（论文）基于AVR单片机的在线式光电计数方法及应用研究.doc

基于AVR单片机的在线式光电计数方法及应用研究指导教师： 学生姓名：专 业：电子信息工程 班 级：0204112班25号摘 要在线式光电计数器是基于AVR单片机和光电检测方法研制的计数仪，当有工件通过时光被遮挡住，光电管输出一个脉冲，对此脉冲信号进行计数即为工件数，并对激光光源进行缩束，解决了小工件计数的难点。文中介绍了光电检测技术的背景、发展现状，光电计数技术的研究意义、发展趋势及前景进行了讨论，然后重点阐述了光电计数技术的工作原理，其主要包括：光电信号接收和发送、AVR单片机和接口系统设计等。本文对AVR单片机AT90S8515进行了介绍，给出了在线试光电计数装置的具体设计方案，进行了原理分析和实验，并对实验结果进行了分析。分析结果表明，此光电自动计数仪具有较高的精度，速度快，实用性强。关键词：AVR单片机 激光传感器 光电测量 自动计数ABSTRACTOn-line type automatic photoelectric counter is developed based on AVR single-chip and photoelectric detection method. When a work piece passes through the light area the light will be blocked by the work piece and the photoelectric tube will emit a pulse signal, the counting for the passing work piece just is the work piece number. The laser light source is narrowed and collimated, thus solving the difficulty in counting for small work piece.The text introduces the background and the development actuality of the photoelectric detection method. And it discusses the meaning and trend of photoelectric counter then it highlights the principle of photoelectric counter technique. It contains: transmitting and receiving interface design.The text introduces AT90S8515 of AVR single-chip, put forward embody on-line type automatic photoelectric counter design. Carry through principle analyzing and experiment. Analysis he output of experiment. The experiments show that the instrument has the advantages of precision counting, fast detection speed and strong practicability.Keywords: AVR single-chip，Laser sensor，Photoelectric measurement，Automatic counting目 录第一章 绪 论11.1光电检测技术的发展状况21.2 光电技术在在线检测中的应用21.3 光电计数器简介3第二章 AVR单片机简介42.1 AT90系列单片简介42.2 管脚定义52.3 中央处理器CPU72.4 单片机的存储器组织9第三章 在线式光电计数器设计123.1 光电传感器的介绍123.2 光电系统设计163.3 硬件电路设计203.4 软件设计24第四章 实验及测量结果294.1 光电管的实验测试294.2 光电计数器的实验测试29结论31致谢32参考文献33第一章 绪 论 全国工业生产中的废次率约为2%，按此推算，每年就要造成经济损失400亿元。因为，传统的计量测试技术只能对产品进行事后的检测，不具有控制产品质量的功能，所以达不到100%消灭产品废次率的目标。