光電傳感器論文

1、隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展,光子以其獨特的優(yōu)點,具有極快的響應(yīng)速度,極大的頻寬,信息容量和極高的信息效率推動信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,具有越來越大的競爭力.光子技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合相互交叉、相互滲透與補充已經(jīng)成為信息科學(xué)技術(shù)的主體之一，光子和微電子是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和核心，光電信息產(chǎn)業(yè)已成為世界上發(fā)達國家的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。美國政府已將光子學(xué)與光子技術(shù)列為國家發(fā)展的重點，認為該領(lǐng)域“在國家安全與經(jīng)濟競爭方面有深遠的意義和潛力”，并肯定“通信和計算機研究與發(fā)展的未來世界屬于光子學(xué)領(lǐng)域”。本論文通過對常用光電檢測傳感器性能測試演示實驗臺的研究進一步展開了對常規(guī)光電檢測器件的研究。在本篇論文中共使用了四種光電器件，

2、通過對硬件電路的調(diào)試，掌握了這幾種器件的光電特性，并通過調(diào)試一些小程序，對這些器件進行檢測，從而了解其工作特點。在軟件方面，用了AVR系列的MEGA8代替了傳統(tǒng)的8051單片機，嘗試了匯編和C語言的編程，深刻地體會到兩種語言在不同單片機中的作用。關(guān)鍵字：光電信號變換光電檢測技術(shù)光輻射檢測非接觸測量MEGA8AbstractWith the development of modern information technology, photon has its unique advantage, such as fast response speed, ultra wide band, info

3、rmation capacity and high information efficiency, so it largely promotes the development of information science and technology, and it is more competitive in the future. The combination, penetration and supplement of photon technology and microelectronic technology has become one of the main bodies

4、of information science and technology, the foundation and kernel of modern information industry. Photo electronics industry has become the leading industry of developed countries in the world. US government has listed the photons and photon technology into the important field of country development,

5、 it has pointed out that “it has the long-lasting importance and potential in the state safety and economic competition ”, emphasized that “the future world of the research and development of communications and computers will be in the photon field”.This thesis further researches into the research o

6、f common photodetector through “The Research of The Demo Platform for Capability Testing of Common Photodetector ”.In this thesis, we deals with four photo electronic devices. We have commanded the character of these devices and test these devices by debugging some programs, by this way we learn the

7、 working features of them! In the software field, we use MEGA8 to substitute the traditional 8051 microchips, and trying the assemble language and C language to program! We deeply experience the function of the two languages in different microchips!Keyword: Photoelectric signal is alternated，Photoel

8、ectric，detectiotechnology ，The detection of ray radiation，Not contact measure，MEGA8目錄第一章緒論11.1 引言11.2 光電檢測技術(shù)的現(xiàn)代發(fā)展21.3 論文研究目的和內(nèi)容2第二章光電檢測器件32.1 半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件3半導(dǎo)體結(jié)型光電器件（光伏器件）10第三章新型單片機ATMEGA8173.1 綜述173.2 軟件調(diào)試18串行編程模式20第四章常用光電檢測傳感器性能測試演示實驗臺的研究光電置入密碼鎖的設(shè)計23軟件設(shè)計方法23硬件設(shè)計方法24光電置入密碼鎖的總體設(shè)計25總結(jié)31致謝32參考文獻33第一章 緒論1.1

9、 引言現(xiàn)代信息技術(shù)包含信息采集、信息傳輸和信息處理等內(nèi)容。信息采集：類似于人的感官系統(tǒng)，負責(zé)獲得原始的信息，主要由各類傳感器完成。傳感器是將各類原始信息(被測控的非電物理量)轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的易于處理的電信號輸出的裝置。在人的一生中，獲得信息量最大的感官是眼睛，通過光獲得的信息占總信息量的80左右。同樣，在各類傳感器中，光電傳感器以大容量、非接觸、在線和主動獲取信息而脫穎而出，可實現(xiàn)納米級(高精度)和光子級(弱信號)測量，滿足現(xiàn)代社會對信息獲取的要求?，F(xiàn)代光電信息處理重點包括如下方面內(nèi)容： 信息傳輸：類似于人的神經(jīng)系統(tǒng)，負責(zé)信息的傳送，屬通訊領(lǐng)域。傳統(tǒng)的通訊分有線(電線)和無線(電磁波)兩種，然

