王永清,劉歡,王碩南,劉磊
(河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,河北 保定 071002)
電子計(jì)數(shù)器有高精度、方便使用等優(yōu)點(diǎn),發(fā)展迅速,自動(dòng)化程度不斷提高,如今已滲透到各個(gè)領(lǐng)域,成為不可缺少的設(shè)備[1-3].光電檢測(cè)相比于其他檢測(cè)技術(shù)因具備檢測(cè)速度快、與被測(cè)物無(wú)接觸、不會(huì)對(duì)被測(cè)物產(chǎn)生污染、適用范圍較廣等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用[4-7].現(xiàn)階段的計(jì)數(shù)器分為接觸式計(jì)數(shù)器和非接觸式計(jì)數(shù)器,光電計(jì)數(shù)器就是一種非接觸式計(jì)數(shù)器,其利用光電元件制成自動(dòng)計(jì)數(shù)裝置.
本文設(shè)計(jì)基于1N4148玻封二極管的光電轉(zhuǎn)換電路并研制一種光電計(jì)數(shù)器,采用半導(dǎo)體激光器作為光源,1N4148玻封二極管作為光接收元件,可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線上遠(yuǎn)距離的產(chǎn)品計(jì)數(shù).該計(jì)數(shù)器電路簡(jiǎn)單,成本很低,控制靈活,計(jì)數(shù)距離遠(yuǎn),可靠性強(qiáng),可以大大提高生產(chǎn)效率.
本文設(shè)計(jì)的光電計(jì)數(shù)器硬件系統(tǒng)由光電發(fā)射與接收電路、高通濾波電路、精密整流電路、計(jì)數(shù)電路等幾部分組成,整個(gè)電路均使用9 V直流穩(wěn)壓電源為各單元電路供電.這種光電計(jì)數(shù)器的工作原理:從光源發(fā)出的一束平行光照射在光電元件上,每當(dāng)這束光被遮擋1次,光電元件的工作狀態(tài)就改變1次,通過(guò)放大器數(shù)出給定時(shí)間內(nèi)所通過(guò)的脈沖數(shù)并顯示計(jì)數(shù)結(jié)果[8-13].本文所設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)器電路框圖見(jiàn)圖1.
圖1 電路系統(tǒng)整體框圖Fig.1 Overall block diagram of circuit system
本文設(shè)計(jì)的光電計(jì)數(shù)器采用2 kHz方波脈沖驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器.時(shí)基電路NE555端口3輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)三極管緩沖放大后驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器D3,產(chǎn)生調(diào)制頻率為2 kHz的光源.電阻R4為激光器D3的限流電阻,使激光器的工作電流小于等于30 mA.去耦電容C3用于防止激光器對(duì)電源產(chǎn)生干擾,電路如圖2所示.
圖2 半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路Fig.2 Driving circuit diagram of semiconductor laser
計(jì)數(shù)器只有將檢測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),才能進(jìn)行下一步的信號(hào)處理和數(shù)字顯示.本文采用1N4148玻封二極管作為光電轉(zhuǎn)換元件.1N4148玻封二極管與普通二極管一樣,具有1個(gè)PN結(jié),其采用玻璃封裝,激光等強(qiáng)光可通過(guò)其封裝玻璃照射到PN結(jié)從而產(chǎn)生電流[14].本文采用波長(zhǎng)為532、660 nm的半導(dǎo)體激光器作為光源,對(duì)1N4148玻封二極管的光照特性進(jìn)行驗(yàn)證.使用Origin軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,其光照特性曲線見(jiàn)圖3.
圖3 不同波長(zhǎng)激光輻照下1N4148二極管曲線Fig.3 Curve of 1N4148 under different wavelength laser irradiation
結(jié)果表明,與普通硅光電二極管相比,玻璃封裝1N4148二極管靈敏度較低,但在半導(dǎo)體激光器的輻照下可呈現(xiàn)出明顯的光照特性,其可作為光電轉(zhuǎn)換元件與半導(dǎo)體激光器配合使用,增加計(jì)數(shù)距離,降低計(jì)數(shù)器成本.