现代化的生产要求自动控制生产流程、高质量和高效率，随着科学技术的发展和生产的需要，一门新兴的技术在线检测技术应运而生，它为实现100%消灭产品废次率的目标提供了技术保证条件。在线检测技术是把计量技术同生产工艺、自动控制原理结合起来，对生产过程中的产品实现100%的检验，并要求在生产过程中始终处于最佳状态。它综合运用了传感技术、计算技术和自动控制原理等。它属于信息技术范畴，包含着信息的采集、传递和处理。在线检测技术的主要作用，能在生产过程中彻底消灭废品，保证产品的质量，降低消耗。由于生产过程是在自动控制和自动调节的情况下进行，既降低了对操作人员技术水平的要求，又减少了停机，从而提高了劳动生产率。另外，在线检测生产自动化程度高，不仅减轻了操作人员的劳动强度和减少了人为的主观差错，并且，还能适应条件比较恶劣的生产场合和工作环境，如高温、有害气体、强磁场等。本设计中的单片机采用AT90系列单片机的AT90S8515，这种AVR单片机是ATMEL公司在1997年推出的全新配置精简指令集（RISC）单片机系列。片内程序存储器采用了Flash存储器，可以反复编程修改上千次，便于新品开发和程序的保密，避免了非法的窃取。由于它采用了Harvard结构，程序存储器和数据存储器是分开的，可以直接访问全部的程序存储器和数据存储寄存器。文件被双向映射并能被访问，所以速度快，大多数指令仅用一个晶振周期，是一个真正意义上的具有接近1MIPS/MHz的高速处理能力单片机1。对于单片机来说，用高级语言编程是一种标准编程方法。AVR单片机的开发目的就是在于采用C语言编程，它是一门结构化的语言，其特点是效率高和与系统十分接近，功能强大，使程序员可以实现采用少量的结构解决复杂的问题，从而能高效地开发出目标产品。AVR单片机采用低功耗、非挥发的CMOS工艺。通用SPI口和一般的编程器可以对AVR单片机的Flash存储器进行编程。1.1光电检测技术的发展状况在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检测技术而开发设计了这一光电计数设备。该设备原理简单，造价低廉也使他能够被普通用户所接受。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，在轻工自动机上广泛应用。光电传感器的敏感范围远远超过了电感、电容、磁力、超声波传感器的敏感范围。此外，光电传感器的体积很小，而敏感范围很宽，加上机壳有很多样式，几乎可以到处使用。最后，随着技术的不断发展，光电传感器在价钱方面可以同用其他技术制造的传感器竞争。1.2 光电技术在在线检测中的应用以激光为核心的光电技术为工业自动检测创造了条件。由于光电系统能充分发挥光学和电子两方面的优越性，所以在生产过程中的自动监控、图像分析、精密测量、信息处理和传输、能源利用、微观探索等各个领域发挥着越来越重要的作用。当今社会日益迫切要求对来自各方面的复杂信息进行实时和高速采集，数据处理和自动控制，如对高速运动或瞬时短暂过程的观察、记录、显示和储存；对复杂形状和尺寸精确测量、识别、控制；特别对于太空、深水、高温、有害气体、核辐射等人类难以接近的各种特殊或恶劣工作环境，这些都是普通的传统仪器所难以胜任的。而采用光电自动检测方法就获得解决。光学和光电技术在冶金工业上的重点和优势是在生产第一线，特别是在线检测，利用光电控制、红外传递进行精确、快速的检测。例如，在轧钢生产过程中，被测对象温度高达1000以上，运动速度每秒数米，并伴有震动，高温氧化层飞溅，冷却水珠水雾弥漫和环境高温。在如此复杂和恶劣的环境下，要对生产线上的钢材尺寸进行在线测量和控制及其困难，但利用激光测径系统或CCD在线测径系统等光电检测方法就能很好的解决2。1.3 光电计数器简介在现代工业生产和物流过程中，提供准确的原材料或成品的数量是比较关键的问题，尤其是对大批量的小件产品的计数。目前，许多企业对大批量的小件产品，仍采用人工称重的计数方法。这种计数方法存在计数错误率高，工作效率低，不能实时反映计数值，不利于生产管理等缺点。本论文基于光电检测的原理设计了一种在线式光电自动计数仪。其特点主要有：1)能够实现对产品的自动计数及实时显示计数结果；2)具有较高的检测速度；3)能够实现在线检测，提高工作效率。第二章 AVR单片机简介2.1 AT90系列单片简介AT90系列单片机是增强型RISC结构、内载Flash的单片机，通常简称为AVR单片机。AVR单片机在8位微处理器市场上具有最高的1MIPS/MHZ能力。它的开发目的在于能采用C语言编程，从而能高效地开发出目标产品。为了对目标代码大小、性能及功耗的优化，AVR单片机采用了大型快速存取寄存器文件和快速单周期指令。