10、而，這種通訊方式已滿足不了現(xiàn)代大信息傳輸?shù)囊?。于是，大容量和高帶寬的光通訊就誕生了，有線光通訊(光纜)正在替代電纜通訊，無線光通信也正在研制和發(fā)展中， 信息處理：類似于人的大腦系統(tǒng)負責(zé)對信息的綜合處理顯然由電子計算機完成。然而，盡管電子計算機處理速度在不斷提高，但還是滿足不了人們的要求，于是，計算機網(wǎng)絡(luò)就誕生了，人們借助于光通信技術(shù)的發(fā)展，利用信息高速公路(光網(wǎng))的多臺計算機來得到或處理信息。為了進一步滿足人們對大信息處理的要求光計算機也正在研制中。 從上述分析可知，現(xiàn)代信息技術(shù)的主體是光子技術(shù)與微電子技術(shù)，而光子技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合，它們相互交叉、相互滲透與補充，就形成了光電信息技術(shù)，光電

11、信息技術(shù)的主要內(nèi)容是電光信息轉(zhuǎn)換和光電信息的轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用，是現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)和核心。1.2 光電檢測技術(shù)的現(xiàn)代發(fā)展 光電信息技術(shù)是光子技術(shù)與微電子技術(shù)的結(jié)合，是現(xiàn)代信息技術(shù)的核心，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。我國政府十分重視光電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已將它列入國民經(jīng)濟優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域，把光電子產(chǎn)業(yè)列為國家重點發(fā)展計劃，繼1986年3月王大珩等四位專家倡導(dǎo)的“863計劃”之后，在此基礎(chǔ)上開始了“973計劃”，這兩個高科技計劃的重點是光電子產(chǎn)業(yè)。據(jù)國家統(tǒng)計資料顯示，受信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化浪潮的推動，中國的光電信息市場和產(chǎn)業(yè)也呈現(xiàn)出高速增長態(tài)勢，成為拉動整個國民經(jīng)濟增長的第一支柱行業(yè)。1999年底全國范圍內(nèi)建

12、成了“八橫八縱”的光纜網(wǎng)。武漢、廣東和長春等地提出了建設(shè)中國光谷的規(guī)劃。 本世紀是光的年代，因此深入研究光電技術(shù)并應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)與國防事業(yè)之中，勢在必行。1.3 論文研究目的和內(nèi)容本論文通過對常用光電檢測傳感器性能測試演示實驗臺的研究進一步展開了對常規(guī)光電檢測器件的研究。論文研究目的在于掌握各種光電器件的特性及使用方法，了解現(xiàn)代智能化器件在光電信息處理中的應(yīng)用。從而進一步掌握基于實驗臺的系統(tǒng)硬件設(shè)計和調(diào)試以及軟件的編程。培養(yǎng)在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)錯誤并排除故障的能力。論文的內(nèi)容主要是由于光電置入式智能密碼鎖使用了光敏電阻，光電開關(guān)，紅外對管等光電傳感器，利用其對光的敏感特性，實現(xiàn)光電信息置入。同時利

13、用性能卓越的新型的單片機mega8的中斷源進行有效的結(jié)合，實現(xiàn)對密碼的置入。 第二章 光電檢測器件2.1 半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件光電信息轉(zhuǎn)換是光電信息技術(shù)的核心內(nèi)容，正是由于各類光電信息轉(zhuǎn)換器件的發(fā)明和性能的不斷改善，才導(dǎo)致了現(xiàn)代光電信息技術(shù)的迅猛發(fā)展。 光電信息轉(zhuǎn)換原理，主要有以下四種： 1外光電效應(yīng)。在入射光能量作用下，某些物體內(nèi)的電子逸出物體表面，向外發(fā)射電子，用此原理制成的光電信息轉(zhuǎn)換器件有光電倍增管、真空光電管、充氣光電管等。 2光電導(dǎo)效應(yīng)。在入射光線的作用下，半導(dǎo)體材料中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子的激發(fā)，將由價帶越過禁帶躍遷到導(dǎo)帶，從而使導(dǎo)帶中電子濃度加大，材料的電阻率減小。

14、基于這種原理的光電信息轉(zhuǎn)換器件有光敏電阻等。 3光伏效應(yīng)。在入射光能量作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢。以PN結(jié)為例，由于光線照射PN結(jié)而產(chǎn)生的電子和空穴，在內(nèi)電場作用下分別移向N和P區(qū)，從而對外形成光生電動勢?；谠撔?yīng)制成的光電信息轉(zhuǎn)換器件有光電池、光敏二極管、光敏三極管等。 4光電熱效應(yīng)。光照引起材料溫度發(fā)生變化而產(chǎn)生電流，如熱釋電、蹄鎘汞(CMT)等，這類器件稱為熱電探測器。一、 光敏電阻光敏電阻利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成。當(dāng)入射光子使電子由價帶躍升到導(dǎo)帶時，導(dǎo)帶中的電阻和價帶中的空穴二者均參與導(dǎo)電，因此電阻顯著減小，稱為光敏電阻。這種本征光電導(dǎo)效應(yīng)可用來檢測可見光和近紅外輻射。如果入射光子