為方便信號(hào)的處理、轉(zhuǎn)換與顯示,需將1N4148玻封二極管檢測(cè)到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),轉(zhuǎn)換電路如圖4.
圖4 I/V轉(zhuǎn)換電路Fig.4 I/V conversion circuit
二階高通濾波電路由U3、R8~R11、C4、C5組成,電路如圖5所示.由于I/V轉(zhuǎn)換電路輸出的2 kHz的方波調(diào)制信號(hào)中混有環(huán)境自然光、照明燈光以及電源波動(dòng)等干擾信號(hào),這些干擾信號(hào)的光強(qiáng)度變化頻率一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于2 kHz,故選用二階壓控高通濾波電路將其濾除.
圖5 二階壓控高通濾波電路Fig.5 Second order voltage controlled high pass filter circuit
二階高通濾波電路的傳遞函數(shù)為
(1)
其中,通帶放大倍數(shù)為
(2)
截止頻率為
(3)
品質(zhì)因數(shù)為
(4)
二階高通濾波器幅頻特性見(jiàn)文獻(xiàn)[15].
(5)
求得R10=5.7 kΩ,R11=3.3 kΩ.
采用圖5所示二階壓控高通濾波電路及其參數(shù)時(shí),該高通濾波器的截止頻率實(shí)測(cè)約為1.5 kHz,既不會(huì)產(chǎn)生自激振蕩又能夠較好地濾除干擾信號(hào),滿足設(shè)計(jì)要求.
經(jīng)過(guò)高通濾波電路后的信號(hào)為交流脈沖信號(hào),需轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)才能進(jìn)行計(jì)數(shù).因此本文在二階壓控高通濾波電路后設(shè)計(jì)精密整流電路[16-19],將交流脈沖信號(hào)首先轉(zhuǎn)化為直流脈沖信號(hào),然后利用施密特電路將其處理成方波信號(hào)輸出,電路見(jiàn)圖6.
經(jīng)過(guò)整流濾波的直流信號(hào)不能瞬時(shí)完成高低電平的切換,為了減少電路的振蕩,設(shè)計(jì)由NE555構(gòu)成的施密特觸發(fā)整形電路,輸出接單片機(jī)的I/O輸入.
施密特觸發(fā)整形電路可以把緩慢變化的輸入信號(hào)處理成方波信號(hào)輸出.由NE555構(gòu)成的施密特電路如見(jiàn)圖7所示.
圖6 精密半波整流電路Fig.6 Precision half wave rectification circuit
圖7 施密特觸發(fā)電路Fig.7 Schmidt trigger circuit
電路選用簡(jiǎn)單且常用的AT89S52單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)值的處理.AT89S52帶有8 kB的RAM,256 B的ROM,32位I/O口線,3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,完全能夠滿足計(jì)數(shù)器的要求.AT89S52單片機(jī)的P1.4、P1.5、P1.6口連接按鍵開(kāi)關(guān),進(jìn)行數(shù)據(jù)的清零.
顯示部分采用LM016L液晶顯示器,在與單片機(jī)的連接中,P1.0和P1.2口連接LM016L的控制端,P0口連接LM016L的數(shù)據(jù)端,用來(lái)傳輸數(shù)據(jù).
本文所介紹的計(jì)數(shù)器,采用調(diào)制激光光源、二階高通濾波等抗干擾措施,經(jīng)過(guò)仿真并調(diào)試證明本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可行.本設(shè)計(jì)與其他光電計(jì)數(shù)器最大的區(qū)別是:一方面采用日趨廉價(jià)的半導(dǎo)體激光器作為光源,省去了準(zhǔn)直透鏡,大大增加了計(jì)數(shù)距離,保證了光強(qiáng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,基本消除了背景干擾光的影響,提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性;另一方面采用廉價(jià)且常見(jiàn)的1N4148玻封二極管代替光敏器件作為光電轉(zhuǎn)換元件,與半導(dǎo)體激光器配合使用,大大降低了計(jì)數(shù)器生產(chǎn)成本.因此,本文設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)器具有計(jì)數(shù)準(zhǔn)確、電路簡(jiǎn)單、計(jì)數(shù)距離遠(yuǎn)、成本低、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),其應(yīng)用前景良好.