基于1N4148玻封二極管的低成本光電計數電路設計

王永清，劉歡，王碩南,劉磊

(河北大學 電子信息工程學院，河北 保定 071002)

電子計數器有高精度、方便使用等優點，發展迅速，自動化程度不斷提高，如今已滲透到各個領域，成為不可缺少的設備[1-3].光電檢測相比于其他檢測技術因具備檢測速度快、與被測物無接觸、不會對被測物產生污染、適用范圍較廣等優點得到廣泛應用[4-7].現階段的計數器分為接觸式計數器和非接觸式計數器，光電計數器就是一種非接觸式計數器，其利用光電元件制成自動計數裝置.

本文設計基于1N4148玻封二極管的光電轉換電路并研制一種光電計數器，采用半導體激光器作為光源，1N4148玻封二極管作為光接收元件，可實現生產線上遠距離的產品計數.該計數器電路簡單，成本很低，控制靈活，計數距離遠，可靠性強，可以大大提高生產效率.

1 電路及工作原理

本文設計的光電計數器硬件系統由光電發射與接收電路、高通濾波電路、精密整流電路、計數電路等幾部分組成，整個電路均使用9 V直流穩壓電源為各單元電路供電.這種光電計數器的工作原理：從光源發出的一束平行光照射在光電元件上，每當這束光被遮擋1次，光電元件的工作狀態就改變1次，通過放大器數出給定時間內所通過的脈沖數并顯示計數結果[8-13].本文所設計的計數器電路框圖見圖1.

圖1 電路系統整體框圖Fig.1 Overall block diagram of circuit system

2 電路設計

2.1 半導體激光器驅動電路

本文設計的光電計數器采用2 kHz方波脈沖驅動半導體激光器.時基電路NE555端口3輸出的脈沖信號經三極管緩沖放大后驅動半導體激光器D3，產生調制頻率為2 kHz的光源.電阻R4為激光器D3的限流電阻，使激光器的工作電流小于等于30 mA.去耦電容C3用于防止激光器對電源產生干擾，電路如圖2所示.

圖2 半導體激光器驅動電路Fig.2 Driving circuit diagram of semiconductor laser

2.2 光電、I/V轉換電路

計數器只有將檢測到的光信號轉變為電信號，才能進行下一步的信號處理和數字顯示.本文采用1N4148玻封二極管作為光電轉換元件.1N4148玻封二極管與普通二極管一樣，具有1個PN結,其采用玻璃封裝，激光等強光可通過其封裝玻璃照射到PN結從而產生電流[14].本文采用波長為532、660 nm的半導體激光器作為光源，對1N4148玻封二極管的光照特性進行驗證.使用Origin軟件對測量數據進行處理，其光照特性曲線見圖3.

圖3 不同波長激光輻照下1N4148二極管曲線Fig.3 Curve of 1N4148 under different wavelength laser irradiation

結果表明，與普通硅光電二極管相比，玻璃封裝1N4148二極管靈敏度較低，但在半導體激光器的輻照下可呈現出明顯的光照特性，其可作為光電轉換元件與半導體激光器配合使用，增加計數距離，降低計數器成本.

為方便信號的處理、轉換與顯示，需將1N4148玻封二極管檢測到的電流信號轉換為電壓信號，轉換電路如圖4.

圖4 I/V轉換電路Fig.4 I/V conversion circuit

2.3 二階高通濾波電路

二階高通濾波電路由U3、R8～R11、C4、C5組成，電路如圖5所示.由于I/V轉換電路輸出的2 kHz的方波調制信號中混有環境自然光、照明燈光以及電源波動等干擾信號，這些干擾信號的光強度變化頻率一般遠遠低于2 kHz，故選用二階壓控高通濾波電路將其濾除.

圖5 二階壓控高通濾波電路Fig.5 Second order voltage controlled high pass filter circuit

二階高通濾波電路的傳遞函數為

(1)

其中，通帶放大倍數為

(2)

截止頻率為

(3)

品質因數為

(4)

二階高通濾波器幅頻特性見文獻[15].

(5)

求得R10=5.7 kΩ，R11=3.3 kΩ.

采用圖5所示二階壓控高通濾波電路及其參數時，該高通濾波器的截止頻率實測約為1.5 kHz，既不會產生自激振蕩又能夠較好地濾除干擾信號，滿足設計要求.

2.4 精密整流電路

經過高通濾波電路后的信號為交流脈沖信號，需轉換為直流信號才能進行計數.因此本文在二階壓控高通濾波電路后設計精密整流電路[16-19]，將交流脈沖信號首先轉化為直流脈沖信號，然后利用施密特電路將其處理成方波信號輸出,電路見圖6.

2.5 施密特觸發整形電路

經過整流濾波的直流信號不能瞬時完成高低電平的切換，為了減少電路的振蕩，設計由NE555構成的施密特觸發整形電路，輸出接單片機的I/O輸入.

施密特觸發整形電路可以把緩慢變化的輸入信號處理成方波信號輸出.由NE555構成的施密特電路如見圖7所示.

圖6 精密半波整流電路Fig.6 Precision half wave rectification circuit

圖7 施密特觸發電路Fig.7 Schmidt trigger circuit

2.6 計數顯示電路

電路選用簡單且常用的AT89S52單片機來實現數值的處理.AT89S52帶有8 kB的RAM，256 B的ROM，32位I/O口線，3個16位定時器/計數器，完全能夠滿足計數器的要求.AT89S52單片機的P1.4、P1.5、P1.6口連接按鍵開關，進行數據的清零.

顯示部分采用LM016L液晶顯示器，在與單片機的連接中，P1.0和P1.2口連接LM016L的控制端，P0口連接LM016L的數據端，用來傳輸數據.

3 結論

本文所介紹的計數器，采用調制激光光源、二階高通濾波等抗干擾措施，經過仿真并調試證明本設計簡單可行.本設計與其他光電計數器最大的區別是：一方面采用日趨廉價的半導體激光器作為光源，省去了準直透鏡，大大增加了計數距離，保證了光強的長期穩定性，基本消除了背景干擾光的影響，提高了測量的準確性和穩定性；另一方面采用廉價且常見的1N4148玻封二極管代替光敏器件作為光電轉換元件，與半導體激光器配合使用，大大降低了計數器生產成本.因此，本文設計的計數器具有計數準確、電路簡單、計數距離遠、成本低、實用性強等優點，其應用前景良好.