快速存取RISC寄存器文件由32个通用工作寄存器组成。在AVR单片机中，用这些通用寄存器代替累加器，从而避免了传统的累加器和存储器之间的数据传送造成的瓶颈现象。在AVR单片机中，在前一条指令执行的时候就取出现行的指令，然后以一个周期执行指令。由于它使用一个时钟周期执行一条指令，因此在8位单片机中它是第一种真正的RISC单片机。AVR单片机采用Harvard结构使它的程序存储器和数据存储器分开，可直接访问8M字节程序存储器和8M字节数据存储器，寄存器文件被双向映射，并能访问像片内允许快速上下转换的那部分SRAM存储器。AVR单片机采用低功耗、非挥发的CMOS工艺制造。通过SPI口和一般的编程器，可以对AVR单片机的Flash存储器进行编程2。AT90系列单片机特点如下：1.AVR RISC 结构2.AVR高性能低功耗RISC结构118条指令大多数为单指令周期32个8位通用工作寄存器工作在8MHz时具有8MIPS的性能3.数据和非易失性程序内存4K/8K字节的在线可编程FLASH擦除次数（1000次）256/512字节SRAM256/512字节在线可编程EEPROM（寿命100000次）程序加密位4.外围Peripheral特点一个可预分频Prescale的8位定时器/计数器一个可预分频具有比较捕捉和8-9-10位PWM功能的16位定时器/计数器片内模拟比较器可编程的看门狗定时器由片内振荡器生成用于下载程序的SPI口全双工UART5.特别的MCU特点低功耗空闲和掉电模式内外部中断源6.规范Specification低功耗高速CMOS工艺全静态工作2.2 管脚定义VCC：VCC为供电引脚，连接到正电源。GND：GND为接地引脚，连接到电源地。（1）A口PA7PA0A口是一个8位双向I/O口，每一个管脚都有内部上拉电阻A口的输出缓冲器能够吸收20mA的电流可直接驱动LED。当作为输入时，如果外部被拉低，由于上拉电阻的存在，管脚将输出电流。在复位过程中，A口为三态，即使此时时钟还未起振，在访问外部SRAM时，A口作为地址/数据复用口。（2）B口PB7PB0B口是一个8位双向I/O口，每一个管脚都有内部上拉电阻。B口的输出缓冲器能够吸收20mA的电流，可直接驱动LED。当作为输入时，如果外部被拉低，由于上拉电阻的存在管脚将输出电流。在复位过程中，B口为三态，即使此时时钟还未起。AT90S8515的脚如图2.1所示。图2.1 AT90S8515管脚图（3）C口PC7PC0C口是一个8位双向I/O口，每一个管脚都有内部上拉电阻。当作为输入时，如果外部被拉低，由于上拉电阻的存在管脚将输出电流在复位过程中，C口为三态，即使此时时钟还未起振。C口还可以用作外部SRAM的地址。（4）D口PD7PD0D口是一个带有内部上拉电阻的7位双向I/O口，输出缓冲器能够吸收20mA的电流。当作为输入时，如果外部被拉低，由于上拉电阻的存在，管脚将输出电流。在复位过程中，D口为三态即使此时时钟还未起振。RESET：复位输入超过50ns的低电平将引起系统复位。低于50ns的脉冲不能保证可靠复位。XTAL1：振荡器放大器的输入端。XTAL2：振荡器放大器的输出端。ICP：T/C1输入捕捉的输入。OCIB：T/C1输出比较B。ALE：访问外部SRAM时的地址锁存信号。（5）晶体振荡器：XTAL1和XTAL2分别是片内振荡器的输入输出端。可使用晶体振荡器或是陶瓷振荡器。当使用外部时钟时，XTAL2应悬空。见图2.2图2.2 振荡器连接与外部时钟驱动配置2.3 中央处理器CPUAVR采用了HARVARD结构程序和数据总线分离程序，内存通过两段式的管道Pipeline进行访问。当CPU在执行一条指令的同时，就去取下一条指令这种预取指的概念使得指令可以在一个时钟完成。（1）通用寄存当执行中断和子程序调用时，返回地址存储于堆栈中。堆栈分布于通用数据SRAM之中。堆栈大小只受SRAM数量的限制，用户应该在复位例程里就初始化SP（SP为可读写的16位堆栈指针）。表2-1通用工作寄存器文件R0R1R13R14R15R16R17R2R26R27R28R29R30R31$00$01$02$0D$OE$0F$1O$11$1A$1B$1C$1D$1E$1F所有的寄存器操作指令都能以单指令的形式直接访问所有的寄存器，例外情况为5条涉及常数操作的指令SBCI（带进位减立即数），SUBI（减立即数），CPI（与立即数比较），ANDI（与立即数）和ORI（或立即数）这些指令只能访问通用寄存器文件的后半部分R16到R31。每个寄存器都有一个数据内存地址，将他们直接映射到用户数据空间的头32个地址。