光應(yīng)力源監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖 磊， 李洪祚

（長春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，吉林長春 130022）

光應(yīng)力源監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖 磊， 李洪祚

（長春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，吉林長春 130022）

設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于微光夜視儀檢測設(shè)備中低噪聲的光電檢測系統(tǒng)，分析了電路中產(chǎn)生的主要噪聲，并提出了抑制方法。系統(tǒng)采用光敏二極管作為光電檢測器件，并利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了光照度的實(shí)時(shí)顯示與超差報(bào)警以及與上位機(jī)的通信。

單片機(jī)；光電檢測電路；光電二極管

0 引 言

夜視技術(shù)在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)研究、醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，特別是在軍事方面的需求是夜視技術(shù)發(fā)展的原動(dòng)力。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，為了提升戰(zhàn)爭的突然性以及擴(kuò)大戰(zhàn)爭的時(shí)間范圍和空間范圍，需要部隊(duì)在星光或月光等微弱光照度情況下對戰(zhàn)場進(jìn)行偵查和監(jiān)控，這就必須依靠夜視技術(shù)，所以，微光夜視儀設(shè)備的可靠性將直接影響到軍隊(duì)的戰(zhàn)斗力。要確保每一個(gè)裝備的夜視儀都是合格的，就對檢測設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)提出了很高的要求。

為模擬實(shí)際中的夜天光環(huán)境，在微光夜視儀檢測設(shè)備中的光源要求色溫為2 856K，光照度的變化不超過±10%。光應(yīng)力源是否符合要求直接決定了整套系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性及判斷結(jié)果的準(zhǔn)確度，所以，為了保證檢測設(shè)備的檢測精度以及檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，要求對光源的照度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。當(dāng)光源變化超出規(guī)定范圍時(shí)，能夠及時(shí)報(bào)警，提示進(jìn)行設(shè)備維修或光源的更換。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工作原理

系統(tǒng)主要包括：光電檢測電路、光照度顯示模塊、超差報(bào)警模塊、串口通信模塊。具體原理是通過光電檢測電路將采集到的外界自然光轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的直流電壓信號(hào)，再通過ADC將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償算法獲得精確的實(shí)際采樣值，控制數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)光照度，一旦光照度不符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，則通過報(bào)警燈及蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)，通過RS232串口與上位機(jī)進(jìn)行通信。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 光應(yīng)力源監(jiān)測系統(tǒng)原理框圖

2 光電檢測電路

光電檢測電路是通過將照射于光電探測器上的光通量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的光電流，再經(jīng)過電流放大、電壓轉(zhuǎn)換等后續(xù)電路進(jìn)一步優(yōu)化有用信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)光信號(hào)獲取的一種方法。這種電路已被廣泛用于軍事、農(nóng)業(yè)、民用等諸多領(lǐng)域在光電系統(tǒng)中，光電檢測電路把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并對電信號(hào)進(jìn)行放大，再與后面的檢測和運(yùn)算系統(tǒng)對接。光電檢測電路在整個(gè)光電系統(tǒng)中是非常重要的，它的性能好壞直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能好壞［1］。

2.1 光電檢測電路的設(shè)計(jì)

由于本電路中采用的光電探測器的輸出信號(hào)為電流信號(hào)，所以，先要經(jīng)過前置放大電路將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)再轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，但由于光電探測器的輸出電流信號(hào)比較微弱，所以，在經(jīng)過前置放大電路后，還需要對電壓信號(hào)進(jìn)一步放大到便于下一步微處理器處理的范圍。但在測量信號(hào)得到放大的同時(shí)噪聲也被放大，所以，為了測量的精準(zhǔn)性，必須使用濾波電路限制噪聲的頻率范圍，將大部分噪聲濾除掉。檢測電路由前置放大電路、濾波電路和二級放大電路組成，光電檢測電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 光電檢測電路結(jié)構(gòu)框圖

設(shè)計(jì)光電檢測電路有3個(gè)規(guī)則：一是降低電路噪聲，提高輸出信噪比；二是為避免出現(xiàn)頻率失真，要保證電路通頻帶的范圍足夠?qū)挘蝗菫楸ＷC輸出信號(hào)功率大，后續(xù)電路的輸入阻抗要與檢測電路匹配［2］。

