光电探测器设计

中北大学《光电探测理论与技术》作业学院：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：s20110524班级：Y110503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。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（s20110524）2011-8-28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S20110524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。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器。其主要参数如下：①光谱范围p：0.4~1.1μm；②工作波长0：0.9μm；③光敏面直径Q：4mm；④响应度Re：0.5A/W；⑤响应时间t：3ns。PIN光电二极管的实物图如图1所示。图1PIN光电二极管的实物图（3）电子器件的选择本烟雾探测器的主控芯片使用美国TI公司14引脚的超低功耗MSP430F2012单片机；烟雾检测的电流信号放大使用低成本的运算放大器LM358，为降低功耗，采用由PNP和NPN三极管组成的开关电路，为其提供9V工作电源；驱动蜂鸣器采用具有使能控制端的压电蜂鸣器驱动专用芯片RE46C100；主控系统采用9V电池降为3.3V后供电，整个系统功耗低，结构简单。MSP430F2012是TI公司2005年推出的一款高性能16位微控制器，特点是超低功耗和功能集成，特别适用开发自动信号采集、手持式和电池供电设备，其特性如下：①低电压范围：1.8～3.6V②超低功耗：活动模式（1MHz，2.2V时为200μA)待机模式(0.7μA)，掉电模式(RAM数据保持0.1μA)，③从待机到唤醒不到1μs;④五种省电模式（此设计使用LPM3模式:在3V时0.6～0.9μA）⑤内部的超低功耗、低频率振荡器（VLO），不需要晶振就能提供12KHz频率⑥带有2个捕捉/比较功能的16位定时器Timer_A⑦集成内部参考电压、采样及保持和自动扫描电路的8通道、10位200-KspsA/D，通用串行接口USI；支持SPI和I2C；程序代码熔丝保护；零功耗BOR复位保护功能。⑧16位精简指令集，指令周期62.5nsLM358是具有内部频率补偿、直流电压增益较高的低功耗运算放大器。宽电压范围3～30V（单电源），输入失调电流为2nA，偏置电流为20nA,单位增益带宽为1.1MHz，其上电、稳定时间常数均满足探测器的设计要求。强压电蜂鸣器的驱动采用性价比较高的专业芯片RE46C100，该芯片的电压工作范围宽（6～16V），低功耗（空闲电流小于100nA）。3系统光电结构设计自然光和外界光都含有一定的红外光成分，都会对红外接受二极管产生一定的干扰，设计采用密封的方法，将二极管放在一个暗室里，阻断外界光线的进入，红外光发射和接收器件在暗室内的两边间隔一定距离并形成一定的夹角布放、进行可靠固定，保证了烟雾探测器对散射光有足够的灵敏度，如下图所示。在烟气进入的通道上安装细的网罩用于防尘和蚊虫。由于不同入射光波长，不同尺寸的烟雾粒子散射信号不同，一般烟雾粒径分布在0.001到4um之间，绝大多数粒子属于中等粒子，密集分布在680nm到900nm的光波范围内。将红外发射二极管与红外接受二极管的管脚引出暗室外与外部电路相连。图4光电感烟式探测器暗盒示意图4系统硬件电路设计（1）光电二极管的工作模式光电二极管一般有两种工作模式：零偏置工作和反偏置工作。图2所示是光电二极管的两种工作模式的偏置电路，即光伏模式、光导模式。(a)光导模式(b)光伏模式图2光电二极管的工作模式图2中，在光伏模式时，光电二极管可非常精确的线性工作；而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但线性度较低。事实上，在反偏置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流(叫做暗电流或无照电流)；而在零偏置时则没有暗电流，这时二极管的噪声基本上是分路电阻的热噪声。在反偏置时，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。因此，在设计光电二极管电路的过程中，通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计，而不是对两种模式都进行最优化设计。一般来说，在光电精密测量中，被测信号都比较微弱。因此，暗电流的影响一般都非常明显。本设计由于所讨论的待检测信号也是十分微弱的信号。所以，尽量避免噪声干扰是首要任务，设计时选用图2(b)的光伏模式。（2）光源驱动和运放电路模块主控芯片MSP430F2012的P1.4引脚控制运放的电源开关电路，P1.6引脚控制红外发射二极管的关断，LM358运放将红外接收二极管的接收电流放大转换为电压信号，其输出被调节至能够由MSP430F2012的10位ADC模块测量的范围。R4//C2反馈网络用于建立电路的增益，C2为消除运放自激振荡的反馈电容，实现光-电流-电压的线性变换。烟雾检测信号经放大后被引入主控芯片ADC模块通道A3。图5为光源驱动电路和运放电路。该三极管为NPN型，当P1.6输出为高电平时，三极管导通，红外发射二极管发光。红外接收二极管接收到微弱的光信号以后，经运算放大器LM358放大后输入到单片机的P1.3口。图5光源驱动电路和运放电路（3）主控芯片引脚接线图4MSP430F2012单片机引脚接线（4）信号处理电路模块红外线烟雾传感器送出的信号是模拟信号，必须通过AD转换后，变成数字量，才能被单片机进行处理和控制，本设计采用MSP430单片机内置的AD转换器，节约了成本，减小了体积，提高了效率。MSP430F2002单片机配置了10位的AD转换器，ADC10模块能够实现10位精度的模数块转换。将转换结果与设定的阀值进行比较，判断烟雾的存在与否，若存在则输出声光报警信号。（5）强压电蜂鸣器驱动模块该芯片采用9V电池供电，该芯片的使能端HRNET与MSP430的P2.6I/O口连接，当芯片被使能时（也就是使能端为高电平时）,芯片和周边压电蜂鸣器等元器件产生自激振荡而发出报警声音，否则停止工作不报警。所选压电蜂鸣器可发出105dB的报警声音，满足烟雾报警声强的要求。达到一定的烟雾报警，可以这样给个值，就是没有烟雾时采集一个电压值u，经过烟雾时采集到另一个值u0，用u比u0，得到值如果超过阀值就开始报警。阀值是经过多次测量实验，传感器标定的，直接写入单片机的。（6）电源模块系统需要提供9v和3.3V两个工作电压，9V供给RE46C100，3.3V是单片机MSP430F2012的工作电压，本电路选用稳压器TPS715333。TPS71533是一款采用SC-70封装的高输入电压LDO(低压降)稳压器，其与微处理芯片MSP430F1232同属于美国的TI公司