基于单片机的光电检测电路设计

唐繁　张吉左

摘要：该文介绍在单片机最小系统基础上，设计了光电检测系统。该检测系统外围电路主要有指示二极管、发光二极管、光敏三极管组成。该文利用软硬件相结合的方法进行设计。为了验证设计的可行性，在设计中利用Protues进行仿真分析，仿真结果显示电路结构正确，达到设计的目的。

关键词：单片机；发光二极管；光敏三极管

中图分类号：TN702 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）19-4586-03

近年来，自动控制技术及生产自动化在国家工业建设中发挥了非常重要的角色。光电检测在自动控制和自动生产中起着不可替代的作用。早起自动化生产，一般采用机械化方式，随着半导体技术的发展和集成电路的出现，自动化生产越来越多的采用电器方式，光电检测是电器方式自动化经常采用的技术之一。

1 半导体二极管

二极管的核心是PN结，与PN结一样，二极管具有单向导电性，但是，由于二极管存在体电阻和引线电阻，二极管的伏安特性与PN结的伏安特性略有不同，在正向电压相同的情况下，二极管的正向电流小于PN结的正向电流；在反向偏置相同的情况下，由于二极管存在表面漏电流，二极管的反向电流大于PN结的反向电流，在近似分析时，PN结电流统一采用公式（1） 。

[i=IS（euUT-1）] （1）

测量二极管的伏安特性时发现，只有在正向电压足够大时，正向电流才从零随端电压按指数规律增大。使二极管开始导通的临界电压称为开启电压Uon ，不同的材料制成的二极管，开启电压不同，相应的导通电压、反向饱和电流也不同，如图1和表1。所示。本次设计用的是硅晶体二极管 [4]。

图1 二极管的伏安特性

表1 两种材料二极管对比

[材料＼&开启电压UOn/V＼&导通电压U/V＼&反向饱和电流IS/μA＼&硅（Si）＼&≈0.5＼&0.6-0.8＼&<0.1＼&锗（Ge）＼&≈0.1＼&0.1-0.3＼&几十＼&]

发光二极管简称为LED，由镓（Ga）与砷（As）、磷（P）、氮（N）、铟（In）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出光波，因而可以用来制成各种发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，铟镓氮二极管发蓝光。

发光二极管把电能转化成光能。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内电子和空穴复合，产生自发辐射的光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同，当电子和空穴复合时释放出的能量不同，发出的光波长不同。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。这里我们选用红色发光二极管。发光二极管原理与普通二极管一样，不过它的开启电压比普通二极管的大，红色的在1.6-1.8V之间，绿色的约为2V。正向电流愈大，发光愈强。

2 光敏三极管

光敏三极管一般有光敏二极管和三极管组成。光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的，其管芯是一个具有光敏特征的PN结，当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加，不过光敏二极管利用的是反向特性，工作时需加上反向电压，当受到光照时， 载流子在反向电压下漂移，反向饱和电流发生变化，它随入射光强度的变化而变化，因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。

光敏二极管是将光信号变成电信号的半导体器件，和普通二极管相比，在结构上与普通二极管不同，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量做的小一些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。

光敏三极管是有光敏二极管与普通三极管组合而成的，光敏二极管把光照转化成电流传递给三极管基极，三极管把基极电流通过放大机理转化成集电极电流实现放大。在protus环境中，发光二极管和光敏三极管组合在一起，如图2所示。光敏三极管的输出特性曲线如图3所示。输出特性曲线满足公式（2） 。

[iC=f（uCE）IB=常数] （2）

图2 光敏三极管

图3 光敏三极管输出特性曲线

3 主控单元

单片机性能价格比高，体积小，重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。由于具有上述优点，单片机广泛应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器等各个方面。该文采用AT89C51，AT89C51单片机是美国Atmel公司生产低电压，高性能CMOS 8位单片机。AT89C51单片机主要由微处理器、数据存储器、程序存储器、4个8位并行I/O口、1个串行口、2个16位定时器/计数器、中断系统、特殊功能寄存器等八个功能部件组成[7]。

单片机的4个8位并行I/O口为P0、P1、P2、P3口。该文中只用到P1、P3口，下面简单介绍这两个端口的特点。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口。P1口锁存器写入1后，CMOS管截止，这时可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。该文利用了P1.7管脚。当有物体遮住光电检测电路时，P1.7管脚所接的发光二极管发光。

P3口：由于单片机引脚数目有限，因此在P3口电路中增加了引脚的第二功能。P3口的某一引脚可以作为通用I/O使用，又可以根据需要，使用它的第二功能。该文利用了管脚P3.2的第二功能，也就是外部中断。P3.2管脚平时高电平，当有物体通过发光二极管和光敏三极管中间时，P3.2管脚平时低电平，单片机检测到电平由高电平变化到低电平时，执行中断程序，发光二极管发光，给出指示。中断程序框图如图4所示。

当有物体通过光电检测电路时，发光二极管发光， R6 为 ? 181 限流电阻。如图5所示：

图5 发光电路

光电检测电路如图6所示。当开关物体通过时时，发光二极管不会发光，此时光敏三极管处于截止状态，电路中的三极管Q1处于截止状态，P3.2管脚呈现低电平，单片机检测到低电平，执行中断程序，点亮发光二极管。当没有物体通过时，光敏三极管接收到发光二极管发出的光，光敏三极管导通，电路中的三极管Q1处于导通状态，P3.2管脚呈现高电平，单片机处于等待状态。