虽然寄存器文件的实现与SRAM不同这种内存组织方式在访问寄存器方面具有极大的灵活性。14（2）XYZ寄存器寄存器R26R31除了用作通用寄存器外还可以作为数据间接寻址用的地址指针X，Y，Z寄存器的结构如图2.3所示15 0X寄存器7 07 0R27（$1B） R26（$1A） 15 0Y寄存器7 07 0 R29（$ID） R28（SIC）15 0Z寄存器7 07 0R31（$1F） R30（$1E）图2.3 X,Y,Z寄存器的结构ALU：AVR ALU与32个通用工作寄存器直接相连ALU操作分为3类：算术，逻辑，和位操作2.4 单片机的存储器组织（1）SRAM表2-2说明了AT90S8515的数据组织形式表2.2AT90S8515的数据组织形式R1$0001R2$0002R29$001DR30$001ER31$001FI/O寄存器数据地址空间$00$0020$01$0021$02$0022$3D$005D$3E$005E$3F$005F片内SRAM$0060$0061$015E/025E$015F/025F寄存器文件 数据地址空间352/608个数据地址用于寻址寄存器文件，I/O 和SRAM，起始的96个地址为寄存器文件I/O，其后的256/512个地址用于寻址SRAM。外部SRAM也可以放置于相同的SRAM，空间直到64K1。当访问SRAM的地址超出内部SRAM的地址时，MCU将对外部SRAM寻址，指令相同。访问内部SRAM时，RD和WR保持无效。若要访问外部SRAM，必须置位MCUCR的SRE位。访问外部SRAM比访问内部的要多一个时钟周期。这意味着指令LD（间接取数）ST（间接存数）LDS（从数据区取数）STS（存数于数据区）PUSH（入栈）和POP（出栈）指令将多一个时钟周期如果外部SRAM接口使用了等待状态则又多两个时钟周期。数据寻址模式分为5种：直接、带偏移量的间接、间接、预减的间接、后加的间接。寄存器R26到R31为间接寻址的指针寄存器。直接寻址范围可达整个数据空间。带偏移量的间接寻址模式，寻址到YZ指针给定地址附近的63个地址带预减和后加的间接寻址模式要用到XYZ指针。32个通用寄存器，64个I/O寄存器，256/512字节的SRAM和最大可达64K的外部SRAM可以被所有的寻址模式访问。（2）EEPROMAT90S8515包含256/512字节的EEPROM，它是作为一个独立的数据空间而存在的，可以按字节读写EEPROM的寿命至少为100000次。擦除EEPROM的访问由地址寄存器数据寄存器和控制寄存器决定。（3）复位和中断处理AT90S8515有12个中断源，每个中断源在程序空间都有一个独立的中断向量。所有的中断事件都有自己的使能位，当使能位置位且I也置位的情况下中断可以发生。RESET具有最高的优先级13。第三章 在线式光电计数器设计本章对基于AVR单片机的在线式光电计数器的系统结构、工作原理及设计方案进行了讨论。3.1 光电传感器的介绍光电传感器是采用光电元件作为检测元件，首先把被测量的变化转变为信号的变化，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，体积小。近年来，随着光电技术的发展，光电传感器已成为系列产品，其品种及产量日益增加，用户可根据需要选用各种规格产品，在各种轻工自动机上获得广泛的应用。3.1.1光电传感器的构成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。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）和激光二极管。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或光电三极管组成。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，光电传感器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反射装置。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。光纤（又称光导纤维LWL），它扩大了光电传感器的使用范围，形成了特殊的嵌装式收发装置。它可以在特殊的环境中使用，检测微小的物体。它在非常高的外界温度中，在结构受限制的环境里，都可以获得满意的答案。3.1.2光电传感器的分类及选择传感器是实验测量获取信息的重要环节，通常传感器是指一个完整的测量系统或装置，它能感受规定的被测量并按一定规律转换成输出信号，传感器给出的信号是电信号，而它感受的信号不必是电信号，因此这种转换在非电量的电测法中应用极为广泛。