基于1N4148玻封二极管的低成本光电计数电路设计

王永清，刘欢，王硕南,刘磊

(河北大学 电子信息工程学院，河北 保定 071002)

电子计数器有高精度、方便使用等优点，发展迅速，自动化程度不断提高，如今已渗透到各个领域，成为不可缺少的设备[1-3].光电检测相比于其他检测技术因具备检测速度快、与被测物无接触、不会对被测物产生污染、适用范围较广等优点得到广泛应用[4-7].现阶段的计数器分为接触式计数器和非接触式计数器，光电计数器就是一种非接触式计数器，其利用光电元件制成自动计数装置.

本文设计基于1N4148玻封二极管的光电转换电路并研制一种光电计数器，采用半导体激光器作为光源，1N4148玻封二极管作为光接收元件，可实现生产线上远距离的产品计数.该计数器电路简单，成本很低，控制灵活，计数距离远，可靠性强，可以大大提高生产效率.

1 电路及工作原理

本文设计的光电计数器硬件系统由光电发射与接收电路、高通滤波电路、精密整流电路、计数电路等几部分组成，整个电路均使用9 V直流稳压电源为各单元电路供电.这种光电计数器的工作原理：从光源发出的一束平行光照射在光电元件上，每当这束光被遮挡1次，光电元件的工作状态就改变1次，通过放大器数出给定时间内所通过的脉冲数并显示计数结果[8-13].本文所设计的计数器电路框图见图1.

图1 电路系统整体框图Fig.1 Overall block diagram of circuit system

2 电路设计

2.1 半导体激光器驱动电路

本文设计的光电计数器采用2 kHz方波脉冲驱动半导体激光器.时基电路NE555端口3输出的脉冲信号经三极管缓冲放大后驱动半导体激光器D3，产生调制频率为2 kHz的光源.电阻R4为激光器D3的限流电阻，使激光器的工作电流小于等于30 mA.去耦电容C3用于防止激光器对电源产生干扰，电路如图2所示.

图2 半导体激光器驱动电路Fig.2 Driving circuit diagram of semiconductor laser

2.2 光电、I/V转换电路

计数器只有将检测到的光信号转变为电信号，才能进行下一步的信号处理和数字显示.本文采用1N4148玻封二极管作为光电转换元件.1N4148玻封二极管与普通二极管一样，具有1个PN结,其采用玻璃封装，激光等强光可通过其封装玻璃照射到PN结从而产生电流[14].本文采用波长为532、660 nm的半导体激光器作为光源，对1N4148玻封二极管的光照特性进行验证.使用Origin软件对测量数据进行处理，其光照特性曲线见图3.

图3 不同波长激光辐照下1N4148二极管曲线Fig.3 Curve of 1N4148 under different wavelength laser irradiation

结果表明，与普通硅光电二极管相比，玻璃封装1N4148二极管灵敏度较低，但在半导体激光器的辐照下可呈现出明显的光照特性，其可作为光电转换元件与半导体激光器配合使用，增加计数距离，降低计数器成本.

为方便信号的处理、转换与显示，需将1N4148玻封二极管检测到的电流信号转换为电压信号，转换电路如图4.

图4 I/V转换电路Fig.4 I/V conversion circuit

2.3 二阶高通滤波电路

二阶高通滤波电路由U3、R8～R11、C4、C5组成，电路如图5所示.由于I/V转换电路输出的2 kHz的方波调制信号中混有环境自然光、照明灯光以及电源波动等干扰信号，这些干扰信号的光强度变化频率一般远远低于2 kHz，故选用二阶压控高通滤波电路将其滤除.

图5 二阶压控高通滤波电路Fig.5 Second order voltage controlled high pass filter circuit

二阶高通滤波电路的传递函数为

(1)

其中，通带放大倍数为

(2)

截止频率为

(3)

品质因数为

(4)

二阶高通滤波器幅频特性见文献[15].

(5)

求得R10=5.7 kΩ，R11=3.3 kΩ.

采用图5所示二阶压控高通滤波电路及其参数时，该高通滤波器的截止频率实测约为1.5 kHz，既不会产生自激振荡又能够较好地滤除干扰信号，满足设计要求.

2.4 精密整流电路

经过高通滤波电路后的信号为交流脉冲信号，需转换为直流信号才能进行计数.因此本文在二阶压控高通滤波电路后设计精密整流电路[16-19]，将交流脉冲信号首先转化为直流脉冲信号，然后利用施密特电路将其处理成方波信号输出,电路见图6.

2.5 施密特触发整形电路

经过整流滤波的直流信号不能瞬时完成高低电平的切换，为了减少电路的振荡，设计由NE555构成的施密特触发整形电路，输出接单片机的I/O输入.

施密特触发整形电路可以把缓慢变化的输入信号处理成方波信号输出.由NE555构成的施密特电路如见图7所示.

图6 精密半波整流电路Fig.6 Precision half wave rectification circuit

图7 施密特触发电路Fig.7 Schmidt trigger circuit

2.6 计数显示电路

电路选用简单且常用的AT89S52单片机来实现数值的处理.AT89S52带有8 kB的RAM，256 B的ROM，32位I/O口线，3个16位定时器/计数器，完全能够满足计数器的要求.AT89S52单片机的P1.4、P1.5、P1.6口连接按键开关，进行数据的清零.

显示部分采用LM016L液晶显示器，在与单片机的连接中，P1.0和P1.2口连接LM016L的控制端，P0口连接LM016L的数据端，用来传输数据.

3 结论

本文所介绍的计数器，采用调制激光光源、二阶高通滤波等抗干扰措施，经过仿真并调试证明本设计简单可行.本设计与其他光电计数器最大的区别是：一方面采用日趋廉价的半导体激光器作为光源，省去了准直透镜，大大增加了计数距离，保证了光强的长期稳定性，基本消除了背景干扰光的影响，提高了测量的准确性和稳定性；另一方面采用廉价且常见的1N4148玻封二极管代替光敏器件作为光电转换元件，与半导体激光器配合使用，大大降低了计数器生产成本.因此，本文设计的计数器具有计数准确、电路简单、计数距离远、成本低、实用性强等优点，其应用前景良好.