图6 光电检测电路

光电检测整体电路如图7所示。本电路结构利用单片机的最小系统，单片机的很多接口处于空闲状态，这为增加光电检测电路功能提供了可能。因为在仿真时，无法模拟物体通过光电检测系统，在电路结构中，以开关代替是否有物体通过，当开关闭合时，代表没有物体通过，当开关打开时代表有物体通过。

图7 光电检测整体电路

4 结论

本文利用单片机最小系统设计了光电检测电路，由仿真结果分析，本设计可以进行工业生产计数、工业生产安全监控等。由

于单片机的很多接口处于空闲状态，所以本系统可以增加其它检测功能。本设计目的是检验所学的理论知识，为以后的工程设计打下基本技能。

参考文献：

[1] 雷玉堂.光电检测技术[M].北京：中国计量出版社，1995.

[2] 吕海宝.激光光电检测[M].北京：国防科技大学出版社，2000.

[3] 王清正，胡渝.光电探测技术[M].北京：电子工业出版社，1994.

[4] 童诗白.模拟电子技术基础[M].4版.北京：高等教育出版社，2000.

[5] 何利民.单片机高级教程[M].北京：航空航天大学出版社，2000.

[6] 李朝青.单片机原理与接口技术[M].北京：航空航天大学出版社，1999.

[7] 唐继贤.《51单片机工程应用实例》硬件部分[M].北京：北京航空航天大学出版社出版，2003.

当有物体通过光电检测电路时，发光二极管发光， R6 为 ? 181 限流电阻。如图5所示：

图5 发光电路

光电检测电路如图6所示。当开关物体通过时时，发光二极管不会发光，此时光敏三极管处于截止状态，电路中的三极管Q1处于截止状态，P3.2管脚呈现低电平，单片机检测到低电平，执行中断程序，点亮发光二极管。当没有物体通过时，光敏三极管接收到发光二极管发出的光，光敏三极管导通，电路中的三极管Q1处于导通状态，P3.2管脚呈现高电平，单片机处于等待状态。

图6 光电检测电路

光电检测整体电路如图7所示。本电路结构利用单片机的最小系统，单片机的很多接口处于空闲状态，这为增加光电检测电路功能提供了可能。因为在仿真时，无法模拟物体通过光电检测系统，在电路结构中，以开关代替是否有物体通过，当开关闭合时，代表没有物体通过，当开关打开时代表有物体通过。

图7 光电检测整体电路

4 结论

本文利用单片机最小系统设计了光电检测电路，由仿真结果分析，本设计可以进行工业生产计数、工业生产安全监控等。由

于单片机的很多接口处于空闲状态，所以本系统可以增加其它检测功能。本设计目的是检验所学的理论知识，为以后的工程设计打下基本技能。

参考文献：

[1] 雷玉堂.光电检测技术[M].北京：中国计量出版社，1995.

[2] 吕海宝.激光光电检测[M].北京：国防科技大学出版社，2000.

[3] 王清正，胡渝.光电探测技术[M].北京：电子工业出版社，1994.

[4] 童诗白.模拟电子技术基础[M].4版.北京：高等教育出版社，2000.

[5] 何利民.单片机高级教程[M].北京：航空航天大学出版社，2000.

[6] 李朝青.单片机原理与接口技术[M].北京：航空航天大学出版社，1999.

[7] 唐继贤.《51单片机工程应用实例》硬件部分[M].北京：北京航空航天大学出版社出版，2003.

当有物体通过光电检测电路时，发光二极管发光， R6 为 ? 181 限流电阻。如图5所示：

图5 发光电路

光电检测电路如图6所示。当开关物体通过时时，发光二极管不会发光，此时光敏三极管处于截止状态，电路中的三极管Q1处于截止状态，P3.2管脚呈现低电平，单片机检测到低电平，执行中断程序，点亮发光二极管。当没有物体通过时，光敏三极管接收到发光二极管发出的光，光敏三极管导通，电路中的三极管Q1处于导通状态，P3.2管脚呈现高电平，单片机处于等待状态。

图6 光电检测电路

光电检测整体电路如图7所示。本电路结构利用单片机的最小系统，单片机的很多接口处于空闲状态，这为增加光电检测电路功能提供了可能。因为在仿真时，无法模拟物体通过光电检测系统，在电路结构中，以开关代替是否有物体通过，当开关闭合时，代表没有物体通过，当开关打开时代表有物体通过。

图7 光电检测整体电路

4 结论

本文利用单片机最小系统设计了光电检测电路，由仿真结果分析，本设计可以进行工业生产计数、工业生产安全监控等。由

于单片机的很多接口处于空闲状态，所以本系统可以增加其它检测功能。本设计目的是检验所学的理论知识，为以后的工程设计打下基本技能。

参考文献：

[1] 雷玉堂.光电检测技术[M].北京：中国计量出版社，1995.

[2] 吕海宝.激光光电检测[M].北京：国防科技大学出版社，2000.

[3] 王清正，胡渝.光电探测技术[M].北京：电子工业出版社，1994.

[4] 童诗白.模拟电子技术基础[M].4版.北京：高等教育出版社，2000.

[5] 何利民.单片机高级教程[M].北京：航空航天大学出版社，2000.

[6] 李朝青.单片机原理与接口技术[M].北京：航空航天大学出版社，1999.

[7] 唐继贤.《51单片机工程应用实例》硬件部分[M].北京：北京航空航天大学出版社出版，2003.