15、從雜質(zhì)能級躍升到導(dǎo)帶(非本征光電導(dǎo))，那么N型材料的電導(dǎo)率增大。與此相似的，當(dāng)光子能量使電子由價帶躍升到P型主能級，從而使價帶中留有可移動的交穴時，P型材料就會出現(xiàn)非本征光電導(dǎo)。光敏電阻與其它半導(dǎo)體光電器件相比有以下特點： 1光譜響應(yīng)相當(dāng)寬。根據(jù)不同的光電導(dǎo)材料，光敏電阻的靈敏域可在紫外光區(qū)，可見光區(qū)，也可在紅外區(qū)和遠紅外區(qū)。 2所測的光強范圍寬，即可對強光響應(yīng)，也可對弱光響應(yīng)。 3無極性之分，使用方便，成本低，壽命長。 4靈敏度高工作電流大，可達數(shù)毫安。 光敏電阻的原理是半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)，只有能量（h）大于材料禁帶寬度（Eg）的光子，才能使材料產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)。每一種半導(dǎo)體或絕緣體都有一定的

16、光電導(dǎo)效應(yīng)，但只有其中一部分材料經(jīng)過特殊處理，摻進適當(dāng)雜質(zhì)，才有明顯的光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻的結(jié)構(gòu)是在一塊光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃、云母、高頻瓷或其它絕緣材料基板上，兩端接有電極引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。光敏面作成蛇形，電極作成梳狀是因為這樣既可以保證有較大的受光表面，也可以減小電極之間距離，從而既可減小極間電子渡越時間，也有利于提高靈敏度。圖2-1 光敏電阻結(jié)構(gòu)圖1光敏電阻的特性（1）光電導(dǎo)靈敏度 按靈敏度定義（響應(yīng)量與輸入量之比），可得 ()：光電導(dǎo)，單位為西門子S（）。：照度，單位為勒克斯（lx）。單位為西門子/勒克斯（）或。（2）.光電特性光電流與照度的關(guān)系稱為光

17、電特性。光敏電阻光電特性如下： ()：光電流：照度：電壓指數(shù)：光電導(dǎo)靈敏度:光敏電阻兩端所加的電壓與材料和入射光強弱有關(guān)，對于硫化鎘光電導(dǎo)體，在弱光照下1，在強光照下0.5，一般0.51。與光電導(dǎo)體和電極材料之間的接觸有關(guān)，歐姆接觸時1，非歐姆接觸時=1.11.2。圖2.2 硫化鎘光敏電阻的光電特性曲線    由圖可見，硫化鎘光敏電阻在弱光照下，與具有良好的線性關(guān)系，在強光照下則為非線性關(guān)系，其它光敏電阻也有類似的性質(zhì)。如果電壓指數(shù)1，在弱光照下有()（3）光譜特性    光譜特性多用相對靈敏度與波長的關(guān)系曲線表示。從這種曲線中可以直

18、接看出靈敏范圍、峰值波長位置和各波長下靈敏度的相對關(guān)系。圖2.3 在可見光區(qū)靈敏的幾種光敏電阻的光譜特性曲線 1-硫化鎘單晶  2-硫化鎘多晶  3-硒化鎘多晶4-硫化鎘與硒化鎘混合多晶圖2.4 在紅外區(qū)靈敏的幾種光敏電阻的光譜特性曲線由圖可見，硫化鎘單晶、硫化鎘與硒化鎘混合多晶，硫化鎘多晶、硒化鎘多晶等幾種光敏電阻的光譜特性曲線覆蓋了整個可見光區(qū)，峰值波長在515600um之間。（4）溫度特性光敏電阻的溫度特性很復(fù)雜，在一定的照度下，亮電阻的溫度系數(shù)有正有負，()、分別為與溫度、相對應(yīng)的亮電阻。溫度對光譜響應(yīng)也有影響。一般說，光譜特性主要決定于材料，材料的禁帶寬度越窄則對

