【文章內(nèi)容簡介】 。 光照在照在光電材料上，材料表面的電子吸收的能量，若電子吸收的能量足夠大是，電子會克服束縛脫離材料表面而進(jìn)入外界空間，從而改變光電子材料的導(dǎo)電性，這種現(xiàn)象成為外光電效應(yīng) 根據(jù)愛因斯坦的光電子效應(yīng)，光子是運動著的粒子流，每種光子的能量為 hv，由此可見不同頻率的光子具有不同的能量，光波頻 率越高，光子能量越大。假設(shè)光子的全部能量交給光子，電子能量將會增加，增加的能量一部分用于克服正離子的束縛，另一部分轉(zhuǎn)換成電子能量。根據(jù)能量守恒定律： AHMV ?? ?221 （ ） 式中， M 為電子質(zhì)量 ， v 為電子逸出的初速度 ， A 微電子所做的功。 由上式可知，要使光電子逸出陰極表面的必要條件是 HvA。由于不同材料具有不同的逸出功，因 此對每一種陰極材料，入射光都有一個確定的頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強(qiáng)多大，都不會產(chǎn)生光電子發(fā)射，此頻率限稱為 “紅限 ”。相應(yīng)的波長為 Ahck ??式中， c 為光速， A 為逸出功。 當(dāng)受到光照射時，吸收電子能量，其電阻率降低的導(dǎo)電現(xiàn)象稱為光導(dǎo)效應(yīng)。它屬于內(nèi)光電效應(yīng)。當(dāng)光照在半導(dǎo)體上是，若電子的能量大與半導(dǎo)體禁帶的能級寬度，則電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，形成電子，同時，價帶留下相應(yīng)的空穴。電子、空穴仍留在半導(dǎo)體內(nèi)，并參與導(dǎo)電在外電場作用下形成的電流。 除金屬外，多數(shù)絕緣體和半導(dǎo)體都有光電效應(yīng)，半導(dǎo)體尤為顯著。 光電傳感器 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 7頁 光電傳感器是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的，它的基本結(jié)構(gòu)如下圖，它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化 ， 然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器一般由光源 ， 光學(xué)通路和光電元件三部分組成 。 光電檢測方法具有精度高 ， 反應(yīng)快 ， 非接觸等優(yōu)點 ， 而且可測參數(shù)多 ， 傳感器的結(jié)構(gòu)簡單 ， 形式靈活多樣，因此 ， 光電式傳感器在檢測 [7]和控制中應(yīng)用非常廣泛。 測 量 頭光 學(xué)系 統(tǒng)光 電元 件電 子 測量 電 路光源被 測 量 量光 信 號電 參 量信 號可 用信 號 圖 光電傳感器結(jié)構(gòu)圖 光電傳感器一般由三部分構(gòu)成，它 們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路 [8]，發(fā)送器對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管 (LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應(yīng)用該信號。 光電傳感器是一種依靠被測物與光電元件和光源之間的關(guān)系，來達(dá)到測量目的的，因此光電傳感器的光源扮演著很重要的角色，光電傳感器的電源要是一個恒光源，電源穩(wěn)定性的設(shè)計至關(guān)重要，電源的穩(wěn)定性直接影響 到測量的準(zhǔn)確性，常用光源有以下幾種： 發(fā)光二極管 是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件。廣泛地用于計算機(jī)、儀器儀表和自動控制設(shè)備中。 絲燈泡 這是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線。 激光 激光與普通光線相比具有能量高度集中，方向性好，頻率單純、相干性好等優(yōu)點，是很理想的光源。 光電傳感器的類型及工作方式 槽型光電傳感器 把一個光發(fā)射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側(cè)的是槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當(dāng)被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋， 光電開關(guān)便動作。輸出一個開關(guān)控制信號，切斷或接通負(fù)載電流，從而完成 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 8頁 一次控制動作。槽形開關(guān)的檢測距離因為受整體結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。 對射型光電傳感器 若把發(fā)光器和收光器分離開，就可使檢測距離加大。由一個發(fā)光器和一個收光器組成的光電開關(guān)就稱為對射分離式光電開關(guān)，簡稱對射式光電開關(guān)。它的檢測距離可達(dá)幾米乃至幾十米。使用時把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側(cè)，檢測物通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關(guān)控制信號。 反光板型光電開關(guān) 把發(fā)光器和收光器裝入同一個裝置內(nèi)，在它的前方裝一塊反光板，利 用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式 (或反射鏡反射式 )光電開關(guān)。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來被收光器收到；一旦光路被檢測物擋住，收光器收不到光時，光電開關(guān)就動作，輸出一個開關(guān)控制信號。 擴(kuò)散反射型光電開關(guān) 它的檢測頭里也裝有一個發(fā)光器和一個收光器，但前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的。