基于黄色LED反向电流的光电检测板

简 介： 利用LED反向电流来对周围环境光电变化进行感知，从而制作成光电检测板，应用于全国大学生智能车计时系统。本文通过实验验证可以直接替代原来的电磁线圈的作用。由于使用了LED，整个检测板的成本非常低廉，所以可以应用在现在比赛中需要较多的检测点的场合。本文对于测试光电板的功能进行测试，证明了该方案的可行性。

关键词： LED，反向光敏电流，电流放大，智能车竞赛，光电检测板，达林顿管，平滑滤波

 

01 光电检测板

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1.设计背景

  最早在 可否使用串联LED（或者光敏LED）来制作光电检测板？ 提出了 ，利用廉价的LED的光敏反向电流来替代普通 光敏电阻 、 光电三极管（PT0603） 来形成光电检测，应用在 全国大学生智能车竞赛 中，来检测车模在起跑线的通过的时刻，用于替代 传统的基于线圈检测的方式。

  之前相关的测试工作包括：

• 测试各种型号LED的反向光敏电流与光伏信号 :测试了LED的光伏特性响应速度远小于反向电流特性。反向电流的频率特性在1000kHz左右，可以满足光电检测目标；
• 几款表贴LED反向电流特性 :连同上面的工作，验证了在所有的颜色的LED，反向电流效应最大的是发送黄色光的LED。通过使用Darlington三极管进行放大之后，便可以达到单片机ADC转换的范围；
• 几款LED灯带作为反向电流感应测试 , 金黄色的LED灯带感光特性测量 220V黄金光的LED灯带测试与结构 ：解析了若干款LED灯带的结构，它们都不太适合直接用作光电检测板。一方面是由于它们大部分是通过串并联形成结果，而不是整体串联；另一方面号称发送黄色的灯带实际上都是发送的白光LED，而通过封装材料将发送光转换成黄光的。
• 在 几款黄色LED的反相电流测量以及检测PCB制作要求 验证了几款发送黄光的表贴LED反向电流的灵敏度，给出了制作检测PCB的要求。

^{▲ LED检测带的设计要求}

2.光电检波板

  今天收到了来自于龙邱提供的制作的电路板。他们进行焊接组装并进行了初步的测试。

^{▲ 焊接好的光电检测板的初步测试}

  在刚刚拿到样板的时候，在样板上存在着明显的焊接杂质。使用 PCB 洗板水 对其进行清洗之后，进行下面的测试。

（1）基本参数

光电检测板尺寸：

长（mm）：全长480，检测区440mm
宽（mm）：100
厚（mm）：1

• 黄色LED的个数：45个LED，排列间距：10mm。

（2）Darlington管

  灯带放大电流的器件是达林顿管 MMBTA13LT1G 。下面它的数据手册给出的基本参数。

^{▲ 基本参数}

^{▲ 直流hFE参数}

（3）参考设计电路图

^{▲ 电路SCH}

^{▲ 参考PCB设计}

3.修改建议

  根据下面的基本测试过程中发现问题，将需要修改的部分总结在这部分。

（1）达林顿封装（已经修改过来了）

  根据MMBTA13LT1G数据手册定义，它对应的SOT-23封装应该是下图的右侧形式。将SOT23管脚定义进行修改成下图所示。

^{▲ 将SOT23管脚定义进行修改}

  不过经过仔细对比，寄送过来的起跑线的封装已经修改了。

^{▲ 实际电路板与第一次发送给我的电路图}

（2）R2阻值修改为51kΩ

  为了提高输出信号的响应速度，将R2的阻值修改51kΩ。

 

02 基本测试

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1.达林顿管

  使用 测试电阻电容 二三极管的好帮手 晶体管测试显示模块 测量MMBAT13LT1G的基本参数。下面是将SOT-23封装的Darlington管焊接在转接板上。

^{▲ MMBTA13LT1G}

  下面显示了MMBAT13LT1G的基本参数。对比 测试各种型号LED的反向光敏电流与光伏信号 对于BC517，KSP13基本参数的测量。这三个Darlington管测单数对照如下：

【表2-1 几款Darlington管的基本参数】

型号	hFE	Ie	Ube
MMBAT13LT1G	256k	5.4mA	1.19V
BC517	44.5k	5.3mA	1.22V
KSP13	68.2	5.4mA	？？？