19、長波越敏感，但禁帶很窄時，半導(dǎo)體中熱激發(fā)也會使自由載流子濃度增加，使復(fù)合加快，靈敏度降低。因此，采取冷卻靈敏面的辦法來提高靈敏度往往是很有效的。圖2.5 硫化鉛光敏電阻在冷卻情況下相對光譜靈敏度的變化（5）頻率特性。    光敏電阻是依靠非平衡載流子效應(yīng)工作的，非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合都有一個時間過程，這個時間過程在一定程度上影響了光敏電阻對變化光照的響應(yīng)。光敏電阻采用交變光照時，其輸出將隨入射光頻率的增加而減小。圖2.6 幾種光敏電阻的頻率特性曲線1-硒  2-硫化鎘  3-硫化鉈  4-硫化鉛（6）伏安特性在一定的光照下，加到光敏

20、電阻兩端的電壓與流過光敏電阻的亮電流之間的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性，常用曲線表示。 圖中的虛線為額定功耗線。使用光敏電阻時，應(yīng)不使電阻的實際功耗超過額定值。從圖上來說，就是不能使靜態(tài)工作點居于虛線以內(nèi)的區(qū)域。按這一要求，在設(shè)計負載電阻時，應(yīng)不使負載線與額定功耗線相交。圖2.7 光敏電阻的伏安特性曲線2光敏電阻的使用光敏電阻的重要特點是，光譜響應(yīng)范圍寬，測光范圍寬，靈敏度高，無極性之分。但由于材料不同，在性能上差別較大。使用中應(yīng)注意：    1）當(dāng)用于模擬量測量時，因光照指數(shù)與光照強弱有關(guān)，只有在弱光照下光電流與入射輻射通量成線性關(guān)系。  &#

21、160; 2）用于光度量測試儀器時，必須對光譜特性曲線進行修正，保證其與人眼的光譜光視效率曲線符合。    3）光敏電阻的光譜特性與溫度有關(guān)，溫度低時，靈敏范圍和峰值波長都向長波方向移動，可采取冷卻靈敏面的辦法來提高光敏電阻在長波區(qū)的靈敏度。    4）光敏電阻的溫度特性很復(fù)雜，電阻溫度系數(shù)有正有負，一般說，光敏電阻不適于在高溫下使用，溫度高時輸出將明顯減小，甚至無輸出。    5）光敏電阻頻帶寬度都比較窄，在室溫下只有少數(shù)品種能超過1000Hz，而且光電增益與帶寬之積為一常量，如要求帶寬較寬，必須以犧牲

22、靈敏度為代價。6）設(shè)計負載電阻時，應(yīng)考慮到光敏電阻的額定功耗，負載電阻值不能很小。2.2半導(dǎo)體結(jié)型光電器件（光伏器件）利用半導(dǎo)體PN結(jié)光伏效應(yīng)制成的器件稱為光伏器件，也稱結(jié)型光電器件。這類器件品種很多，其中包括各種光電池、光電二極管、光電晶體管、光電場效應(yīng)管、PIN管、雪崩光電二極管、光可控硅、陣列式光電器件、象限式光電器件、位置敏感探測器（PSD）、光電耦合器件等。一、半導(dǎo)體發(fā)光二極管 發(fā)光是一種能量轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。當(dāng)系統(tǒng)受到外界激發(fā)后，從穩(wěn)定的低能態(tài)躍遷到不穩(wěn)定的高能態(tài)，在系統(tǒng)由不穩(wěn)定的高能態(tài)重新回到穩(wěn)定的低能態(tài)時，如果其多余的能量以光的形式輻射出來，就產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。半導(dǎo)體發(fā)光二極管利用注入p-

23、n結(jié)的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合發(fā)光，是一種直接把電能轉(zhuǎn)換成光能的固體發(fā)光器件。1半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)和原理發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)，是利用正向偏置PN結(jié)中電子與空穴的輻射復(fù)合發(fā)光的，是自發(fā)輻射發(fā)光，不需要較高的注入電流產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，也不需要光學(xué)諧振腔，發(fā)射的是非相干光。圖2.8 LED結(jié)構(gòu)圖發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個過渡層，稱PN結(jié)。在半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以

24、注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。 當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關(guān)。2LED光源的特點 (1)LED輻射光為非相干光，光譜較寬，發(fā)散角大。 (2)LED的發(fā)光顏色非常豐富，通過選用不同的材料，可以實現(xiàn)各種發(fā)光顏色。如采用GaP：ZnO或GaAaP材料的紅色LED，GaAaP材料的橙色、黃色LED，以及GaN藍色LED等。而且通過紅、綠、藍三原色的組合，可以實現(xiàn)全色化。 (3)LED的輝度高。隨著各種顏色LED輝度的迅速提高，即使在日光