目前传感器技术发展极为迅速，已经逐渐形成为一门新的学科，其应用领域十分广泛，如现代飞行技术、计算机技术、工业自动化技术以及基础研究等，传感技术已成为现代信息技术的三大基础之一。光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器。为此本文着重介绍工控捡测系统中新型模拟式光电传感器的组成与特点、使用及有关应用举例。模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值关系。模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式、漫反射式、遮光式(光束阻档)三大类。透射型光电传感器：这类传感器将被测量转换成连续变化的光电流，要求光电元件的光照特性为单值线性，而且光源的光照均匀恒定。(1)被测物体本身是光辐射源，由它释出的光射向光电元件。光电高温计、光电比色高温计、红外侦察、红外遥感和天文探测等均属于这一类。这种方式还可用于防火报警，火种报警和构成光照度计等。(2)被测物体位于恒定光源与光电元件之间，根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量液体、气体的透明度、混浊度，对气体进行成分分析，测定液体中某种物质的含量等。(3)恒定光源释出的光投射到被测物体上，再从其表面反射到光电元件上，根据反射的光通量多少测定被测物表面性质和状态。例如测量零件表面粗糙度、表面缺陷、表面位移以及表面白度、露点、湿度等。(4)被测物位于恒定光源与光电元件之间，根据被测物阻档光通量的多少来测定被测参数。这种传感器将被测对象作为光闸，主要用于测小孔、狭缝、细丝直径等。(5)时差测距。恒定光源发出的光投射于目的物，然后反射至光电元件，根据发射与接收之间的时间差测出距离。这种方式的特例为光电测距仪。漫反射型光电传感器：漫射型光电传感器有时也称作接近传感器。在这种传感器中，发光器和接收器装在同一个机壳中。发光器发出的光线射到目标物体上，目标物体光线反射回来，什么角度的反射光都有。反射光中有一部分送回到接收器，于是便把目标物体检测出来了。由于目标物体的角度以及反射性能，发光器产生的能量大部分是损失掉，所以与镜面反射(回射)型和光束阻档型光电传感器相比，漫射型光电传感器的敏感范围比较小。该类传感器装简单置，即它不需要其他的元器件，但敏感范围及接收器的能力受目标物体的颜色、尺寸、表面光洁度等因素的影响较大。例如：光栅式光电传感器（一）透射式光栅传感器透射式光栅传感器采用的光源是发光二极管，有的发光二极管本身将透镜集成在一起，光线平行性比较好，不需要外加透镜。有的发光二极管本身没有集成透镜，需外加透镜改善光线的平行性。另外白炽灯也常用作光栅传感器的光源。（二）反射式光栅传感器典型的反射式光栅传感器发光二极管经聚光透镜形成平行光，平行光以一定角度射向裂相指示光栅，莫尔条纹是由标尺光栅的反射光与指示光栅作用形成，光电器件接收莫尔条纹的光强。这种光路的传感器一般用在数控机床上，主光栅常为金属光栅，它坚固耐用，而且线膨胀系数与机床基体的线膨胀系数接近，能减小温度误差。光电位移传感器产品的核心是光栅莫尔条纹计量技术，当二块刻制有极细线条、且周期相同的主、副光栅以较小的间隙、较小的栅线夹角重叠在一起时，在垂直于栅线的方向就呈现出比光栅周期大得多的一对明暗相同条纹，这就是莫尔条纹。当光栅相对运动一个栅线周期时，莫尔条纹也对应的变化一个周期，此信息通过光电转换与后续电路处理设备的机械位移量就将以电信号或数字量的方式予以体现。由于莫尔条纹具有放大与误差平均效应二大特性，容易在结构较为简单的前提下实现很高的测量精度，又由于其采用光电转换的原理，因而具有较强的抗干扰能力、较高的响应速度，便于后续处理等特点，相对于磁栅、容栅、感应同步器等使用领域相同的传感器，具有无可比拟的优越性。据最新的行业分析，国内外同类型的传感测量产品中，以光栅为基础的超过50%，在数控机床行业中，测量反馈部件有44%为光栅传感器。光电位移测量产品根据使用功能的不同，大致可分为长光栅和圆光栅两类，每一大类中又分有很多规格、多种系列。