基于光电传感器的奔跑速度检测系统设计(编辑修改稿)

基于光电传感器的奔跑速度检测系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大是，电子会克服束缚脱离材料表面而进入外界空间，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应 根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为 hv，由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频 率越高，光子能量越大。 假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。 根据能量守恒定律： AHMV  221 （ ） 式中， M 为电子质量 ， v 为电子逸出的初速度 ， A 微电子所做的功。 由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是 HvA。 由于不同材料具有不同的逸出功，因 此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为 “红限 ”。 相应的波长为 Ahck 式中， c 为光速， A 为逸出功。 当受到光照射时，吸收电子能量，其电阻率降低的导电现象称为光导效应。 它属于内光电效应。 当光照在半导体上是，若电子的能量大与半导体禁带的能级宽度，则电子从价带跃迁到导带，形成电子，同时，价带留下相应的空穴。 电子、空穴仍留在半导体内，并参与导电在外电场作用下形成的电流。 除金属外，多数绝缘体和半导体都有光电效应，半导体尤为显著。 光电传感器 黄河科技学院毕业设计说明书 第 7页 光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的，它的基本结构如下图，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化 ， 然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。 光电传感器一般由光源 ， 光学通路和光电元件三部分组成。 光电检测方法具有精度高 ， 反应快 ， 非接触等优点 ， 而且可测参数多 ， 传感器的结构简单 ， 形式灵活多样，因此 ， 光电式传感器在检测 [7]和控制中应用非常广泛。 测 量 头光 学系 统光 电元 件电 子 测量 电 路光源被 测 量 量光 信 号电 参 量信 号可 用信 号 图 光电传感器结构图 光电传感器一般由三部分构成，它 们分为：发送器、接收器和检测电路 [8]，发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管 (LED)、激光二极管及红外发射二极管。 光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。 接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。 在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。 在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。 光电传感器是一种依靠被测物与光电元件和光源之间的关系，来达到测量目的的，因此光电传感器的光源扮演着很重要的角色，光电传感器的电源要是一个恒光源，电源稳定性的设计至关重要，电源的稳定性直接影响 到测量的准确性，常用光源有以下几种： 发光二极管 是一种把电能转变成光能的半导体器件。 广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。 丝灯泡 这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。 激光 激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性好等优点，是很理想的光源。 光电传感器的类型及工作方式 槽型光电传感器 把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。 发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。 但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡， 光电开关便动作。 输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成 黄河科技学院毕业设计说明书 第 8页 一次控制动作。 槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。 对射型光电传感器 若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。 由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。 它的检测距离可达几米乃至几十米。 使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。 反光板型光电开关 把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利 用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式 (或反射镜反射式 )光电开关。 正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。 扩散反射型光电开关 它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。 正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。 当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。 根据本设计的要求，本设计选择使用对射型光电传感器 PM12。 PM12 光电传感器 PM12 光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。 光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。 图 中光电器件为光敏电阻，光敏电阻是一种均质半导体光电器件，也称光电管，其是用光电导效应制成的。 当没有光照时，光敏电阻的阻值很大；当它受到红外光照射时，其阻值急剧减小。 因此，将光敏电阻接入电路中，就可使电路中的电流在光照前后有很大变化，根据光照变化量进而引 起光敏电阻阻值变化，最终使输出电压发生变化，促使单片机作出相应的动作。 黄河科技学院毕业设计说明书 第 9页 L E DR133R220KV C CV ou tG N D 图 PM12 光电传感器 信号处理电路的设计 光电对射管 Q Q2 分别接入 AT89C51 的外部中断 0 和 1 引脚相连， Q1 和 Q2 均为对射式光电管（无遮断时导通，遮断时截止）。 INT0 和 INT1 均设置下降沿触发。 在INT0 中断处理程序中，启动 AT89C51 内计数器 T0 开始计数，在 INT1 中断处理程序中，计数器 T0 停止计数。 计数值暂存于单片机寄存器内，为后续处理提供相应的数据。 电路图如图 所示： 图 整形放大电路图 如图所示，当奔跑物体通过传感器 Q Q2 时，传感器将其产生的电压信号 传给下级的三极管，然后通过三极管放大，经过施密特触发器 CC40106 芯片进行整 形，产生 黄河科技学院毕业设计说明书 第 10 页 一个矩形方波脉冲，传给单片机计数。 单片机 AT89C51 介绍 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS51 指令集和输出管脚相兼容。 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 图 是常用的一种单片机 [9]，型号为 AT89C51，它将计算机的功能都集成到这个芯片内部去了，就这么一个小小的芯片就能构成一台小型的电脑，因此叫做单片机。 图 AT89C51 芯片 它有 40 个管脚，分成两排，每一排各有 20 个脚，其中左下角标有箭头的为第 1 脚，然后按逆时针方向依次为第 2 脚、第 3 脚 、、 第 40 脚。 在 40 个管脚中，其中有 32个脚可用于各种控制，比如控制小灯的亮与灭、控制电机的正转与反转、控制电梯的升与降等，这 32 个脚叫做单片机的 “ 端口 ” ， 在单片机技术中，每个端口都有一个特定的名字，比如第一脚的那个端口叫做 “”。 AT89C51 单片机的功能： 主要特性： （ 1） 与 MCS51 兼容 （ 2） 4K 字节可编程闪烁存储器 （ 3） 寿命： 1000 写 /擦循环 （ 4） 数据保留时间： 10 年 （ 5） 全静态工作： 0Hz24Hz （ 6） 三级程序存储器锁定 黄河科技学院毕业设计说明书 第 11 页 （ 7） 128*8 位内部 RAM （ 8） 32 可编程 I/O 线 （ 9） 两个 16 位定时器 /计数器 （ 10） 5 个中断源 （ 11） 可编程串行通道 （ 12） 低功耗的闲置和掉电模式 （ 13） 片内振荡器和时钟电路 管脚说明 [10]（图 ）： 图 AT89C51 管脚分布 （ 1） VCC：供电电压， （ 2） GND：接地。 （ 3） P0 口： P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。 当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。 在 FIASH 编程时， P0 口作为原码输入口，当 FIASH进行校验时， P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 （ 4） P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 口缓冲器能接 黄河科技学院毕业设计说明书 第 12 页 收输出 4TTL 门电流。 P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。 在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。 （ 5） P2 口： P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写 “1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。 这是由于内部上拉的缘故。 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， P2 口输出地址的高八位。 在给出地址 “1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2 口输出其特 殊功能寄存器的内容。 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 （ 6） P3 口： P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL门电流。 当 P3 口写入 “1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。 作为输入，由于外部下拉为低电平， P3 口将输出电流（ ILL）这是由于上拉的缘故。 （ 7） P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口。 （ 8） P3 口管脚备选功能： （ 9） RXD（串行输入口） （ 10） TXD（串行输出口） （ 11） /INT0（外部中断 0） （ 12） /INT1（外部中断 1） （ 13） T0（记时器 0 外部输入） （ 14） T1（记时器 1 外部输入）。