光应力源监测系统设计

肖 磊， 李洪祚

（长春理工大学电子信息工程学院，吉林长春 130022）

光应力源监测系统设计

肖 磊， 李洪祚

（长春理工大学电子信息工程学院，吉林长春 130022）

设计了一种应用于微光夜视仪检测设备中低噪声的光电检测系统，分析了电路中产生的主要噪声，并提出了抑制方法。系统采用光敏二极管作为光电检测器件，并利用单片机实现了光照度的实时显示与超差报警以及与上位机的通信。

单片机；光电检测电路；光电二极管

0 引 言

夜视技术在军事、工业、农业、科学研究、医药卫生等领域有着广泛的应用，特别是在军事方面的需求是夜视技术发展的原动力。在现代战争中，为了提升战争的突然性以及扩大战争的时间范围和空间范围，需要部队在星光或月光等微弱光照度情况下对战场进行侦查和监控，这就必须依靠夜视技术，所以，微光夜视仪设备的可靠性将直接影响到军队的战斗力。要确保每一个装备的夜视仪都是合格的，就对检测设备的技术指标提出了很高的要求。

为模拟实际中的夜天光环境，在微光夜视仪检测设备中的光源要求色温为2 856K，光照度的变化不超过±10%。光应力源是否符合要求直接决定了整套系统工作的稳定性及判断结果的准确度，所以，为了保证检测设备的检测精度以及检测结果的准确性，要求对光源的照度变化进行实时监测。当光源变化超出规定范围时，能够及时报警，提示进行设备维修或光源的更换。

1 系统设计与工作原理

系统主要包括：光电检测电路、光照度显示模块、超差报警模块、串口通信模块。具体原理是通过光电检测电路将采集到的外界自然光转换为相应的直流电压信号，再通过ADC将电压信号转换为数字信号送入单片机，单片机将数据进行补偿算法获得精确的实际采样值，控制数码管显示实时光照度，一旦光照度不符合设计指标，则通过报警灯及蜂鸣器进行报警，同时，通过RS232串口与上位机进行通信。系统原理框图如图1所示。

图1 光应力源监测系统原理框图

2 光电检测电路

光电检测电路是通过将照射于光电探测器上的光通量转化为相应的光电流，再经过电流放大、电压转换等后续电路进一步优化有用信号，最终实现光信号获取的一种方法。这种电路已被广泛用于军事、农业、民用等诸多领域在光电系统中，光电检测电路把接收到的光信号转换成电信号，并对电信号进行放大，再与后面的检测和运算系统对接。光电检测电路在整个光电系统中是非常重要的，它的性能好坏直接决定了整个系统的性能好坏［1］。

2.1 光电检测电路的设计

由于本电路中采用的光电探测器的输出信号为电流信号，所以，先要经过前置放大电路将接收到的光信号转换为电流信号再转换为电压信号，但由于光电探测器的输出电流信号比较微弱，所以，在经过前置放大电路后，还需要对电压信号进一步放大到便于下一步微处理器处理的范围。但在测量信号得到放大的同时噪声也被放大，所以，为了测量的精准性，必须使用滤波电路限制噪声的频率范围，将大部分噪声滤除掉。检测电路由前置放大电路、滤波电路和二级放大电路组成，光电检测电路结构框图如图2所示。

图2 光电检测电路结构框图

设计光电检测电路有3个规则：一是降低电路噪声，提高输出信噪比；二是为避免出现频率失真，要保证电路通频带的范围足够宽；三是为保证输出信号功率大，后续电路的输入阻抗要与检测电路匹配［2］。

图3 光电检测电路

光电检测器件采用普通PN结硅光电二极管。因为光电二极管本身具有优越的光电线性特性和频率特性好、较小的暗电流、良好的稳定性，光电二极管的工作模式又可以分为两类：1）光导模式，在光电二极管两端加反向偏置电压；2）光伏模式，在光电二极管两端不加电压直接与负载相连［3］。前一种模式的时间常数较小，造成这样结果的主要原因是外加反向偏置电压可以减小结电容，因此，可以用在脉冲和高频调制光的探测上。光导模式的主要缺点就是暗电流的干扰比较大。与此相反，后一种模式中的暗电流影响非常小，所以电路噪声小，在恒定和低速调制微弱光的测量上有着更大的优势。PN结光电二极管比PIN结光电二极管的输出电流大。PIN结光电二极管更适合在反向偏压下工作［4］。前置放大器采用集成运算放大器。光电二极管与集成运放的连接方法属于电流放大型，光电二极管和运算放大器的两个输入端同极性相连，电阻R1作为反馈电阻。

