基于单片机的光电传感信号检测系统设计

王小艳，肖 勇，葛晓宇，孙大雷，郑 哲

(沈阳化工大学 信息工程学院，辽宁 沈阳 110142)

光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它首先把被测量的变化转换成光信号(红外、可见及紫外光辐射)的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号［1］.光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛［2］.

纵观现有的传感器都是以单片机为核心，辅以敏感元件作为检测装置，通过AD 转换将检测数据送至单片机中处理［3］.本文基于光电传感的智能检测技术，制定传感器总体结构方案，采用C8051F330 单片机作为控制器，对被检物体的存在与否进行检测.由于光电传感器检测具有要求响应时间快、抗干扰能力强等特点，因此，设计了一套微弱电信号采集与处理系统，以及光源的脉冲驱动电路.系统首先对接受到的光电信号进行预放大，接着进行AD 转换，然后与预设的阈值比较，并采用扰动法和表决法对物体的存在与否进行决策判断，最终将结果输出.

1 光电传感器结构

光电传感器由电源、发光二极管(LED)、驱动电路、光敏元件、信号放大电路、控制器和输出电路组成［4］，如图1 所示.

图1 光电传感器结构框图Fig.1 Structure of fiber-optic photoelectric sensor

光电传感器的光源由控制器产生的脉冲信号驱动，光线经被检物反射或折射后，造成光强一定程度的衰减，并通过接收电路放大和控制器处理，输出检测结果.其中，控制器对信号的稳定检测是影响传感器检测灵敏度的最重要因素之一.

1.1 电源调节器

光电传感器信号检测电路模块的工作电压为5 V，而工业用电电压通常为10～30 V，因此，需要通过稳压芯片进行降压处理.选用稳压芯片LM2576，经过降压后输出5 V 电压.此外，由于C8051F330 单片机的供电电压为3.3 V，因此，还需要采用另外一个稳压芯片ASM1117-3.3 对5 V 电压再次降压.

1.2 脉冲光源驱动电路

光电传感器的发射光源选用Everlight 公司的IR333C-A 红外发光二极管.该发光二极管具有可靠性高、辐射强度大、正向电压低等特点，适合于检测型传感器.通过设置单片机程序输出脉冲信号PLS1 来驱动光源，经NPN 三极管进行功率放大，以增加信号检测距离.光源驱动电路如图2 所示.

图2 光源驱动电路Fig.2 Transmission electronics of photoelectric sensors

1.3 光电信号放大器

光电接收元件选用Everlight 公司的PD333-3C 红外光敏二极管，与红外发光二极管配套使用，将经物体衰减后的光信号转换为电信号，其信号强弱代表待检测物体的状态.因为光电二极管的直接输出电流很弱，容易受干扰噪声的影响，所以，设计时采用了低噪声前置放大电路来实现对微弱电信号的放大和滤波，增大信号幅值，以便单片机的A/D 转换器可进行数据转换.

1.4 控制器

控制器采用的是Silicon labs 的C8051F330.片上集成了丰富的外设，极大地降低了对外围元器件的需求，整个系统成本 比较低［5］.C8051F330 单片机内部集成有16 通道的10 位ADC，可直接使用内部A/D 转换器进行数据转换，并且片内已集成晶振，无需外接晶振，从而简化了电路设计［6］.此外C8051F330 单片机内置的温度传感器可用于温度的检测，便于进行传感器温度补偿等的研究.

1.5 输出电路

输出显示电路由74HC138 和74HC164 控制4 位数码管显示，74HC138 用于位选通，74HC164 用于段选通.根据检测到的信号强弱由单片机输出信号控制74HC138 和74HC164，最终通过LED 显示传感器的检测结果.

2 信号处理方案设计

系统的信号处理方案设计主要包括:基于C 语言的单片机驱动光源脉冲信号的产生，A/D 转换，采集信号的处理，以及信号输出及显示.图3 为主程序流程.单片机对采集到的电压值转换为数字信号，与预设的阈值进行比较，超过阈值表示检测到有效信号，低于阈值表示没有检测到有效信号.并在信号检测算法中加入扰动处理和表决法处理，增加了信号检测的稳定性和准确性［7－8］.

