唐繁　張吉左

摘要：該文介紹在單片機最小系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)計了光電檢測系統(tǒng)。該檢測系統(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)合的方法進行設(shè)計。為了驗證設(shè)計的可行性，在設(shè)計中利用Protues進行仿真分析，仿真結(jié)果顯示電路結(jié)構(gòu)正確，達到設(shè)計的目的。

關(guān)鍵詞：單片機；發(fā)光二極管；光敏三極管

中圖分類號：TN702 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）19-4586-03

近年來，自動控制技術(shù)及生產(chǎn)自動化在國家工業(yè)建設(shè)中發(fā)揮了非常重要的角色。光電檢測在自動控制和自動生產(chǎn)中起著不可替代的作用。早起自動化生產(chǎn)，一般采用機械化方式，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和集成電路的出現(xiàn)，自動化生產(chǎn)越來越多的采用電器方式，光電檢測是電器方式自動化經(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?，但是，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，PN結(jié)電流統(tǒng)一采用公式（1） 。

[i=IS（euUT-1）] （1）

測量二極管的伏安特性時發(fā)現(xiàn)，只有在正向電壓足夠大時，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)光二極管簡稱為LED，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)合時能輻射出光波，因而可以用來制成各種發(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)合時釋放出的能量不同，發(fā)出的光波長不同。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。

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，其管芯是一個具有光敏特征的PN結(jié)，當(dāng)光線照射PN結(jié)時，可以使PN結(jié)中產(chǎn)生電子一空穴對，使少數(shù)載流子的密度增加，不過光敏二極管利用的是反向特性，工作時需加上反向電壓，當(dāng)受到光照時， 載流子在反向電壓下漂移，反向飽和電流發(fā)生變化，它隨入射光強度的變化而變化，因此可以利用光照強弱來改變電路中的電流。

光敏二極管是將光信號變成電信號的半導(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放大機理轉(zhuǎn)化成集電極電流實現(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

單片機性能價格比高，體積小，重量輕，抗干擾能力強，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，單片機廣泛應(yīng)用在工業(yè)自動化控制、自動檢測、智能儀器儀表、家用電器等各個方面。該文采用AT89C51，AT89C51單片機是美國Atmel公司生產(chǎn)低電壓，高性能CMOS 8位單片機。AT89C51單片機主要由微處理器、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、4個8位并行I/O口、1個串行口、2個16位定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、特殊功能寄存器等八個功能部件組成[7]。

單片機的4個8位并行I/O口為P0、P1、P2、P3口。該文中只用到P1、P3口，下面簡單介紹這兩個端口的特點。

P1口：P1口是一個內(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，這時可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，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電路時，P1.7管腳所接的發(fā)光二極管發(fā)光。

P3口：由于單片機引腳數(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管腳平時高電平，當(dāng)有物體通過發(fā)光二極管和光敏三極管中間時，P3.2管腳平時低電平，單片機檢測到電平由高電平變化到低電平時，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)有物體通過光電檢測電路時，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

光電檢測電路如圖6所示。當(dāng)開關(guān)物體通過時時，發(fā)光二極管不會發(fā)光，此時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，單片機檢測到低電平，執(zhí)行中斷程序，點亮發(fā)光二極管。當(dāng)沒有物體通過時，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，單片機處于等待狀態(tài)。

圖6 光電檢測電路

光電檢測整體電路如圖7所示。本電路結(jié)構(gòu)利用單片機的最小系統(tǒng)，單片機的很多接口處于空閑狀態(tài)，這為增加光電檢測電路功能提供了可能。因為在仿真時，無法模擬物體通過光電檢測系統(tǒng)，在電路結(jié)構(gòu)中，以開關(guān)代替是否有物體通過，當(dāng)開關(guān)閉合時，代表沒有物體通過，當(dāng)開關(guān)打開時代表有物體通過。

圖7 光電檢測整體電路

4 結(jié)論

本文利用單片機最小系統(tǒng)設(shè)計了光電檢測電路，由仿真結(jié)果分析，本設(shè)計可以進行工業(yè)生產(chǎn)計數(shù)、工業(yè)生產(chǎn)安全監(jiān)控等。由

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

參考文獻：

[1] 雷玉堂.光電檢測技術(shù)[M].北京：中國計量出版社，1995.

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

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

[4] 童詩白.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.單片機高級教程[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2000.

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

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

當(dāng)有物體通過光電檢測電路時，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

光電檢測電路如圖6所示。當(dāng)開關(guān)物體通過時時，發(fā)光二極管不會發(fā)光，此時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，單片機檢測到低電平，執(zhí)行中斷程序，點亮發(fā)光二極管。當(dāng)沒有物體通過時，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，單片機處于等待狀態(tài)。

圖6 光電檢測電路

光電檢測整體電路如圖7所示。本電路結(jié)構(gòu)利用單片機的最小系統(tǒng)，單片機的很多接口處于空閑狀態(tài)，這為增加光電檢測電路功能提供了可能。因為在仿真時，無法模擬物體通過光電檢測系統(tǒng)，在電路結(jié)構(gòu)中，以開關(guān)代替是否有物體通過，當(dāng)開關(guān)閉合時，代表沒有物體通過，當(dāng)開關(guān)打開時代表有物體通過。

圖7 光電檢測整體電路

4 結(jié)論

本文利用單片機最小系統(tǒng)設(shè)計了光電檢測電路，由仿真結(jié)果分析，本設(shè)計可以進行工業(yè)生產(chǎn)計數(shù)、工業(yè)生產(chǎn)安全監(jiān)控等。由

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

參考文獻：

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

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

當(dāng)有物體通過光電檢測電路時，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

光電檢測電路如圖6所示。當(dāng)開關(guān)物體通過時時，發(fā)光二極管不會發(fā)光，此時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，單片機檢測到低電平，執(zhí)行中斷程序，點亮發(fā)光二極管。當(dāng)沒有物體通過時，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，單片機處于等待狀態(tài)。

圖6 光電檢測電路

光電檢測整體電路如圖7所示。本電路結(jié)構(gòu)利用單片機的最小系統(tǒng)，單片機的很多接口處于空閑狀態(tài)，這為增加光電檢測電路功能提供了可能。因為在仿真時，無法模擬物體通過光電檢測系統(tǒng)，在電路結(jié)構(gòu)中，以開關(guān)代替是否有物體通過，當(dāng)開關(guān)閉合時，代表沒有物體通過，當(dāng)開關(guān)打開時代表有物體通過。

圖7 光電檢測整體電路

4 結(jié)論

本文利用單片機最小系統(tǒng)設(shè)計了光電檢測電路，由仿真結(jié)果分析，本設(shè)計可以進行工業(yè)生產(chǎn)計數(shù)、工業(yè)生產(chǎn)安全監(jiān)控等。由

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

參考文獻：

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

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

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