图3中，由于在光电二极管两端没有加反向偏置电压，所以暗电流非常小，这就减小了输出噪声［5］。

输出电压：

式中：ISC光电二极管产生的光电流。

2．2 电路噪声的估计与降低方法

图3所示电路中，所产生的噪声主要包括光电二极管的散粒噪声，光电二极管内阻所产生的热噪声，反馈电阻R1产生的热噪声以及运算放大器所产生的噪声。

设Ins为光电二极管的散粒电流，ISC为光电二极管的光电流，Δf为电路的通频带。则：

设Ind为光电二极管内阻所产生的的热噪声电流，Rd为光电二极管的内阻，则：

设Unf为反馈电阻R1产生的热噪声电压，则：

Unf＝4 KTΔfR1

设En，In分别为放大器的等效输入噪声电压和等效输入噪声电流，则光电检测电路的输出总电压为：

输出电压Uso＝ISCR1，所以输出噪声电压为：

从上述公式可以看出，电路的信噪比与很多因素有关。电路的光电流ISC越大，则信噪比越大，所以，应该选择灵敏性高的光电二极管以提高信噪比。通频带Δf越小，则输出信噪比越大，所以，应该在后级电路使用滤波电路以限制通频带，但通频带又不能过于狭窄，以免输出信号产生频率失真［6］。集成运放的等效输入噪声电压En和等效输入噪声电流In越小，则输出信噪比越大，所以，应该选择噪声小的低噪声高精度集成运放，可以有效地减小噪声提高信噪比。另外电路的工作环境温度T越小，输出信噪比越大。所以，要尽可能使检测电路在较低的温度环境下工作。

在实际应用中，可以在前置放大电路后面连接低通滤波器以过滤高频噪声，因为噪声以高频为主［7］，所以，低通滤波器可以有效地提高输出信噪比。

二阶低通滤波器电路如图4所示。

图4 二阶压控电压源滤波电路

2．3 改进型的光电检测电路

为了降低噪声带宽，可以采用改进型光电检测电路，如图5所示。

图5 改进型光电检测电路

如果R2比较大，则容易产生直流误差，所以电路中加入R5进行补偿。C10的作用是消除R5的杂散噪声。C7是消振电容，它的加入减小了噪声的带宽［9］。

3 光照度显示与超差报警模块

3．1 硬件设计

图6 光照度显示与超差报警模块

3.2 单片机软件设计

本系统单片机程序设计主要包括以下几点：

uint mega16＿ad（）：AVR单片机根据接收到的直流电压信号进行AD转换，将接收到的模拟信号转换成数字信号；

uint mega16＿ad＿average（）：为减小误差将连续几次测量的数据进行平均后再作为最终数据输出；

void show（uchar j，uchar k）：数码管显示子程序，将光照度数据在数码管上进行显示；

void alert（uint p）：报警子程序，当光照度数据超出正常范围时，由单片机控制报警灯闪亮，同时蜂鸣器响起；

void uart＿init（uint baud）：串口通信初始化子程序；

void uart＿send（uchar data）：串口发送数据到主机。

在程序中，接收到的模拟量是光电检测电路输出的直流电压信号，此信号因为光电二极管的线性特性，应与监测的光照度成正比，通过调节光源的输入电流大小，可以调节光照度，使用照度计记录不同输出电压时的光照度，利用在实验中测量得到的数据可以得出比例常数，实验数据见表1。

表1 光照度与输出直流电压对应关系

通过表1可以得出，光照度与输出直流电压信号的比例常数约为171.2，可以在单片机中通过编程将监测信号还原成实际环境中的光照度。

4 系统测试记录

通过串口可以将监测系统监测到的光照度信息、报警信息与设定报警上下限，输入计算机，存储进数据库进行记录和查询，记录结果如图7所示。

图7 光照度记录

通过现场测量与高精度的照度计的测量结果进行比较，误差在±2lux以内，同时报警功能工作正常，系统符合设计指标。

5 结 语

文中所述的光电监测与显示报警系统具有精度高、成本低、适用性广的特点。通过改进电路降低了噪声的影响，经实际测试，满足了信号测量的要求，只要改变单片机内的程序便可执行更多其它控制功能，有很大的发展前景。本方法既适用于检测微弱信号，也适用于一般光信号的检测。

［1］胡丹，张岗，撒继铭.一种实用的光电检测电路设计与实现［J］.仪器技术与传感器，2010（11）：79-81.

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［6］韩勇.光电检测电路的噪声分析与处理［D］：［硕士学位论文］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2011.

［7］王虎，陈娟，尹力鹏，等.光电跟踪系统中的伺服控制技术［J］.长春工业大学学报：自然科学版，2009，30（5）：533-539.

［8］童汉维.半导体制冷器温度控制系统的设计与实现［D］：［硕士学位论文］.武汉：华中科技大学，2010.

［9］王诣，王选择，翟中生，等.新型光电检测电路的研究与设计［J］.光电子技术，2012（2）：131-136.

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，汉族，内蒙古赤峰人，长春理工大学硕士研究生，主要从事光电检测系统与理论方向研究，E-mail：zjuxiaolei＠163.com.