25、下，由LED發(fā)出的光也能視認。正是基于這一優(yōu)勢，在室外用信息板、廣告牌、道路通行狀況告示牌等方面的應(yīng)用正迅速擴大。 (4)LED的單元體積小。在其他顯示器件不能使用的極小的范圍內(nèi)也可使用，再加上低電壓、低電流驅(qū)動的特點，作為電子儀器設(shè)備、家用電器的指示燈、信號燈的使用范圍還會進一步擴大。 (5)壽命長，基本上不需要維修?？勺鳛榈匕濉ⅠR路、廣場地面的信號光源，是一個新的應(yīng)用領(lǐng)域。3發(fā)光二極管的主要特性（1）伏安特性圖2.9發(fā)光二極管伏安特性曲線通過發(fā)光二極管的電流與加到二極管兩端電壓之間的關(guān)系，稱為發(fā)光二極管的伏安特性。圖中，UT為開啟電壓。UUT時，二極管導(dǎo)通發(fā)光。UUT時，二極管截止不發(fā)光。

26、UT的大小與材料、工藝等因素有關(guān)。一般GaAs管的UT約為1.3V；GaP管的UT約為2V；GaAsP管的UT約為1.6V；GaAlAs管的UT約為1.55V。（2）發(fā)光亮度發(fā)光二極管的發(fā)光亮度，基本上是正比于電流密度的，一般管的發(fā)光亮度都與電流密度成正比例，亮度正比于電流密度這種性質(zhì)，對于采用脈沖驅(qū)動的方式是很有利的，它可以在平均電流與直流電流相等的情況下，獲得很高的亮度。（3）溫度特性圖2.10 發(fā)光電流與溫度的關(guān)系曲線溫度對PN結(jié)的復(fù)合發(fā)光是有影響的，在偏置電壓不變的情況下，結(jié)溫升高到一定程度后，電流將變小，發(fā)光亮度減弱，電流與溫度的關(guān)系大致如上圖所示。 （4）時間響應(yīng) 這里說的時間響應(yīng)

27、，是指發(fā)光二極管啟亮與熄滅時的時間延遲。發(fā)光二極管的響應(yīng)時間很短，一般只有幾納秒至幾十納秒。當(dāng)利用脈沖電流去驅(qū)動發(fā)光二極管時，應(yīng)考慮到脈沖寬度、空度比與響應(yīng)時間的關(guān)系。  （5）壽命發(fā)光二極管的壽命都很長，在電流密度j1的情況下，可達以上。不過，電流密度對二極管的壽命是有影響的，電流密度大時，發(fā)光亮度高，壽命就會很快縮短。二、光電耦合器1光電耦合器的原理光電耦合器是一種把電子信號轉(zhuǎn)換成為光學(xué)信號，然后又回復(fù)電子信號的半導(dǎo)體器件。當(dāng)電流移向電耦合器的輸入面（如下圖），光學(xué)信號由發(fā)光二極管輸出 。輸出面的光學(xué)感應(yīng)器察覺之，同時電流移動。 圖2.11 電耦合器的操作原理圖2.12 電耦合器

28、2光電耦合器的應(yīng)用1）、光電耦合器用于電平轉(zhuǎn)換。2）、光電耦合器用于邏輯門電路。3）、光電耦合器起隔離作用。 由于光電耦合的抗干擾性比晶體管好，因此，用光電耦合器組成的邏輯電路要比晶體管可靠得多。三、光電開關(guān)1、工作原理光電開關(guān)（光電傳感器）是光電接近開關(guān)的簡稱，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體有無的。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測。光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強弱或有無對目標物體進行探測。多數(shù)光電開關(guān)選用的是波長接近可見光的紅外線光波型。2、光電開關(guān)的分類紅外線屬于一種電磁射線，其特性等同于無線電

29、或X射線。人眼可見的光波是380nm-780nm，發(fā)射波長為780nm-1mm的長射線稱為紅外線，浙江省洞頭縣光電開關(guān)廠生產(chǎn)的紅外線光電開關(guān)優(yōu)先使用的是接近可見光波長的近紅外線。紅外線光電開關(guān)（光電傳感器）屬于光電接近開關(guān)的簡稱，它是利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測物體的有無，其物體不限于金屬，對所有能反射光線的物體均可檢測。根據(jù)檢測方式的不同，紅外線光電開關(guān)可分為：（1）漫反射式光電開關(guān)漫反射光電開關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢測物體經(jīng)過時，將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。當(dāng)被檢測物體的表面光亮或其反光

