基于1N4148玻封二極管的低成本光電計數(shù)電路設(shè)計

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)

電子計數(shù)器有高精度、方便使用等優(yōu)點，發(fā)展迅速，自動化程度不斷提高，如今已滲透到各個領(lǐng)域，成為不可缺少的設(shè)備[1-3].光電檢測相比于其他檢測技術(shù)因具備檢測速度快、與被測物無接觸、不會對被測物產(chǎn)生污染、適用范圍較廣等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用[4-7].現(xiàn)階段的計數(shù)器分為接觸式計數(shù)器和非接觸式計數(shù)器，光電計數(shù)器就是一種非接觸式計數(shù)器，其利用光電元件制成自動計數(shù)裝置.

本文設(shè)計基于1N4148玻封二極管的光電轉(zhuǎn)換電路并研制一種光電計數(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，可實現(xiàn)生產(chǎn)線上遠(yuǎn)距離的產(chǎn)品計數(shù).該計數(shù)器電路簡單，成本很低，控制靈活，計數(shù)距離遠(yuǎn)，可靠性強，可以大大提高生產(chǎn)效率.

1 電路及工作原理

本文設(shè)計的光電計數(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、計數(shù)電路等幾部分組成，整個電路均使用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，通過放大器數(shù)出給定時間內(nèi)所通過的脈沖數(shù)并顯示計數(shù)結(jié)果[8-13].本文所設(shè)計的計數(shù)器電路框圖見圖1.

圖1 電路系統(tǒng)整體框圖Fig.1 Overall block diagram of circuit system

2 電路設(shè)計

2.1 半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電路

本文設(shè)計的光電計數(shù)器采用2 kHz方波脈沖驅(qū)動半導(dǎo)體激光器.時基電路NE555端口3輸出的脈沖信號經(jīng)三極管緩沖放大后驅(qū)動半導(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)動電路Fig.2 Driving circuit diagram of semiconductor laser

2.2 光電、I/V轉(zhuǎn)換電路

計數(shù)器只有將檢測到的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，才能進行下一步的信號處理和數(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PN結(jié),其采用玻璃封裝，激光等強光可通過其封裝玻璃照射到PN結(jié)從而產(chǎn)生電流[14].本文采用波長為532、660 nm的半導(dǎo)體激光器作為光源，對1N4148玻封二極管的光照特性進行驗證.使用Origin軟件對測量數(shù)據(jù)進行處理，其光照特性曲線見圖3.

圖3 不同波長激光輻照下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，增加計數(shù)距離，降低計數(shù)器成本.

為方便信號的處理、轉(zhuǎn)換與顯示，需將1N4148玻封二極管檢測到的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，轉(zhuǎn)換電路如圖4.

圖4 I/V轉(zhuǎn)換電路Fig.4 I/V conversion circuit

2.3 二階高通濾波電路

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)制信號中混有環(huán)境自然光、照明燈光以及電源波動等干擾信號，這些干擾信號的光強度變化頻率一般遠(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文獻[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，該高通濾波器的截止頻率實測約為1.5 kHz，既不會產(chǎn)生自激振蕩又能夠較好地濾除干擾信號，滿足設(shè)計要求.

2.4 精密整流電路

經(jīng)過高通濾波電路后的信號為交流脈沖信號，需轉(zhuǎn)換為直流信號才能進行計數(shù).因此本文在二階壓控高通濾波電路后設(shè)計精密整流電路[16-19]，將交流脈沖信號首先轉(zhuǎn)化為直流脈沖信號，然后利用施密特電路將其處理成方波信號輸出,電路見圖6.

2.5 施密特觸發(fā)整形電路

經(jīng)過整流濾波的直流信號不能瞬時完成高低電平的切換，為了減少電路的振蕩，設(shè)計由NE555構(gòu)成的施密特觸發(fā)整形電路，輸出接單片機的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處理成方波信號輸出.由NE555構(gòu)成的施密特電路如見圖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

2.6 計數(shù)顯示電路

電路選用簡單且常用的AT89S52單片機來實現(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16位定時器/計數(shù)器，完全能夠滿足計數(shù)器的要求.AT89S52單片機的P1.4、P1.5、P1.6口連接按鍵開關(guān)，進行數(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，用來傳輸數(shù)據(jù).

3 結(jié)論

本文所介紹的計數(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)過仿真并調(diào)試證明本設(shè)計簡單可行.本設(shè)計與其他光電計數(shù)器最大的區(qū)別是：一方面采用日趨廉價的半導(dǎo)體激光器作為光源，省去了準(zhǔn)直透鏡，大大增加了計數(shù)距離，保證了光強的長期穩(wěn)定性，基本消除了背景干擾光的影響，提高了測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；另一方面采用廉價且常見的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，大大降低了計數(shù)器生產(chǎn)成本.因此，本文設(shè)計的計數(shù)器具有計數(shù)準(zhǔn)確、電路簡單、計數(shù)距離遠(yuǎn)、成本低、實用性強等優(yōu)點，其應(yīng)用前景良好.