張棟, 于景洋, 許銘濤,2, 蘇旭博,3

(1.延安大學 物理與電子信息學院, 陜西 延安 716000；2.西安理工大學 自動化與信息工程學院,陜西 西安 710048；3. 蘭州交通大學 電子與信息工程學院，甘肅 蘭州 730070)

基金項目:延安大學2014年省級精品資源共享課程項目“模擬電子技術”(2014006)；陜西省2013年省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目(13-1272)；陜西省教育廳資助項目“基于物聯(lián)網(wǎng)的陜北地區(qū)油井無線網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)研究”(14JK1829)

0 引 言

當今，在電子產(chǎn)品方面，中國雖然已經(jīng)成為制造大國，但不是制造強國。大家仍然喜歡購買昂貴的國外品牌電子產(chǎn)品，而不喜歡購買便宜的國內(nèi)電子產(chǎn)品。究其原因，產(chǎn)品質量和可靠性有一定的差距。國內(nèi)電子產(chǎn)品和國外領先企業(yè)產(chǎn)品的差距已經(jīng)不是功能和性能的差距，而是質量和可靠性的差距。而質量可靠性差的主要原因是：國內(nèi)設計人員可靠性設計意識的缺失，導致設計水平低，造成缺乏軟硬件可靠性的應用經(jīng)驗。由此造成的設計水平低，僅靠個人的經(jīng)驗和責任心是無法提高的。故在社會和企業(yè)，設計人員回爐再鍛煉，學習相關的可靠性設計技術熱情高漲。也有許多公司反復舉辦電子可靠性設計的培訓班，受到了相關企事業(yè)單位、公司的重視與追捧，并積極參與。

同樣，在以往的大學生電子設計競賽中，經(jīng)常會出現(xiàn)以下幾種情況：已經(jīng)完成的競賽作品，當從學校異地運輸?shù)綔y試場地時，發(fā)現(xiàn)競賽作品出現(xiàn)故障；競賽至最后一天時，已經(jīng)完成的模塊突然出現(xiàn)問題；基本功能完成后，新增提高要求時，基本功能反而無法實現(xiàn)。從以上現(xiàn)象反映出電子產(chǎn)品的可靠性是一個至關重要的問題，而剛剛開始接觸電子產(chǎn)品設計的大學生往往對此缺乏基本的認知。對于大學生來講，參與電子設計競賽，關注重點是功能的實現(xiàn)，對于可靠性的問題則關注較少，甚至并未意識到可靠性設計的重要性[1-2]。當然，這和當今大學生開設的課程相關，在沒有系統(tǒng)學習可靠性設計的課程前，不會自發(fā)自覺產(chǎn)生可靠性設計的意識。然而，后續(xù)的課程中，也很難體現(xiàn)出這方面的因素。為提高可靠性設計意識，設計一個典型案例，完成初步的電子產(chǎn)品可靠性設計訓練，為將來從事的工作打下基礎，提高就業(yè)能力。

因此，從大學生電子競賽一個常用器件，用于循跡、火焰探測等的光電檢測裝置出發(fā)，重新進行可靠性設計，通過二次設計和開發(fā)，提高其使用可靠性。

1 原光電檢測裝置簡介

如圖1所示，原有光電檢測裝置由往屆大學生設計制作，與市面多種零售光電檢測裝置基本類似。

圖1 原有光電檢測裝置實物正反圖

通過觀察和使用發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

(1)外接導線和電路板易受外力作用，發(fā)生脫焊開路現(xiàn)象。

(2)電位計與電路板焊盤不匹配，高高豎起，極易脫焊斷開。

(3)由于電路板面積狹小，電阻焊盤間距小，只能采取豎立的方式，抗震性差，受外力作用，易于發(fā)生相互之間短路現(xiàn)象。

(4)電路板單面覆銅接地，單面覆銅接電源，便于引出電源，但極易發(fā)生電源地短路事件。

圖2 原有光電檢測裝置檢測電路圖

(5)調好電位計中點，在光線明暗不同的實驗室或晝夜，閾值發(fā)生明顯變化，適應性較差。

通過萬用表測量容易獲得其檢測部分原理圖，如圖2所示，為簡易橋路平衡比較電路。與市面所售光電檢測裝置相同，主要存在問題(5)對環(huán)境光適應性非常差。

2 簡單問題的可靠性設計及器件特性測試

針對以上存在的5個問題，進行二次設計:改變接頭選擇，電路板選擇，紅外發(fā)光二極管的選擇，電流、個數(shù)、形狀，閾值選擇，光敏二極管的選擇等[3-5]。

2.1 簡單問題的可靠性設計

其中(1)～(4)問題簡單[6-7]，可采用以下設計解決：

(1)外接導線根部固定，且采用雙接頭冗余備份設計。

(2)更換電位計封裝形式，或采用大焊盤匹配。

(3)重新布局布線，讓電阻等元器件平貼電路板，多余引線盡可能短且不外漏。

(4)電路板重新布局布線，甚至可以采用單面板。

問題(5)與常見成品光電檢測裝置存在問題一致，是本次設計研究重點，需要進一步研究閾值相關因素,得先解決以下問題。

2.2 紅外發(fā)光二極管的特性測試

圖3 紅外發(fā)光二極管的伏安特性曲線

光電檢測裝置基本原理是紅外發(fā)光二極管的紅外光發(fā)射，光敏二極管接收反射的紅外光來判斷黑白。紅外發(fā)光二極管特性直接決定發(fā)射光，必將影響反射光的接收效果。然而，市場上購買的元器件通常無法獲得其詳細的參數(shù)，于是，在一批紅外發(fā)光二極管中隨機選取若干個進行基本性能的測試，為后續(xù)設計打好基礎。經(jīng)測試，紅外發(fā)光二極管的正向導通的伏安特性曲線如圖3所示。