圖3 光電檢測電路

光電檢測器件采用普通PN結(jié)硅光電二極管。因?yàn)楣怆姸O管本身具有優(yōu)越的光電線性特性和頻率特性好、較小的暗電流、良好的穩(wěn)定性，光電二極管的工作模式又可以分為兩類：1）光導(dǎo)模式，在光電二極管兩端加反向偏置電壓；2）光伏模式，在光電二極管兩端不加電壓直接與負(fù)載相連［3］。前一種模式的時(shí)間常數(shù)較小，造成這樣結(jié)果的主要原因是外加反向偏置電壓可以減小結(jié)電容，因此，可以用在脈沖和高頻調(diào)制光的探測上。光導(dǎo)模式的主要缺點(diǎn)就是暗電流的干擾比較大。與此相反，后一種模式中的暗電流影響非常小，所以電路噪聲小，在恒定和低速調(diào)制微弱光的測量上有著更大的優(yōu)勢。PN結(jié)光電二極管比PIN結(jié)光電二極管的輸出電流大。PIN結(jié)光電二極管更適合在反向偏壓下工作［4］。前置放大器采用集成運(yùn)算放大器。光電二極管與集成運(yùn)放的連接方法屬于電流放大型，光電二極管和運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端同極性相連，電阻R1作為反饋電阻。

圖3中，由于在光電二極管兩端沒有加反向偏置電壓，所以暗電流非常小，這就減小了輸出噪聲［5］。

輸出電壓：

式中：ISC光電二極管產(chǎn)生的光電流。

2．2 電路噪聲的估計(jì)與降低方法

圖3所示電路中，所產(chǎn)生的噪聲主要包括光電二極管的散粒噪聲，光電二極管內(nèi)阻所產(chǎn)生的熱噪聲，反饋電阻R1產(chǎn)生的熱噪聲以及運(yùn)算放大器所產(chǎn)生的噪聲。

設(shè)Ins為光電二極管的散粒電流，ISC為光電二極管的光電流，Δf為電路的通頻帶。則：

設(shè)Ind為光電二極管內(nèi)阻所產(chǎn)生的的熱噪聲電流，Rd為光電二極管的內(nèi)阻，則：

設(shè)Unf為反饋電阻R1產(chǎn)生的熱噪聲電壓，則：

Unf＝4 KTΔfR1

設(shè)En，In分別為放大器的等效輸入噪聲電壓和等效輸入噪聲電流，則光電檢測電路的輸出總電壓為：

輸出電壓Uso＝ISCR1，所以輸出噪聲電壓為：

從上述公式可以看出，電路的信噪比與很多因素有關(guān)。電路的光電流ISC越大，則信噪比越大，所以，應(yīng)該選擇靈敏性高的光電二極管以提高信噪比。通頻帶Δf越小，則輸出信噪比越大，所以，應(yīng)該在后級電路使用濾波電路以限制通頻帶，但通頻帶又不能過于狹窄，以免輸出信號(hào)產(chǎn)生頻率失真［6］。集成運(yùn)放的等效輸入噪聲電壓En和等效輸入噪聲電流In越小，則輸出信噪比越大，所以，應(yīng)該選擇噪聲小的低噪聲高精度集成運(yùn)放，可以有效地減小噪聲提高信噪比。另外電路的工作環(huán)境溫度T越小，輸出信噪比越大。所以，要盡可能使檢測電路在較低的溫度環(huán)境下工作。

在實(shí)際應(yīng)用中，可以在前置放大電路后面連接低通濾波器以過濾高頻噪聲，因?yàn)樵肼曇愿哳l為主［7］，所以，低通濾波器可以有效地提高輸出信噪比。

二階低通濾波器電路如圖4所示。

圖4 二階壓控電壓源濾波電路

2．3 改進(jìn)型的光電檢測電路

為了降低噪聲帶寬，可以采用改進(jìn)型光電檢測電路，如圖5所示。

圖5 改進(jìn)型光電檢測電路

如果R2比較大，則容易產(chǎn)生直流誤差，所以電路中加入R5進(jìn)行補(bǔ)償。C10的作用是消除R5的雜散噪聲。C7是消振電容，它的加入減小了噪聲的帶寬［9］。