  注：可以看出使用测试电阻电容 二三极管的好帮手 晶体管测试显示模块所测量 的hFE明显比起MMBTA13LT1G给出的大，所以这了个数值只能用于参考。

^{▲ 测试MMBAT13LT1G 基本参数}

  对照可以看出 在三款Darlingtong管中，MMBAT13的hFE最大 。

2.黄色LED

（1）准备测试

  下面将电路板上的黄色LED焊接在100mil排针管脚上，使用数字万用表测量LED的极性以及发送的光线。

^{▲ 使用数字万用表测量LED的极性以及发送的光线}

（2）测试反向电流

  下面是测量LED反向电流的电路。

^{▲ 检测测试LED反向电流的电路图}

  使用一个电阻箱做R1，可以调整相应的阻值以适应不同的光纤环形。下面是在面包板上搭建的测试电路。在下面测试过程中，R1的阻值设置为 8kΩ 。

^{▲ 在面包板上搭建的测试电路}

  使用示波器观察Darlongton集电极电压波形。通过转动LED不同方向，以及使用手遮挡LED，观察到Darlongton集电极电压波形与外部光线变化关系

^{▲ Darlongton集电极电压波形与外部光线变化关系}

  至此，对于光电检测板上的主要器件检查完毕。

3.测量光电检测板

（1）确定LED焊接极性

  首先，使用数字万用表测试焊接在光电检测板上的所有LED是否按照反向方式进行焊接，也就是LED的正极接在高电位（ 3.3V～5V ）上，负极接在Darlongton管的基极上。

^{▲ 布板中将Darlington板的封装使用错误}

（2）修改R2

  将R2的阻值由原来100kΩ修改为51kΩ，以提高检测响应速度。

（3）使用胶带覆盖检测板

  模拟在实际应用中使用白色胶带将检测带固定在赛道上的方式。

  使用白色的胶带覆盖，使得灵敏度下降很多。建议使用透明胶带进行固定。

^{▲ 使用白色胶带将检测LED带固定在桌面上}

^{▲ 使用透明胶带进行固定}

4.测量输出信号

  下面测试在几种典型光线环境下输出波形。

（1）静态波形

^{▲ 在桌面上强光下输出波形}

^{▲ 在地面上光线较暗的情况}

^{▲ 在远离强光的桌面上}

（2）光线变化时输出信号

  下面测试手划过光电板、车轮压过光电板的情况。

【Ⅰ.手划过光电板】

^{▲ 是有手划过光电板}

  下面是光电板上只在地面上，使用手在上面划过引起的输出信号变化.

^{▲ 光电板上只在地面上，使用手在上面划过引起的输出信号变化}

【Ⅱ.车轮压过光电板】

^{▲ 车模车轮压过引起输出信号的波动}

^{▲ 放置在地面上，使用车轮压过}

 

▓ 测试总结

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  通过前面测试，可以看到现在制作光电板的输出信号基本与前面基于电磁感应线圈所获得波形相似，都是在叠加50Hz交流波形的基础存在反映车模通过时引起的光线变化交变信号。这部分固定频率噪声通过软件的固定窗口滤波便可以消除。

  比如下图中的红色波形就是通过20ms平滑窗口滤波之后的波形。

^{▲ 基于感应线圈所获得的波形}

  利用LED反向电流来对周围环境光电变化进行感知，从而制作成光电检测板，应用于全国大学生智能车计时系统。通过前面的实验验证了该方案的可行性，可以直接替代原来的电磁线圈的作用。

  由于使用了LED，整个检测板的成本非常低廉，所以可以应用在现在比赛中需要较多的检测点的场合。

 

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■ 相关文献链接:

• 可否使用串联LED（或者光敏LED）来制作光电检测板？
• 光敏电阻检测12528
• 弦，震动的琴弦
• 第十六届全国大学智能汽车竞赛竞速比赛规则
• 智能车竞赛自动裁判系统
• 测试各种型号LED的反向光敏电流与光伏信号
• 几款表贴LED反向电流特性
• 几款LED灯带作为反向电流感应测试
• 金黄色的LED灯带感光特性测量
• 220V黄金光的LED灯带测试与结构
• 几款黄色LED的反相电流测量以及检测PCB制作要求
• PCB 洗板水
• MMBTA13LT1G数据手册
• 测试电阻电容 二三极管的好帮手 晶体管测试显示模块