一种全数字光纤传感测试系统的制作方法

本发明可用于特殊环境(如强电磁干扰)下的非接触物体检测，以及颜色识别等场合，其属于红外光电传感以及物联网技术领域。

背景技术

光纤传感技术是外界待测量调制经光纤传输的光源发出的光，引起光的特性变化(如强度，相位，频率等)，被调制后的光经光纤传输至接收端经光电探测器及解调器解调出外界待测量的一种传感技术。而传统的传感系统的传感部分采用对射式和反射式结构，电路部分一般采用分立的模拟电路进行光发射管驱动，器件分散性较大切结构复杂等诸多缺点。

本设计是将光发射管驱动，光电转化，a/d转化输出部分进行集成化设计，通过mcu与该芯片进行特定的数字接口通信读取光电转换数据进行数字信号处理，这样就可以结合集成电路如参数一致性好，功耗低，尺寸小，稳定性提升等诸多优点，而红外数字传感芯片就具有上述优点，克服传统分立式电路结构的诸多缺点，以及笔者结合物联网技术，实现了小型化以及智能化的全数字光纤传感测试系统。

技术实现要素：

本发明在一些传统基于强度调制的光纤传感系统的基础上，利用红外数字光电传感芯片设计出全数字化的光纤传感测试系统。全数字化的光纤传感测试系统的方案如下：该系统以mcu为主控单元，采用红外接近传感器作为红外led驱动以及光电转换输出单元，rtc芯片以及数据存储器eeprom进行时间读取及光电数据的实时存储，wifi透传模块实现光电数据的网传，按键及lcd显示单元完成人机交互等功能。实验结果表明该系统可用于特殊环境下非接触物体检测。全数字化的光纤传感测试系统硬件结构如下：主要由电源管理单元、mcu电学控制单元、红外数字光电传感单元、光电数据显示单元、数据存储单元、继电器单元、实时光电数据wifi网传单元、人机交互单元构成的。

进一步所述：电源管理单元,本系统采用5v直流电源为系统供电。5v电源接入继电器驱动电源引脚及uln2803引脚，然后选用两片三端稳压芯片lm1117-3.3v分别供给lcd1602及esp8266。

进一步，所述mcu电学控制单元，控制单元选用r5f104lea，其体积小，功耗低、且片上资源极其丰富，支持iic通信，uart通信，具有a/d转换器、定时器、片上按键中断功能，内置了高速片上振荡器时钟，当然了也可以外接晶振电路充当系统时钟，本系统采用外部晶振为18.432mhz。

进一步，所述红外数字光电传感单元，此单元的核心芯片是isl29021,此芯片是一款内置红外led驱动及支持iic接口以及红外传感器。

进一步，所述光电数据显示单元，整个系统数据显示部件是五位一体共阴数码管以及lcd液晶显示器。数码管驱动芯片采用的是bc7275，它可支持spi接口通信，并带有片选功能。四路该单元的clk、mosi线均接入主控单元的spi串行输入时钟端，spi口数据输出端，主控单元用四根片选线分别接入四片驱动芯片的片选端，芯片的其余引脚接入其对应的五位共阴数码管的段选和位选端。lcd选用3.3v工作电压的lcd1602器件，其数据线以控制先可直接接在主控芯片的i/o口上。

进一步，所述数据存储单元，该单元选用了at24c02、at24c08及rx8025芯片，at24c02存储继电器阈值或者其他系统参数，rx存储或者读取时间值，at24c08记录光电数据及采集时间。三者芯片管脚都可接入主控单元的iica接口。

进一步，所述继电器单元，该单元使用了atq209型号的继电器器件外接uln2803驱动芯片，用于驱动四路继电器。而继电器工作是的断开和闭合取决于采集到的光电数据与设定的初始值的比较，若采集值小于初始值继电器会闭合，否则断开。

进一步，所述实时光电数据wifi网传单元，采用的是esp8266无线模块，该单元体现了物联网的基本机理，将采集到的数据显示在其他单板显示模块中，或者是移动终端。本设计是将采集到的数据显示在arm端上。

进一步，所述人机交互单元，采用按键触发方式，本设计使用了四个按键：功能分别是模式键、选择键、上翻建、下翻键。将他们接入主控单元上的中断引脚。

因此本发明的有益效果是：本设计采用数字接近传感器进行全数字光纤传感测试系统电学部分的设计，数字接近传感器集成了led驱动、光信号接收、信号放大调制、a/d转换等功能，相比于传统的采用分立电子元器件搭载的电路系统具有体积小、功耗低、失真度低、抗干扰能力强等特点，而且利用无线模块，实现光电数据由本地显示转向其他移动端显示的功能。

