唐繁　張吉左

摘要：該文介紹在單片機(jī)最小系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了光電檢測(cè)系統(tǒng)。該檢測(cè)系統(tǒng)外圍電路主要有指示二極管、發(fā)光二極管、光敏三極管組成。該文利用軟硬件相結(jié)合的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，在設(shè)計(jì)中利用Protues進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果顯示電路結(jié)構(gòu)正確，達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；發(fā)光二極管；光敏三極管

中圖分類號(hào)：TN702 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）19-4586-03

近年來(lái)，自動(dòng)控制技術(shù)及生產(chǎn)自動(dòng)化在國(guó)家工業(yè)建設(shè)中發(fā)揮了非常重要的角色。光電檢測(cè)在自動(dòng)控制和自動(dòng)生產(chǎn)中起著不可替代的作用。早起自動(dòng)化生產(chǎn)，一般采用機(jī)械化方式，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和集成電路的出現(xiàn)，自動(dòng)化生產(chǎn)越來(lái)越多的采用電器方式，光電檢測(cè)是電器方式自動(dòng)化經(jīng)常采用的技術(shù)之一。

1 半導(dǎo)體二極管

二極管的核心是PN結(jié)，與PN結(jié)一樣，二極管具有單向?qū)щ娦裕?，由于二極管存在體電阻和引線電阻，二極管的伏安特性與PN結(jié)的伏安特性略有不同，在正向電壓相同的情況下，二極管的正向電流小于PN結(jié)的正向電流；在反向偏置相同的情況下，由于二極管存在表面漏電流，二極管的反向電流大于PN結(jié)的反向電流，在近似分析時(shí)，PN結(jié)電流統(tǒng)一采用公式（1） 。

[i=IS（euUT-1）] （1）

測(cè)量二極管的伏安特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，只有在正向電壓足夠大時(shí)，正向電流才從零隨端電壓按指數(shù)規(guī)律增大。使二極管開始導(dǎo)通的臨界電壓稱為開啟電壓Uon ，不同的材料制成的二極管，開啟電壓不同，相應(yīng)的導(dǎo)通電壓、反向飽和電流也不同，如圖1和表1。所示。本次設(shè)計(jì)用的是硅晶體二極管 [4]。

圖1 二極管的伏安特性

表1 兩種材料二極管對(duì)比

[材料＼&開啟電壓UOn/V＼&導(dǎo)通電壓U/V＼&反向飽和電流IS/μA＼&硅（Si）＼&≈0.5＼&0.6-0.8＼&<0.1＼&鍺（Ge）＼&≈0.1＼&0.1-0.3＼&幾十＼&]

發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)ED，由鎵（Ga）與砷（As）、磷（P）、氮（N）、銦（In）的化合物制成的二極管，當(dāng)電子與空穴復(fù)合時(shí)能輻射出光波，因而可以用來(lái)制成各種發(fā)光二極管。在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光，銦鎵氮二極管發(fā)藍(lán)光。

發(fā)光二極管把電能轉(zhuǎn)化成光能。當(dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)電子和空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同，當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)釋放出的能量不同，發(fā)出的光波長(zhǎng)不同。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。這里我們選用紅色發(fā)光二極管。發(fā)光二極管原理與普通二極管一樣，不過(guò)它的開啟電壓比普通二極管的大，紅色的在1.6-1.8V之間，綠色的約為2V。正向電流愈大，發(fā)光愈強(qiáng)。

2 光敏三極管

光敏三極管一般有光敏二極管和三極管組成。光敏二極管也叫光電二極管。光敏二極管與半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是類似的，其管芯是一個(gè)具有光敏特征的PN結(jié)，當(dāng)光線照射PN結(jié)時(shí)，可以使PN結(jié)中產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，使少數(shù)載流子的密度增加，不過(guò)光敏二極管利用的是反向特性，工作時(shí)需加上反向電壓，當(dāng)受到光照時(shí)， 載流子在反向電壓下漂移，反向飽和電流發(fā)生變化，它隨入射光強(qiáng)度的變化而變化，因此可以利用光照強(qiáng)弱來(lái)改變電路中的電流。

光敏二極管是將光信號(hào)變成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件，和普通二極管相比，在結(jié)構(gòu)上與普通二極管不同，為了便于接受入射光照，PN結(jié)面積盡量做的大一些，電極面積盡量做的小一些，而且PN結(jié)的結(jié)深很淺，一般小于1微米。

光敏三極管是有光敏二極管與普通三極管組合而成的，光敏二極管把光照轉(zhuǎn)化成電流傳遞給三極管基極，三極管把基極電流通過(guò)放大機(jī)理轉(zhuǎn)化成集電極電流實(shí)現(xiàn)放大。在protus環(huán)境中，發(fā)光二極管和光敏三極管組合在一起，如圖2所示。光敏三極管的輸出特性曲線如圖3所示。輸出特性曲線滿足公式（2） 。