30、率極高時，漫反射式的光電開關(guān)是首選的檢測模式。  圖2.13 反射光電開關(guān)原理圖圖2.14 引起理想漫反射的光度分布圖2.15局部較強漫反射時的光度分布（2）鏡反射式光電開關(guān) 鏡反射式光電開關(guān)亦是集發(fā)射器與接收器于一體，光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)出光線經(jīng)過反射鏡，反射回接收器，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過且完全阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測開關(guān)信號。圖2.16鏡反射式光電開關(guān)原理圖（3）對射式光電開關(guān)對射式光電開關(guān)包含在結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進入接收器。當(dāng)被檢測物體經(jīng)過發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。當(dāng)檢測物體是不透明時，對射式光電開

31、關(guān)是最可靠的檢測模式。圖2.17對射式光電開關(guān)原理圖（4）槽式光電開關(guān) 槽式光電開關(guān)通常是標準的U字型結(jié)構(gòu)，其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過U型槽且阻斷光軸時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測到的開關(guān)量信號。槽式光電開關(guān)比較安全可靠的適合檢測高速變化，分辨透明與半透明物體。第三章 新型單片機ATmega83.1 綜述ATmega8是基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega8 的數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和32 個

32、通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。ATmega8 有如下特點:8K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash( 具有同時讀寫的能力，即RWW)，512 字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié)SRAM，32 個通用I/O 口線，32 個通用工作寄存器，三個具有比較模式的靈活的定時器/ 計數(shù)器(T/C)， 片內(nèi)/ 外中斷，可編程串行USART，面向字節(jié)的兩線串行接口， 10 位6 路(8 路為TQFP 與MLF 封裝)ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可

33、編程看門狗定時器，一個SPI 串行端口，以及五種可以通過軟件進行選擇的省電模式。工作于空閑模式時CPU 停止工作，而SRAM、T/C、SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時器繼續(xù)運行，允許用戶保持一個時間基準，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)； ADC 噪聲抑制模式時終止CPU 和除了異步定時器與ADC 以外所有I/O 模塊的工作，以降低ADC 轉(zhuǎn)換時的開關(guān)噪聲.本芯片是以Atmel 高密度非易失性存儲器技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi)ISP Flash 允許程序存儲器通過ISP 串行接口，或者通用編程器進行編程，也可以通過運

34、行于AVR 內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進行編程。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用Flash存儲區(qū)。在更新應(yīng)用Flash存儲區(qū)時引導(dǎo)Flash區(qū)(Boot Flash Memory)的程序繼續(xù)運行，實現(xiàn)了RWW 操作。通過將8 位RISC CPU聲明本數(shù)據(jù)手冊的典型值來源于對器件的仿真，以及其他基于相同產(chǎn)生工藝的AVR 微控制器。3.2 軟件調(diào)試一、開發(fā)軟件AVR STUDIO(AVR集成開發(fā)軟件)，ATMEL開發(fā)的AVR STUDIO軟件是一個用于開發(fā)AVR系列單片機的集成環(huán)境。該軟件有以下功能：匯編程序匯編器、模擬仿真功能、實時仿真功能（需仿真機配合）、AVR Prog串行編程、STK5

35、00/AVRISP/JTAG ICE編程等功能。AVR STUDIO支持ATMREL全系列仿真機。C語言目前已成為設(shè)計嵌入式系統(tǒng)的標準語言，它既是不同高級語言的結(jié)構(gòu)化編程、可讀性好、維護方便的特點，又具有匯編等低級語言對硬件訪問的方便、代碼效率高的特點，因此十分適合于嵌入式系統(tǒng)的程序設(shè)計。ICCAVR是美國ImegaCraft公司推出的一種C編程器，主要用于開發(fā)ATMEL公司的AVR系列單片機。ICCAVR是一種用ANSI標準C語言開發(fā)微控制器的一種程序設(shè)計語言，其集成開發(fā)環(huán)境(IDE)除了集成項目管理、程序編輯、程序編譯、錯誤提示等常用的功能以外，還包括了瀏覽、應(yīng)用程序向?qū)?、ISP下載工具和

36、AVR資源配置計算器等方便使用的工具。二、熔絲位配置ATmega8有兩個字節(jié)的熔絲位：熔絲位高字節(jié)（FHB）和熔絲位低字節(jié)（FLB），下表給出了它們的名稱、作用和出廠設(shè)定值熔絲位未編程的狀態(tài)為“1”，被編成后的狀態(tài)為“0”。下表中，熔絲位SPINE不能通過串行方式編程；熔絲位CKPOT的作用與CKSEL有關(guān)。熔絲BOOTSZ1.0的默認值定義的引導(dǎo)加載區(qū)為最大值1024。表3-1熔絲位高字節(jié)熔絲位名稱位用途默認值RSEDISBL7設(shè)定引腳PC6為I/O或RESET1(PC6為RESET引角)WDTON6WDT總為有效1（由WDTCR位設(shè)定WDT是否有效）SPINE5允許串行編程和程序下載0（允

