光應力源監測系統設計

肖 磊， 李洪祚

（長春理工大學電子信息工程學院，吉林長春 130022）

光應力源監測系統設計

肖 磊， 李洪祚

（長春理工大學電子信息工程學院，吉林長春 130022）

設計了一種應用于微光夜視儀檢測設備中低噪聲的光電檢測系統，分析了電路中產生的主要噪聲，并提出了抑制方法。系統采用光敏二極管作為光電檢測器件，并利用單片機實現了光照度的實時顯示與超差報警以及與上位機的通信。

單片機；光電檢測電路；光電二極管

0 引 言

夜視技術在軍事、工業、農業、科學研究、醫藥衛生等領域有著廣泛的應用，特別是在軍事方面的需求是夜視技術發展的原動力。在現代戰爭中，為了提升戰爭的突然性以及擴大戰爭的時間范圍和空間范圍，需要部隊在星光或月光等微弱光照度情況下對戰場進行偵查和監控，這就必須依靠夜視技術，所以，微光夜視儀設備的可靠性將直接影響到軍隊的戰斗力。要確保每一個裝備的夜視儀都是合格的，就對檢測設備的技術指標提出了很高的要求。

為模擬實際中的夜天光環境，在微光夜視儀檢測設備中的光源要求色溫為2 856K，光照度的變化不超過±10%。光應力源是否符合要求直接決定了整套系統工作的穩定性及判斷結果的準確度，所以，為了保證檢測設備的檢測精度以及檢測結果的準確性，要求對光源的照度變化進行實時監測。當光源變化超出規定范圍時，能夠及時報警，提示進行設備維修或光源的更換。

1 系統設計與工作原理

系統主要包括：光電檢測電路、光照度顯示模塊、超差報警模塊、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換為相應的直流電壓信號，再通過ADC將電壓信號轉換為數字信號送入單片機，單片機將數據進行補償算法獲得精確的實際采樣值，控制數碼管顯示實時光照度，一旦光照度不符合設計指標，則通過報警燈及蜂鳴器進行報警，同時，通過RS232串口與上位機進行通信。系統原理框圖如圖1所示。

圖1 光應力源監測系統原理框圖

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化為相應的光電流，再經過電流放大、電壓轉換等后續電路進一步優化有用信號，最終實現光信號獲取的一種方法。這種電路已被廣泛用于軍事、農業、民用等諸多領域在光電系統中，光電檢測電路把接收到的光信號轉換成電信號，并對電信號進行放大，再與后面的檢測和運算系統對接。光電檢測電路在整個光電系統中是非常重要的，它的性能好壞直接決定了整個系統的性能好壞［1］。

2.1 光電檢測電路的設計

由于本電路中采用的光電探測器的輸出信號為電流信號，所以，先要經過前置放大電路將接收到的光信號轉換為電流信號再轉換為電壓信號，但由于光電探測器的輸出電流信號比較微弱，所以，在經過前置放大電路后，還需要對電壓信號進一步放大到便于下一步微處理器處理的范圍。但在測量信號得到放大的同時噪聲也被放大，所以，為了測量的精準性，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，光電檢測電路結構框圖如圖2所示。

圖2 光電檢測電路結構框圖

設計光電檢測電路有3個規則：一是降低電路噪聲，提高輸出信噪比；二是為避免出現頻率失真，要保證電路通頻帶的范圍足夠寬；三是為保證輸出信號功率大，后續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結硅光電二極管。因為光電二極管本身具有優越的光電線性特性和頻率特性好、較小的暗電流、良好的穩定性，光電二極管的工作模式又可以分為兩類：1）光導模式，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載相連［3］。前一種模式的時間常數較小，造成這樣結果的主要原因是外加反向偏置電壓可以減小結電容，因此，可以用在脈沖和高頻調制光的探測上。光導模式的主要缺點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，在恒定和低速調制微弱光的測量上有著更大的優勢。PN結光電二極管比PIN結光電二極管的輸出電流大。PIN結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算放大器。光電二極管與集成運放的連接方法屬于電流放大型，光電二極管和運算放大器的兩個輸入端同極性相連，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光電二極管產生的光電流。

2．2 電路噪聲的估計與降低方法

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

設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Ind為光電二極管內阻所產生的的熱噪聲電流，Rd為光電二極管的內阻，則：

設Unf為反饋電阻R1產生的熱噪聲電壓，則：

Unf＝4 KTΔfR1

設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。電路的光電流ISC越大，則信噪比越大，所以，應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，以免輸出信號產生頻率失真［6］。集成運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，應該選擇噪聲小的低噪聲高精度集成運放，可以有效地減小噪聲提高信噪比。另外電路的工作環境溫度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境下工作。

在實際應用中，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，因為噪聲以高頻為主［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 改進型的光電檢測電路

為了降低噪聲帶寬，可以采用改進型光電檢測電路，如圖5所示。

圖5 改進型光電檢測電路

如果R2比較大，則容易產生直流誤差，所以電路中加入R5進行補償。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警模塊

3．1 硬件設計

圖6 光照度顯示與超差報警模塊

3.2 單片機軟件設計

本系統單片機程序設計主要包括以下幾點：

uint mega16＿ad（）：AVR單片機根據接收到的直流電壓信號進行AD轉換，將接收到的模擬信號轉換成數字信號；

uint mega16＿ad＿average（）：為減小誤差將連續幾次測量的數據進行平均后再作為最終數據輸出；

void show（uchar j，uchar k）：數碼管顯示子程序，將光照度數據在數碼管上進行顯示；

void alert（uint p）：報警子程序，當光照度數據超出正常范圍時，由單片機控制報警燈閃亮，同時蜂鳴器響起；

void uart＿init（uint baud）：串口通信初始化子程序；

void uart＿send（uchar data）：串口發送數據到主機。

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，此信號因為光電二極管的線性特性，應與監測的光照度成正比，通過調節光源的輸入電流大小，可以調節光照度，使用照度計記錄不同輸出電壓時的光照度，利用在實驗中測量得到的數據可以得出比例常數，實驗數據見表1。

表1 光照度與輸出直流電壓對應關系

通過表1可以得出，光照度與輸出直流電壓信號的比例常數約為171.2，可以在單片機中通過編程將監測信號還原成實際環境中的光照度。

4 系統測試記錄

通過串口可以將監測系統監測到的光照度信息、報警信息與設定報警上下限，輸入計算機，存儲進數據庫進行記錄和查詢，記錄結果如圖7所示。

圖7 光照度記錄

通過現場測量與高精度的照度計的測量結果進行比較，誤差在±2lux以內，同時報警功能工作正常，系統符合設計指標。

5 結 語

文中所述的光電監測與顯示報警系統具有精度高、成本低、適用性廣的特點。通過改進電路降低了噪聲的影響，經實際測試，滿足了信號測量的要求，只要改變單片機內的程序便可執行更多其它控制功能，有很大的發展前景。本方法既適用于檢測微弱信號，也適用于一般光信號的檢測。

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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，內蒙古赤峰人，長春理工大學碩士研究生，主要從事光電檢測系統與理論方向研究，E-mail：zjuxiaolei＠163.com.