如下表：表3.1两种光栅传感器名称 光栅类型 栅距范围 光路形式 光栅材料 长光栅传感器黑白光栅 0.25-0.01mm (4-100线/mm) 透射 玻璃 幅值光栅 反射 金属玻璃 衍射光栅 8-0.4m (125-2400线/mm) 透射 玻璃 相位光栅 炫耀光栅 反射 金属玻璃 圆光栅传感器黑白光栅 度、分、秒360-129600L/R 透射式为主 玻璃金属 二进制 21-226 /R 十进制 100-10000L/R 主要应用领域：光栅位移数字测量系统广泛应用于各类普通机床和各类数控机床光栅位移数字测量系统与机床数控系统共同组成机床位移量的闭环控制，充分提高数控机床的定位精度，特别是避免了半闭环系统中由于滚珠丝杠热变形引起的定位误差。机床数控系统还可以通过光栅尺上的参考零点实现机床的各种工位控制，扩展机床功能，提高机床效率。今后，光栅数显系统将与机床数控系统愈来愈紧密的结合在一起。光栅位移数字测量系统还可以应用于各类计量仪器、其他加工设备、检测设备等。诸如弹簧压力测量机、切纸机、剪切机、铣磨机、两维测量工作台、膜厚测量仪、开关行程检测仪、光学定心仪等仪器设备。光栅位移数字测量系统在各行各业的广泛推广应用，提高了各类仪器的精度、效率，并可通过光栅数显表实现各种其他功能，如函数计算、储存数据、打印输出等。遮光式光电传感器：遮光式光电传感器是第三种也是最后一种用光电方法进行检测的光电传感器。这种传感器需要两个独立的机壳，一个机壳中安装发光器，另一个机壳中安装接收器。发光器射出来的光线对准接收器，当有目标物体把光线挡住时，接收器的输出便发生变化。在三种光电检测技术中，光束阻挡型传感器的效率最高，能够进行检测的范围也是最大的。遮光式光电传感器有很多类型。最常见的是用一只发光器、一只接收器，在发光器与接收器之间只有一束光线。另一种是“槽式”或“叉式”光电传感器，这时，发光器和接收器都装在同一个机壳中，不存在对准的问题。光栅是由很多不同的发光器和不同的接收器排列起来组成的，发光器装在一个机壳中，接收器装在另一个机壳中，当它们互相对准时，便形成一片光束。因而本文中我们选择遮光式光电传感器设计计数器。3.2 光电系统设计3.2.1 光电器件的选择光源是许多光电传感器的重要组成部分，要使光电传感器很好地工作，除了合理选用光电元件外，还必须配备合适的光源。常用光源有以下几种。发光二极管：发光二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。它具有较好的线性特性、外加电压小、暗电流小、体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，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。并能和集成电路相匹配。因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。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。钨丝灯泡：这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。如果选用的光电元件对红外光敏感，构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用它的红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰。半导体激光器：半导体激光器体积小、重量轻、可靠性高、转换效率高、功耗低、驱动电源简单、能直接调制、结构简单、价格低廉、使用安全、其应用领域非常广泛。如光存储、激光打印、激光照排、激光测距、条码扫描、工业探测、测试测量仪器、激光显示、医疗仪器、军事、安防、野外探测、建筑类扫平及标线类仪器、实验室及教学演示、舞台灯光及激光表演、激光水平尺及各种标线定位等7。半导体激光器的一些独特优点使之非常适合于军事上的应用，如野外测距、枪炮等的瞄准、射击模拟系统、致盲、对潜通信制导、引信、安防等。由于可用普通电池驱动，使一些便携式武器设备配置成为可能。目前已开发出并投放市场的半导体激光器的波段有370nm、390nm、405nm、430nm、480nm、635nm、650nm、670nm、780nm、808nm、850nm、980nm、1310nm、1550nm等，其中1310nm、1550nm主要用于光纤通讯领域。405nm-670nm为可见光波段，780nm-1550nm为红外光波段，390nm-370nm为紫外光波段。光敏二极管的结构和普通二极管相似，只是它的PN结装在管壳顶部，光线通过透镜制成的窗口，可以集中照射在PN结上，图3.1a是其结构示意图。光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态，如图3.1b所示。