37、許SPI編程）CKOPT4晶振選項1EESAVE3芯片擦除時保護1無保護BOOTSZ12設(shè)定引導(dǎo)加載區(qū)大小0BOOTSZ01設(shè)定引導(dǎo)加載區(qū)大小0BOOTRST0設(shè)置復(fù)位向量1表3-2熔絲位低字節(jié)熔絲位名稱位用途默認值BODLEVEL7BOD觸發(fā)電平1BODEN6BOD允許1SUTI5設(shè)置復(fù)位啟動延時時間1SUT04設(shè)置復(fù)位啟動延時時間0SKSEL33選擇時鐘源0SKSEL22選擇時鐘源0SKSEL11選擇時鐘源0SKSEL00選擇時鐘源1熔絲的默認值定義了最大的復(fù)位啟動延時時間；熔絲CKSEL3.0的默認值定義是用芯片內(nèi)部的RC振蕩源（1MHz）為系統(tǒng)時鐘源。當(dāng)加密鎖定熔絲位LB1被編成后，其

38、他所有的熔絲位被鎖定，因此，應(yīng)在編程LB1前改變其他熔絲位的狀態(tài)在引腳RESET接地時，F(xiàn)LASH程序存儲器、EPROM數(shù)據(jù)存儲器、熔絲位和加密鎖定為都可以通過串行SPI總線來編程。該串行接口包括引腳SCK（串行時鐘）、MOSI（輸入）、MISO（輸出）。當(dāng)RESET引腳為電平后，應(yīng)先執(zhí)行串行編程允許指令，再執(zhí)行編程/擦除操作。下圖為串行編程接線圖，如果已經(jīng)設(shè)置使用芯片內(nèi)部RC振蕩器，XTAL1可以不用。圖3.1 串行編程接線圖當(dāng)僅需要編程EPROM時，由于內(nèi)部定時的編程操作中已經(jīng)包含了對EPROM的自動擦除周期，因此無需先執(zhí)行芯片擦除指令。芯片擦除指令是把程序和數(shù)據(jù)存儲器的每一單元都變成0X

39、FF。根據(jù)系統(tǒng)時鐘源的不同，串行編程時鐘SCK必須同系統(tǒng)時鐘相配合，SCK的低電平和高電平的最小時間定義如下：LOW:大于2個MCU時鐘周期(fck<12MHz);大于3個MCU時鐘周期(fck<12MHz)。HIGH:大于2個MCU時鐘周期(fck<12MHz);大于3個MCU時鐘周期(fck<12MHz)。在串行編程中，輸入的串行數(shù)據(jù)由SCK的上升沿輸入，輸出的串行數(shù)據(jù)由SCK的下降沿輸出。(1)上電過程:在Vcc和GND之間上電，同時將RESET和SCK設(shè)置為“ 0” 。(2)等待至少20ms，有MOSI引腳送入允許串行編程指令，是芯片進入串行編程狀態(tài)。(3)命令

40、的輸入必須與SCK時鐘同步，否則命令是不能被執(zhí)行的。如果時序正確，在輸入允許串行編程的第3個字節(jié)時，芯片將送出該命令的第2個字節(jié)。當(dāng)命令4個字節(jié)全部輸入后，如果沒有收到芯片回送的0x53，控制RESET輸入一個正脈沖，然后再次輸入允許串行編程命令。(4)需要時先輸入芯片擦除程序，等待9ms在進行下一編程的過程，確保芯片擦除操作的完成。(5)FLASH是按頁編程的，及一次寫操作將對一個頁編程。寫入的數(shù)據(jù)應(yīng)先裝入臨時緩沖頁，寫入地址為頁內(nèi)自尋址地址，寬度為5位。對相同的一個字地址，應(yīng)先裝入字的低位字節(jié)，再裝入字的高位字節(jié)。緩沖頁填充完成后，使用寫FLASH命令將緩沖頁內(nèi)容寫入程序存儲器中，該命令中