[iC=f（uCE）IB=常數(shù)] （2）

圖2 光敏三極管

圖3 光敏三極管輸出特性曲線

3 主控單元

單片機(jī)性能價(jià)格比高，體積小，重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，環(huán)境要求不高，可靠性高，靈活性好，開發(fā)較為容易。由于具有上述優(yōu)點(diǎn)，單片機(jī)廣泛應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化控制、自動(dòng)檢測(cè)、智能儀器儀表、家用電器等各個(gè)方面。該文采用AT89C51，AT89C51單片機(jī)是美國(guó)Atmel公司生產(chǎn)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)。AT89C51單片機(jī)主要由微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、4個(gè)8位并行I/O口、1個(gè)串行口、2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、特殊功能寄存器等八個(gè)功能部件組成[7]。

單片機(jī)的4個(gè)8位并行I/O口為P0、P1、P2、P3口。該文中只用到P1、P3口，下面簡(jiǎn)單介紹這兩個(gè)端口的特點(diǎn)。

P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口。P1口鎖存器寫入1后，CMOS管截止，這時(shí)可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。該文利用了P1.7管腳。當(dāng)有物體遮住光電檢測(cè)電路時(shí)，P1.7管腳所接的發(fā)光二極管發(fā)光。

P3口：由于單片機(jī)引腳數(shù)目有限，因此在P3口電路中增加了引腳的第二功能。P3口的某一引腳可以作為通用I/O使用，又可以根據(jù)需要，使用它的第二功能。該文利用了管腳P3.2的第二功能，也就是外部中斷。P3.2管腳平時(shí)高電平，當(dāng)有物體通過(guò)發(fā)光二極管和光敏三極管中間時(shí)，P3.2管腳平時(shí)低電平，單片機(jī)檢測(cè)到電平由高電平變化到低電平時(shí)，執(zhí)行中斷程序，發(fā)光二極管發(fā)光，給出指示。中斷程序框圖如圖4所示。

當(dāng)有物體通過(guò)光電檢測(cè)電路時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光， R6 為 ? 181 限流電阻。如圖5所示：

圖5 發(fā)光電路

光電檢測(cè)電路如圖6所示。當(dāng)開關(guān)物體通過(guò)時(shí)時(shí)，發(fā)光二極管不會(huì)發(fā)光，此時(shí)光敏三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，電路中的三極管Q1處于截止?fàn)顟B(tài)，P3.2管腳呈現(xiàn)低電平，單片機(jī)檢測(cè)到低電平，執(zhí)行中斷程序，點(diǎn)亮發(fā)光二極管。當(dāng)沒(méi)有物體通過(guò)時(shí)，光敏三極管接收到發(fā)光二極管發(fā)出的光，光敏三極管導(dǎo)通，電路中的三極管Q1處于導(dǎo)通狀態(tài)，P3.2管腳呈現(xiàn)高電平，單片機(jī)處于等待狀態(tài)。

圖6 光電檢測(cè)電路

光電檢測(cè)整體電路如圖7所示。本電路結(jié)構(gòu)利用單片機(jī)的最小系統(tǒng)，單片機(jī)的很多接口處于空閑狀態(tài)，這為增加光電檢測(cè)電路功能提供了可能。因?yàn)樵诜抡鏁r(shí)，無(wú)法模擬物體通過(guò)光電檢測(cè)系統(tǒng)，在電路結(jié)構(gòu)中，以開關(guān)代替是否有物體通過(guò)，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，代表沒(méi)有物體通過(guò)，當(dāng)開關(guān)打開時(shí)代表有物體通過(guò)。

圖7 光電檢測(cè)整體電路

4 結(jié)論

本文利用單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)了光電檢測(cè)電路，由仿真結(jié)果分析，本設(shè)計(jì)可以進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)計(jì)數(shù)、工業(yè)生產(chǎn)安全監(jiān)控等。由

于單片機(jī)的很多接口處于空閑狀態(tài)，所以本系統(tǒng)可以增加其它檢測(cè)功能。本設(shè)計(jì)目的是檢驗(yàn)所學(xué)的理論知識(shí)，為以后的工程設(shè)計(jì)打下基本技能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 雷玉堂.光電檢測(cè)技術(shù)[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1995.

[2] 呂海寶.激光光電檢測(cè)[M].北京：國(guó)防科技大學(xué)出版社，2000.

[3] 王清正，胡渝.光電探測(cè)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，1994.

[4] 童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].4版.北京：高等教育出版社，2000.

[5] 何利民.單片機(jī)高級(jí)教程[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2000.

[6] 李朝青.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，1999.