當(dāng)檢測物通過時擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到光信號，輸出一個開關(guān)信號。 根據(jù)本設(shè)計的要求，本設(shè)計選擇使用對射型光電傳感器 PM12。 PM12 光電傳感器 PM12 光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。圖 中光電器件為光敏電阻，光敏電阻是一種均質(zhì)半導(dǎo)體光電器件，也稱光電管，其是用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的。當(dāng)沒有光照時，光敏電阻的阻值很大；當(dāng)它受到紅外光照射時，其阻值急劇減小。因此，將光敏電阻接入電路中，就可使電路中的電流在光照前后有很大變化，根據(jù)光照變化量進(jìn)而引 起光敏電阻阻值變化，最終使輸出電壓發(fā)生變化，促使單片機(jī)作出相應(yīng)的動作 。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 9頁 L E DR133R220KV C CV ou tG N D 圖 PM12 光電傳感器 信號處理電路的設(shè)計 光電對射管 Q Q2 分別接入 AT89C51 的外部中斷 0 和 1 引腳相連， Q1 和 Q2 均為對射式光電管（無遮斷時導(dǎo)通，遮斷時截止）。 INT0 和 INT1 均設(shè)置下降沿觸發(fā)。在INT0 中斷處理程序中，啟動 AT89C51 內(nèi)計數(shù)器 T0 開始計數(shù)，在 INT1 中斷處理程序中，計數(shù)器 T0 停止計數(shù)。計數(shù)值暫存于單片機(jī)寄存器內(nèi)，為后續(xù)處理提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)。電路圖如圖 所示： 圖 整形放大電路圖 如圖所示，當(dāng)奔跑物體通過傳感器 Q Q2 時，傳感器將其產(chǎn)生的電壓信號 傳給下級的三極管，然后通過三極管放大，經(jīng)過施密特觸發(fā)器 CC40106 芯片進(jìn)行整 形，產(chǎn)生 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 10 頁 一個矩形方波脈沖，傳給單片機(jī)計數(shù)。 單片機(jī) AT89C51 介紹 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 圖 是常用的一種單片機(jī) [9]，型號為 AT89C51，它將計算機(jī)的功能都集成到這個芯片內(nèi)部去了，就這么一個小小的芯片就能構(gòu)成一臺小型的電腦，因此叫做單片機(jī)。 圖 AT89C51 芯片 它有 40 個管腳，分成兩排，每一排各有 20 個腳，其中左下角標(biāo)有箭頭的為第 1 腳，然后按逆時針方向依次為第 2 腳、第 3 腳 、、 第 40 腳。在 40 個管腳中，其中有 32個腳可用于各種控制，比如控制小燈的亮與滅、控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)、控制電梯的升與降等，這 32 個腳叫做單片機(jī)的 “ 端口 ” ， 在單片機(jī)技術(shù)中，每個端口都有一個特定的名字，比如第一腳的那個端口叫做 “”。 AT89C51 單片機(jī)的功能： 主要特性： （ 1） 與 MCS51 兼容 （ 2） 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 （ 3） 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) （ 4） 數(shù)據(jù)保留時間： 10 年 （ 5） 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz （ 6） 三級程序存儲器鎖定 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 11 頁 （ 7） 128*8 位內(nèi)部 RAM （ 8） 32 可編程 I/O 線 （ 9） 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 （ 10） 5 個中斷源 （ 11） 可編程串行通道 （ 12） 低功耗的閑置和掉電模式 （ 13） 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 管腳說明 [10]（圖 ）： 圖 AT89C51 管腳分布 （ 1） VCC：供電電壓， （ 2） GND：接地。 （ 3） P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH進(jìn)行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 （ 4） P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 12 頁 收輸出 4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時，P1 口作為第八位地址接收。 （ 5） P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫 “1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2 口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時， P2 口輸出其特 殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 （ 6） P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL門電流。當(dāng) P3 口寫入 “1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 （ 7） P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口。 （ 8） P3 口管腳備選功能： （ 9） RXD（串行輸入口） （ 10） TXD（串行輸出口） （ 11） /INT0（外部中斷 0） （ 12） /INT1（外部中斷 1） （ 13） T0（記時器 0 外部輸入） （ 14） T1（記時器 1 外部輸入）