41、的7位地址為頁尋址地址。如果不采用輪循方式寫存儲器，則要等待4。5ms在進行下一頁的寫操作過程，以保證當(dāng)前頁寫造作正常進行。在當(dāng)前頁寫操作時，不能進行其他的寫操作。(6)EPROM是按字節(jié)編程的，及一次寫操作可以直接編程一個字節(jié)，因此命令中要同時給出尋址地址和數(shù)據(jù)。在寫EPROM的操作中，先自動對指定字節(jié)進行擦除，在寫入數(shù)據(jù)。如果不采用輪循方式寫存儲器，則要等待9ms在進行下一字節(jié)的寫操作過程，以保證當(dāng)前字節(jié)寫操作正常進行。(7)任何存儲空間的存儲單元內(nèi)容都可以通過讀命令讀出校驗。讀命令得出的指定地址的數(shù)據(jù)從串行輸出引腳MISO輸出。(8)在編程結(jié)束后，RESER引腳可以設(shè)置為高電平，是芯片開

42、始正常執(zhí)行寫入的程序。(9)掉電過程。如果芯片編程完畢需要取消電源時，應(yīng)設(shè)置RESER為“1”，然后斷開Vcc。3使用輪循方式寫FLASH在一個寫FLASH頁期間，可以讀取該頁中任何一個地址的內(nèi)容。如該地址還未被編程，則讀出值為0xFF；如已被編程，則讀出的是寫入數(shù)據(jù)。因此，可以使用查詢的方法，確定是否前也已經(jīng)編程完畢，可以開始新的頁的編程操作。注意，如果寫入的值為0xFF時，該值是不能用于輪循判斷的，此時必須等待4.5ms，再開始寫新的頁。4使用輪循方式寫EPROM再寫一個自己到EPROM 間，可以讀取該字節(jié)的內(nèi)容，如該地址還未被編程，則讀出值為0xFF ；如已被編程，則讀出的是寫入數(shù)據(jù)。因

43、此，可以使用查詢的方法，確定是否當(dāng)前字節(jié)已經(jīng)編程完畢，可以開始下一個字節(jié)的編程操作。注意，如果寫入的值為0xFF 時，該值是不能用于輪循判斷的，此時必須等待9ms，再開寫下一字節(jié)。第四章常用光電檢測傳感器性能測試演示實驗臺的研究光電置入密碼鎖的設(shè)計一、模塊化的總體設(shè)計當(dāng)明確軟件設(shè)計的總?cè)蝿?wù)之后，即可進入軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。此時，一般采用自頂向下的方法，即把任務(wù)從上到下逐步細分，一直分到可以具體處理的基本單元為止。如果這個基本單元程序定義明確，可以獨立地進行設(shè)計，調(diào)試，糾錯而且可以移植時，它就稱之為模塊。模塊化的總體結(jié)構(gòu)具有概念清楚，組合靈活和易于調(diào)試及連接等優(yōu)點。模塊的劃分有很大的靈活性，但也不

44、能隨意劃分，劃分時應(yīng)遵循以下原則：1每個模塊應(yīng)具有獨立的功能，能產(chǎn)生明確的結(jié)果；2模塊間的控制耦合應(yīng)盡量簡單，模塊之間的數(shù)據(jù)耦合應(yīng)盡量少；3模塊長度適中，模塊語句的長度通常在20-100的范圍較合適。二、結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計1、“自頂向下的設(shè)計方法” 按照這種“自頂向下”的方法，不管儀器或檢測系統(tǒng)的功能怎樣復(fù)雜，分析設(shè)計工作都能有計劃有步驟的進行。其中自頂向下的軟件設(shè)計方法要領(lǐng)是：對于沒一個程序模塊，應(yīng)明確規(guī)定其輸入、輸出和模塊的功能；一旦認定一部分問題能夠歸入一個模塊之內(nèi)，就不要再進一步設(shè)想如何來實現(xiàn)它，即不要糾纏細枝末節(jié)；于傳遞模塊間信息數(shù)據(jù)的設(shè)計，與過程或算法的設(shè)計同樣重要。2、模塊化編程 為了程序便于編寫、調(diào)試和排除錯誤，也為了便于檢驗和維護，總是設(shè)法把程序編寫成一個結(jié)構(gòu)完整、相對獨立的程序段，這就是所謂的一個程序模塊。編程設(shè)計時考慮下列原則：適當(dāng)劃分模塊；模塊功能獨立；模塊單入口，單出口；對每一個模塊作出具體定義，包括解決某問題的算法、允許的輸入輸出值范圍以及副作用；在模塊中只有順序、循環(huán)、分支三種基本結(jié)構(gòu)；盡可能采用符號化參數(shù)，分離I/O功能和數(shù)值處理功能，減少共同存儲單元等。3三種基本結(jié)構(gòu)程序結(jié)構(gòu)順序結(jié)構(gòu)分支結(jié)構(gòu)循環(huán)結(jié)構(gòu)常見硬件故障分析1邏輯錯誤：樣