[7] 唐繼賢.《51單片機(jī)工程應(yīng)用實(shí)例》硬件部分[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社出版，2003.

當(dāng)有物體通過(guò)光電檢測(cè)電路時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光， R6 為 ? 181 限流電阻。如圖5所示：

圖5 發(fā)光電路

光電檢測(cè)電路如圖6所示。當(dāng)開關(guān)物體通過(guò)時(shí)時(shí)，發(fā)光二極管不會(huì)發(fā)光，此時(shí)光敏三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，電路中的三極管Q1處于截止?fàn)顟B(tài)，P3.2管腳呈現(xiàn)低電平，單片機(jī)檢測(cè)到低電平，執(zhí)行中斷程序，點(diǎn)亮發(fā)光二極管。當(dāng)沒(méi)有物體通過(guò)時(shí)，光敏三極管接收到發(fā)光二極管發(fā)出的光，光敏三極管導(dǎo)通，電路中的三極管Q1處于導(dǎo)通狀態(tài)，P3.2管腳呈現(xiàn)高電平，單片機(jī)處于等待狀態(tài)。

圖6 光電檢測(cè)電路

光電檢測(cè)整體電路如圖7所示。本電路結(jié)構(gòu)利用單片機(jī)的最小系統(tǒng)，單片機(jī)的很多接口處于空閑狀態(tài)，這為增加光電檢測(cè)電路功能提供了可能。因?yàn)樵诜抡鏁r(shí)，無(wú)法模擬物體通過(guò)光電檢測(cè)系統(tǒng)，在電路結(jié)構(gòu)中，以開關(guān)代替是否有物體通過(guò)，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，代表沒(méi)有物體通過(guò)，當(dāng)開關(guān)打開時(shí)代表有物體通過(guò)。

圖7 光電檢測(cè)整體電路

4 結(jié)論

本文利用單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)了光電檢測(cè)電路，由仿真結(jié)果分析，本設(shè)計(jì)可以進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)計(jì)數(shù)、工業(yè)生產(chǎn)安全監(jiān)控等。由

于單片機(jī)的很多接口處于空閑狀態(tài)，所以本系統(tǒng)可以增加其它檢測(cè)功能。本設(shè)計(jì)目的是檢驗(yàn)所學(xué)的理論知識(shí)，為以后的工程設(shè)計(jì)打下基本技能。

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[7] 唐繼賢.《51單片機(jī)工程應(yīng)用實(shí)例》硬件部分[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社出版，2003.

當(dāng)有物體通過(guò)光電檢測(cè)電路時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光， R6 為 ? 181 限流電阻。如圖5所示：

圖5 發(fā)光電路

光電檢測(cè)電路如圖6所示。當(dāng)開關(guān)物體通過(guò)時(shí)時(shí)，發(fā)光二極管不會(huì)發(fā)光，此時(shí)光敏三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，電路中的三極管Q1處于截止?fàn)顟B(tài)，P3.2管腳呈現(xiàn)低電平，單片機(jī)檢測(cè)到低電平，執(zhí)行中斷程序，點(diǎn)亮發(fā)光二極管。當(dāng)沒(méi)有物體通過(guò)時(shí)，光敏三極管接收到發(fā)光二極管發(fā)出的光，光敏三極管導(dǎo)通，電路中的三極管Q1處于導(dǎo)通狀態(tài)，P3.2管腳呈現(xiàn)高電平，單片機(jī)處于等待狀態(tài)。

圖6 光電檢測(cè)電路

光電檢測(cè)整體電路如圖7所示。本電路結(jié)構(gòu)利用單片機(jī)的最小系統(tǒng)，單片機(jī)的很多接口處于空閑狀態(tài)，這為增加光電檢測(cè)電路功能提供了可能。因?yàn)樵诜抡鏁r(shí)，無(wú)法模擬物體通過(guò)光電檢測(cè)系統(tǒng)，在電路結(jié)構(gòu)中，以開關(guān)代替是否有物體通過(guò)，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，代表沒(méi)有物體通過(guò)，當(dāng)開關(guān)打開時(shí)代表有物體通過(guò)。

圖7 光電檢測(cè)整體電路

4 結(jié)論

本文利用單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)了光電檢測(cè)電路，由仿真結(jié)果分析，本設(shè)計(jì)可以進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)計(jì)數(shù)、工業(yè)生產(chǎn)安全監(jiān)控等。由

于單片機(jī)的很多接口處于空閑狀態(tài)，所以本系統(tǒng)可以增加其它檢測(cè)功能。本設(shè)計(jì)目的是檢驗(yàn)所學(xué)的理論知識(shí)，為以后的工程設(shè)計(jì)打下基本技能。

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[7] 唐繼賢.《51單片機(jī)工程應(yīng)用實(shí)例》硬件部分[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社出版，2003.