我们知道，PN结加反向电压时，反向电流的大小取决于P区和N区中少数载流子的浓度，无光照时P区中少数载流子(电子)和N区中的少数载流子(空穴)都很少，因此反向电流很小。但是当光照PN结时，只要光子能量h大于材料的禁带宽度，就会在PN结及其附近产生光生电子空穴对，从而使P区和N区少数载流子浓度大大增加，它们在外加反向电压和PN结内电场作用下定向运动，分别在两个方向上渡越PN结，使反向电流明显增大。如果入射光的照度变化，光生电子.空穴对的浓度将相应变动，通过外电路的光电流强度也会随之变动，光敏二极管就把光信号转换成了电信号。光敏三极管有两个PN结，因而可以获得电流增益，它比光敏二极管具有更高的灵敏度。其结构如图3.2a所示。当光敏三极管按图3.2b所示的电路连接时，它的集电结反向偏置，发射结正向偏置。无光照时仅有很小的穿透电流流过，当光线通过透明窗口照射集电结时，和光敏二极管的情况相似，将使流过集电结的反向电流增大，这就造成基区中正电荷的空穴的积累，发射区中的多数载流子(电子)将大量注人基区，由于基区很薄，只有一小部分从发射区注入的电子与基区的空穴复合，而大部分电子将穿过基区流向与电源正极相接的集电极，形成集电极电流IC。这个过程与普通三极管的电流放大作用相似，它使集电极电流IC是原始光电流的(l+)倍。这样集电极电流IC将随入射光照度的改变而更加明显地变化。8 图3.1 光敏二极管 图3.2 光敏三极管 经过比较我们选择半导体激光器作为本系统的发射端，光敏三极管作为接收。3.2.2 发射端在此对现有的激光指示器的电源部分进行改造，构成了激光光电传感器的发射端。采用直流电源12V统一供电，对激光器实施有效保护，实现对激光器的慢启动、慢关闭，在提高激光器工作的安全性的同时延长了激光器的使用寿命。在实际生产中，常常检测一些小尺寸(35mm)的工件，而这些小工件在用称重方法计数时误差率较高，有时甚至会差上几十片至几百片，所以对这些工件进行准确计数是系统设计的关键。小工件由于厚度薄、质量轻，在通过工件传输系统后下落的轨迹会稍有差异(图3.3(a)所示，Ä 为激光器位置)，而本系统中使用的激光器所发出的激光束到达工件时直径大约为2mm。因此，工件在下落过程中不一定会完全遮挡住激光束(图3.3(b)所示)，使光电管仍能感受到光强，电压不发生跳变，以致发生漏检现象。10图3.3 下落工件与激光位置示意图为增加系统的精确度，减少误差，设计了望远镜系统对激光束进行微束准直，如图3.4所示。凸透镜L1、L2焦点重合，平行于光轴的入射光线经过组合后出射光线仍然平行于光轴。激光器发出的平行光经透镜微束准直后被光敏三极管接收。Lasergeneratorh1Receiverh2L1L2图3.4 聚焦光学系统由几何关系得到： f1/ h1 = f2/ h2 (3.1) h2 = h1 f2/ f1 (3.2)其中f1，f2分别为透镜L1和L2的焦距；2h1为入射光直径；2h2为出射光直径。由上式可知若选取f1=3f2，2h1=2mm，则2h2»0.7mm，即经光学系统后激光束直径小于1mm，如图3.3(c)所示，减小了产生误差的可能，提高了系统的检测精度。123.2.3 接收端激光光电传感器接收端的核心部件是光敏三极管。它能把接收的光信号转换成与光功率成正比的电流，该电流经取样电阻转换成电压，提供给数据采集系统。接收电路中所用的取样电阻需经实际试验进行选择，它与光源的强度、光敏三极管的光电灵敏度等有关。3.3 硬件电路设计系统硬件包括光电传感器、整形滤波电路、单片机接口电路及键盘、显示器等几部分。光电传感器输出的电压通过整形滤波电路后进单片机系统，控制键盘、显示器。系统硬件设计简单，适用，抗干扰性强。3.3.1 整形滤波电路电路主要由电压比较器和光电耦合器构成。电压比较器简称比较器，它是一种对两个输入电压的大小进行比较的电路，比较的结果（即两个输入电压的大小）是通过输出的高电平UOH或低电平UOL来判断的。例如，对一个输入信号uI和另一个参考电压UREF进行比较，在uIUREF和uIUREF的两种不同情况下，电压比较器输出两个不同的电平，即高电平UOH和低电平UOL；而当uI的变化经过UREF时，比较器的输出将从一个电平跳到另一个电平LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。LM339集成块采用C-14型封装，图1为外型及管脚排列图。由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。图3.5LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一