附图说明

图1是本发明的电路设计结构图

图2是本发明软件设计流程图

图3是本发明的系统实物图

图4a是本发明的对射型光纤传感测试图

图4b是本发明的对射型光纤传感测试图

图4c是本发明的对射型光纤传感测试图

图4d是本发明的对射型光纤传感测试图

图5是本发明的反射型光纤传感测试图

具体实施方式

以下内容将结合附图来进一步说明发明内容及其原理，所举实例皆用来解释本发明，并非限定其本发明的用途范围。

图1是本发明的全数字光纤传感测试系统的电路设计结构图，以r5f104lea为mcu主控制芯片，外接四路红外数字光电传感器isl29021芯片，以及外接四路五位共阴数码管，分别对应四路光电传感器。由于主控制器通过其自身的iic接口对传感器感知到的光电数据进行读取，然后将其数据显示在五位数码管上；然后为了完善系统的实时可操作性，附加了四路继电器的功能，按键，lcd1602，wifi网传模块，以及数据存储器eeprom方便系统参数以及光电数据的存储。

图2是本发明的软件设计流程图，首先对各个模块单元进行初始化，以及各个参数设置初始值，核心部分是系统的模式选择，该部分是由按键中断部分完成，该系统通过用户设置在五种模式下：即数据采集、方式设定、阈值设定、数据查询、电量查询等。具体功能如下所示：

(1)数据采集模式下，完成的功能为：主控单元通过iic接口读取红外数字光电芯片采集到的光电数据并将其显示到数码管上；读取rx8025的时间信息结合光电数据存储到at24c08中，由于空间限制，一共可存储最近的64条记录，每一条记录包含四路光电数据以及采集时间；将采集到的光电数据与设定的值进行比较，当采集值小于设定值时，其对应路的继电器闭合，否则断开；各路继电器状态显示在lcd上；实时光电数据通过esp8266进行wifi网传。

(2)方式设定模式完成的功能为：设置各路红外数字光电芯片的工作状态并显示。本文用到红外数字光电芯片的四种工作模式的两种：即可编程一次接近传感和可编程连续接近传感，而其红外led驱动电流有12.5ma、25ma,50ma、100ma四档可调，adc的分辨率有4位、8位、12位和16位，adc的分辨率与积分时间相关。这样可构成32种传感模式，同时，也可以通过寄存器设置红外数字光电芯片处于掉电状态，即禁止其传感采集，综上，用户可根据实际需求对每一路传感单元进行33种模式选择。四路红外数字光电芯片的传感模式会显示在lcd上，用户可以通过选择键选中待测试的某路传感单元，再通过上翻键或下翻键更改该通道的模式。

(3)阈值设定模式下，它完成的功能为：设置每一路继电器动作的阈值并显示在lcd上。该阈值在数据采集模式下用到。

(4)数据查询模式的功能为：查询数据采集模式下采集到的最近64条数据记录。lcd会显示当前页的某路光电数据及其采集时间，通道的切换通过选择键来实现，页的切换通过上翻键和下翻键来完成。

(5)电量查询模式完成的功能为：将采集到的锂电池电压显示到lcd上，同时在lcd上提示用户电池电压是否正常。

在各个模式下，当锂电池电量不足时，会有led灯闪烁提示用户更换锂电池。

图3是本发明的实物图，各个模块如图所示,数码管目前显示的是第二通道，其光强是32636，第一、三、四通道不工作，因此在lcd上显示off，第二通道显示的是on，表明当前时刻正在工作。

图4a是本发明的对射型光纤传感测试图，该图的对射距离为0-20mm,刚开始时adc数据几乎不变，但随着对射距离的增大，则adc数据下降幅度特别大。

图4b是本发明的对射型光纤传感测试图，该图的对射距离为20mm-100mm,随着对射距离的增大，adc输出数据值减小，但是减小的变化值比对射距离是0-20mm的变化值要小。

图4c是本发明的对射型光纤传感测试图，该图的对射距离0-160mm,而且该图是加入聚焦镜后，传感距离显著增大，随着对射距离的增大其光强输出值减小的相对缓慢些。

图4d是本发明的对射型光纤传感测试图,该图的对射距离是160-480mm,在测试过程中，可以发现随着对射距离的增大光强不断减小，前一段距离减小的速度比较快，后一段距离减小的比较缓慢。

进一步，所述图4a、4b、4c、4d,可以得出在一定范围内，由于光强大，因而输出量几乎不变，而后成反比，在后一段距离中，输出值减小的相对前一段减小的缓慢些。加入聚焦镜后，传感距离显著增强。

图5是本发明的反射型光纤传感测试图，该测试过程是选用不同颜色的同类物体作为被检测对象，移动光纤探头与物体之间的距离，并记录数码管显示的红外光电芯片的adc输出值。

进一步，所述图5反射型管线传感测试图，由图可知，光纤探头与物体距离较近时，adc输出随着探测物体的距离增大而增大，但是之后则增大而减小，所以可以得出图中的波峰处，就是最佳的探测距离。

以上便是此发明的具体实施方式。

综上所述：本发明利用数字接近传感器取代相对传统的分立元件具有体积小，失真度小，抗干扰能力强的诸多优势，而且利用网传模块，可将实时数据显示在其他终端上，最后笔者还通过搭建对射型以及反射型基本结构，并且对其进行数据测定，其结果可用于特殊环境下的非接触物体检测，用途比较广泛，可在今后进一步推广。