3 光照度顯示與超差報(bào)警模塊

3．1 硬件設(shè)計(jì)

圖6 光照度顯示與超差報(bào)警模塊

3.2 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)單片機(jī)程序設(shè)計(jì)主要包括以下幾點(diǎn)：

uint mega16＿ad（）：AVR單片機(jī)根據(jù)接收到的直流電壓信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，將接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；

uint mega16＿ad＿average（）：為減小誤差將連續(xù)幾次測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后再作為最終數(shù)據(jù)輸出；

void show（uchar j，uchar k）：數(shù)碼管顯示子程序，將光照度數(shù)據(jù)在數(shù)碼管上進(jìn)行顯示；

void alert（uint p）：報(bào)警子程序，當(dāng)光照度數(shù)據(jù)超出正常范圍時(shí)，由單片機(jī)控制報(bào)警燈閃亮，同時(shí)蜂鳴器響起；

void uart＿init（uint baud）：串口通信初始化子程序；

void uart＿send（uchar data）：串口發(fā)送數(shù)據(jù)到主機(jī)。

在程序中，接收到的模擬量是光電檢測電路輸出的直流電壓信號(hào)，此信號(hào)因?yàn)楣怆姸O管的線性特性，應(yīng)與監(jiān)測的光照度成正比，通過調(diào)節(jié)光源的輸入電流大小，可以調(diào)節(jié)光照度，使用照度計(jì)記錄不同輸出電壓時(shí)的光照度，利用在實(shí)驗(yàn)中測量得到的數(shù)據(jù)可以得出比例常數(shù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 光照度與輸出直流電壓對應(yīng)關(guān)系

通過表1可以得出，光照度與輸出直流電壓信號(hào)的比例常數(shù)約為171.2，可以在單片機(jī)中通過編程將監(jiān)測信號(hào)還原成實(shí)際環(huán)境中的光照度。

4 系統(tǒng)測試記錄

通過串口可以將監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的光照度信息、報(bào)警信息與設(shè)定報(bào)警上下限，輸入計(jì)算機(jī)，存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行記錄和查詢，記錄結(jié)果如圖7所示。

圖7 光照度記錄

通過現(xiàn)場測量與高精度的照度計(jì)的測量結(jié)果進(jìn)行比較，誤差在±2lux以內(nèi)，同時(shí)報(bào)警功能工作正常，系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。

5 結(jié) 語

文中所述的光電監(jiān)測與顯示報(bào)警系統(tǒng)具有精度高、成本低、適用性廣的特點(diǎn)。通過改進(jìn)電路降低了噪聲的影響，經(jīng)實(shí)際測試，滿足了信號(hào)測量的要求，只要改變單片機(jī)內(nèi)的程序便可執(zhí)行更多其它控制功能，有很大的發(fā)展前景。本方法既適用于檢測微弱信號(hào)，也適用于一般光信號(hào)的檢測。

［1］胡丹，張崗，撒繼銘.一種實(shí)用的光電檢測電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.儀器技術(shù)與傳感器，2010（11）：79-81.

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A light monitoring system

XIAO Lei， LI Hong-zuo
（Electronic Science and Technology，Changchun University of Science And Technology，Changchun 130022，China）

A low noise light monitoring system is designed for a night vision testing equipment.We analyze the noises existing in circuit and study how to check them.In the monitoring system，photodiode is used as photoelectric detector，and a microcontroller is applied to realize the real-time display of illumination，alarm and communication with the host computer.

microcontroller；photoelectric detection circuit；photodiode.

TP 274

A

1674-1374（2014）01-0066-05

2013-04-15

肖 磊（1985－），男，漢族，內(nèi)蒙古赤峰人，長春理工大學(xué)碩士研究生，主要從事光電檢測系統(tǒng)與理論方向研究，E-mail：zjuxiaolei＠163.com.