光电传感器光源驱动所需的脉冲信号产生程序如图4 所示，在主程序初始化之后，设置计数器0 为8 位自动重载计数器，且装入初值控制计数器从开始计数到溢出的时间为100 μs，即单个脉冲周期时间，等价于频率为10 kHz，以满足响应时间的设计要求.进入循环程序，P1.0 此时设为高电平，等到被检信号即将达到峰值时，P1.0 设为低电平，该最优脉宽时间通过实验观察为7.2 μs.等待计数器0 溢出，然后计数器0溢出标志位清零并自动重载计数，程序循环执行.据此，P1.0 引脚的输出脉冲信号呈周期性的变化，占空比为7.2 %，以此脉冲信号驱动光源发光二极管.

图3 物体检测主程序流程Fig.3 Main program flow chart of object detection

图4 脉冲信号程序流程Fig.4 Program flow chart of pulse signal

单片机对放大后的接收信号进行A/D 转换及数据处理，由P0.2 引脚作为ADC0 输入的正输入通道，检测信号由此引脚输入.在P1.0 引脚由高电平变为低电平之前，利用空闲时间清除A/D 转换结束中断标志位.ADC 转换的采样点要控制在接收峰值附近.通过实验观察，ADC 开始转换的采样时间点设在P1.0 引脚变为低电平后，向AD0BUSY 写“1”启动ADC0 转换，采用查询等待方式判断AD 转换控制寄存器中的ADCINT 位确定是否转换完毕.转换后从ADC数据字ADC0H 和ADC0L 中读取转换数据，并将该数字信号放入数据缓冲区.

AD 转换后的数字信号要与设定的阈值进行比较，判断是否达到设定的强度.系统设定的阈值为1.6 V，大于1.6 V 表示检测到有效信号，小于1.6 V 表示没有检测到有效信号.但是由于受到环境等因素的影响，检测信号会有一定的波动性，因而通过信噪比分析，采取在10 %的扰动范围内对信号进行处理，以提高检测的稳定性.因此，信号上升和下降阈值电压可分别设定为1.76 V 和1.44 V，大于1.76 V 表示检测到有效信号，小于1.44 V 表示没有检测到有效信号.当电压在1.76 和1.44 之间时，要结合前次状态进行判断.

为了进一步提高抗干扰能力和传感器检测的可靠性，在满足光电传感器检测响应时间要求的前提下，采用了较为复杂的表决法进行信号处理，即只有当连续出现多个超过一定阈值的有效信号时，才表示检测到物体的存在.譬如，如果连续出现5 个有效信号，表示检测到物体存在，否则重新表决.该检测方法大大提高了光电传感器检测的可靠性和稳定性.

3 实验结果

图5 为示波器检测到的单片机引脚P1.0 产生的脉冲效果图，其中脉冲信号为光源驱动脉冲，周期100 μs，脉宽为7 μs 左右.

图6(a)所示为示波器检测到的脉冲信号与接收到的放大模拟信号对比图.上面波形为经过信号放大器后的模拟信号.图6(b)为单个脉冲和检测信号的对比图.

图5 脉冲信号Fig.5 Pulsed signal

图6 脉冲信号与检测信号Fig.6 Pulse signal and detection signal

基于单片机的ADC 模块，对检测信号进行处理，通过阈值的设定、扰动滤波和表决法处理，最终的输出结果由LED 显示.如图7(a)所示，当LED 显示为0，表示检测到物体不存在.反之，当检测到物体存在时LED 显示为1，如图7(b)所示.

图7 LED 显示实验装置Fig.7 Experimental results

4 结束语

制定了一种基于C8051F330 单片机的光电传感器信号检测方案，通过LED 实时显示光电传感器检测物体存在与否的结果.实验表明:该检测方案通过对检测信号的阈值设定、扰动滤波和表决法处理，满足了光电传感器对物体检测时响应时间快和抗干扰能力强的要求，达到了对干扰信号的进一步抑制和提高传感器检测可靠性的目的.

［1］孟立凡，蓝金辉.传感器原理与应用［M］.北京:电子工业出版社，2007:133－154.

［2］Rahmat M，Rozali S M，Wahab N A，et al.Application of Draw Wire Sensor in Position Tracking of Electro-hydraulic Actuator System ［J］.International Journal of Smart Sensing and Intelligent Systems，2010，3(4):736－755.

［3］张旭.单片机技术在传感器设计中的应用［J］.机电信息，2011(36):132－133.

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［5］潘琢金.C8051F330/1 混合信号ISP FLASH 微控制器数据手册［EB/OL］.(2003－12)［2012－11－10］http://www.doc88.com/p－31575342205.html

［6］赵世平，王赛.STC12C2052AD 单片机在智能传感器开发中的应用［J］.软件导刊，2008(12):75－76.

［7］童长飞.C8051F 系列单片机开发与C 语 言 编 程［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2005:56－120.

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