據(jù)此，可設計紅外發(fā)光二極管的額定工作電流，特別考慮工作壽命影響，工作電流可選20～25 mA,然后根據(jù)工作電壓可選取限流電阻。

圖4 紅外發(fā)光二極管的發(fā)光觀測

圖5 橋路匹配電阻受光后電流圖

由于缺乏分光儀等測試設備，對于紅外光強度無法直接定量測試，先用肉眼觀察定性分析。然而，紅外光在肉眼的可視范圍之外，無法直接觀察。利用手機照相機的全光譜特性，如圖4所示，可以通過照相機的鏡頭來定性觀察發(fā)光狀況，注意，蘋果手機無法觀測此現(xiàn)象。

關于紅外光強度定量計算，通過檢測光敏二極管電流值或匹配等效電阻來確定發(fā)光二極管的效能，等效定量計算紅外發(fā)光二極管的發(fā)光強度。

2.3 光敏二極管的橋路匹配電阻設計

光敏二極管和所在橋路的電阻分壓后輸出到比較器，和設定閾值比較，來判定是否接收到反射光信號。因此，此橋路匹配電阻的選取應接近光敏二極管接收反射光時的等效電阻，或使接收反射光后電流電壓變化最大，如圖5所示，此次設計選1.3 kΩ。

3 核心問題的閾值可靠性設計

解決器件特性問題后，即可進行本次可靠性設計的重點——閾值設計。原閾值僅靠電位計調節(jié)，不能同時滿足不同光亮度環(huán)境。

3.1 多發(fā)光管設計選擇

圖6 多紅外發(fā)光二極管的發(fā)光強度觀測

已知單紅外發(fā)光管不滿足使用需求，故測試單、雙、三和四紅外發(fā)光管進行比較[8]。

如圖6所示，多管發(fā)光強度基本線性增長高于單管，但四管相比較三管，其效能已經(jīng)不明顯。

3.2 背景光影響因素

光電檢測要考慮在不同光背景下進行數(shù)據(jù)測量[9]。測量環(huán)境按明暗程度分類包括：①太陽光直射下無玻璃隔擋；②太陽光直射下有一層玻璃隔擋；③太陽光直射下有兩層玻璃隔擋；④普通的背光實驗室環(huán)境中； ⑤太陽光非直射下用不透光的窗簾隔擋； ⑥晚上日光燈下等。

如圖7所示，背景光在陽光直射情況和普通背光及夜間有明顯的不同，結合圖6可以看出單發(fā)光管對于日光的照射已經(jīng)無能為力，必須在雙發(fā)光管以上，三發(fā)光管基本適宜。

圖7 背景光的明暗強度影響

3.3 多發(fā)光管布局設計

采用多發(fā)光管方式就帶來一個布局問題，經(jīng)比較包圍和單邊兩種布局，發(fā)現(xiàn)單邊布局略優(yōu)于包圍布局，如表1所示，主要與距離相關。

表1 多發(fā)光管布局比較

3.4 變閾值光敏二極管設計

原電路為固定閾值比較，只能通過增強發(fā)光管的亮度來獲得更大的閾值范圍。由圖7可以看出，在強光條件下，其已經(jīng)趨于臨界，易于出現(xiàn)誤判和錯判。在固定閾值橋路中，設計其上端電阻用光敏二極管取代，其僅接收環(huán)境光的變化，而不接收反射光，從而使閾值隨環(huán)境光變化，提高其適應能力。

此外，若實際系統(tǒng)主控芯片有AD閑置，可以直接用兩路AD采樣反射光和背景光的等效強度，取其差值，也能同樣達到目的。本次設計采用TM4C123GH6PM芯片[10-11]，如表2所示，一般閾值取碼值3 500，當背景光達碼值3 400時閾值可取3 700。

表2 反射光與背景光等效強度測試表

經(jīng)實測，效果良好，在晝夜均可分辨出反射光與環(huán)境光的不同。

4 可測性設計

在實際使用中，光電檢測裝置是與其他設備配合使用的。當出現(xiàn)故障時，到底是檢測裝置出現(xiàn)問題，還是其他控制設備發(fā)生故障，需要使用萬用表或示波器來測量比較器的輸出電平高低，測試非常不便，為了加快測試進度，提高調試快捷性，增加了可測性設計。在光電檢測輸出端并聯(lián)一個有色發(fā)光二極管，以發(fā)光管的亮滅來對應檢測裝置測試結果，加快了調試進度，一目了然，使用非常方便。

5 結束語

綜上所述，由于實際使用場景的變換，其背景光源發(fā)生變化，導致紅外光敏二極管的測量范圍發(fā)生大跨度的變化，從而使測量失敗。而從發(fā)射和接收兩方面雙管齊下，擴大閾值范圍，并自動調節(jié)閾值中點，最終獲得更強的檢測適應性，提高了工作的可靠性。通過對以上改進型光電檢測裝置的測試分析，可以得出以下結論：

(1)單發(fā)光管反射光弱于對應雙層玻璃直射光強度，當環(huán)境光增強時檢測裝置容易失效。

(2)三發(fā)光管設計可以基本滿足強光場景使用。

(3)變閾值接收管設計可以自適應場景變換，晝夜使用。

此外，若不考慮成本問題，也可以采用單片機AD采樣，實現(xiàn)變閾值檢測方式，晝夜也均可使用。