摘 要

本次课题的主要研究内容是利用光电检测器件和一些其他器件设计出一种节能应用的光电检测和控制系统，具体到本论文中为基于无线射频信号的地铁广告灯的自动控制技术。本课题旨在通过搭建自动控制系统减少广告牌无意义的工作时间来降低电能消耗。

利用无线射频信号接收和发射模块以及两组激光发射/接收器组成一个地铁广告牌自动控制系统，该系统可以随着地铁的驶进和离去来自动控制轨道墙壁上广告牌的点亮和熄灭。当地铁驶进广告牌范围时遮挡住激光，接收器无法接收到激光信号，系统控制广告牌点亮；当地铁驶离广告牌范围时，接收器再次接收到激光信号，系统控制广告牌熄灭。

跟现在地铁广告牌持续处于点亮状态相比，由于可以控制广告牌只在地铁列车经过的时候点亮，可以在很大程度上节约能源，减少消耗，提高广告灯的使用效率。

关键词：移动目标；光学检测；自动控制；激光对光；节能降耗

Abstract

The main content of this study is to use photoelectric detection devices and some other devices to design a photoelectric detection and control system for energy-saving applications, and to the automatic control technology of subway advertising lights based on radio frequency signals in this paper.The aim of this project is to reduce power consumption by building automatic control system to reduce the meaningless working hours of billboards.

Using radio frequency signal receiving and transmitting module and two sets of laser emission / receiver, a subway billboard automatic control system is made up. This system can automatically control the lighting and extinguishing of the billboards on the track wall with the moving and leaving of the subway. When the local iron drives into the billboard range, the laser is shielded, the receiver can't receive the laser signal and the system controls the billboard. When the local iron leaves the billboard range, the receiver receives the laser signal again, and the system controls the billboard to be extinguished.

Compared with the present subway billboard, it can save energy, reduce consumption and improve the use efficiency of advertising lights to a large extent because it can be controlled only when the train passes through the subway train.

Key words:moving targets；optical detection；automatic control；laser to light；energy saving and consumption reduction.

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 光电检测技术的发展现状及发展趋势 1

1.3 课题研究起源、目的及意义 2

1.4 章节安排 3

第2章 对光学检测器件的系统研究分析及选择 4

2.1 预设计方案 4

2.2 光学检测器件的研究分析 4

2.2.1 二维位置传感器PSD 4

2.2.2 激光对光管（激光发射/接收器） 7

2.2.3 CCD电荷耦合元件 9

2.3 器件比较及选择 10

2.4 本章总结 11

第3章 系统整体设计 12

3.1 系统整体设计分析 12

3.2 系统关键模块和元件分析 13

3.2.1 2.4G无线收发模块 13

3.2.2 继电器 17

3.3 本章总结 19

第4章 节能效果分析 20

4.1 地铁隧道广告牌简介 20

4.2 耗能分析 20

4.3 节能分析 21

4.4 本章总结 22

第5章 总结及展望 23

5.1 论文总结 23

5.2 工作展望 23

参考文献 24

致谢 25

绪论

1.1 引言

随着步入21世纪以来全世界科技的高速发展，光电检测技术越来越成为一种各方各面举足轻重的重要科研技术了。光电检测技术是两种学科领域即光学和电子学相互交叉融合而产生的一种新的检测技术，它利用各种高精度的光学仪器作为基础，可以实现非接触式的测量，这种测量方式在军事、工业、民用等领域都会发挥非常大的作用，因此对光电检测技术的深入研究迫在眉睫，将是现代检测技术的重要发展目标之一。光电检测技术一般都是需要通过特定的光学器件完成的，比如位置敏感器件PSD、激光发射/接收器等，它通过这些光学器件组成的光学系统将需要检测的信息转换成可以识别的光学信号，然后根据需要进行其他加工处理。这一技术在良多方面都具备其他检测技术不可比拟的长处：

1. 测量过程中不需要与被测物体发生表面接触，不会改变本身及被测物体的性质，因此属于非接触式测量；
2. 该技术可以与很多其他技术或应用结合使用，比如射频识别技术、图像处理技术、人工智能技术等；
3. 光电检测技术具有较高的精度，产生误差小，检测速度快，可以非常高效的采集信息、转换信息、处理信息。

1.2 光电检测技术的发展现状及发展趋势

20世纪到21世纪的如今是地球科技飞速发展的时期，到今天光电检测技术已经出现纳米、亚纳米级的高精度测量技术。非接触式的高速度测量方式已经在向三维测量技术（以微空间三维和大空间三维为代表）方向开始发展，渐渐取代了曾经的较缓慢的接触式检测。其他重要光电检测技术比如光电跟踪与光电扫描测量技术的飞速发展和广泛应用将对国家军事、商业领域、人民生活等多方多面产生不可忽视的影响。

光纤传感技术也不甘落后并在近些年得到了高速发展，光纤气体传感器也进了科研人员的眼球受到了普遍的正视和钻研。它具有多种光电技术应该具备的优点，比如外部的防爆防燃和内在的高接收灵敏度、高反应速度、强抗扰能力、超远距离传输等。

除此之外光纤光栅传感器也开始大范围普及和使用，很多光纤光栅传感器搭建的信号检测系统如雨后春笋般冒了出来，并且在短短时间内得到了长足的发展。与传统的检测方式比如单色仪扫描相比，它具有的光电转换法（即将光强信号转换成电压信号）有异常明显的优势，低廉的制造成本、检测实时变化信号速度快、工程应用广泛等^[1]。

新型抗干扰式光电检测头进行了两个方向的加强，其一是使用脉冲选通门电路，其二是对红外发射管的参数进行了优化，因此可以做到有效抑制电气类的干扰噪声，检测头的抗干扰性能得到了很大的提高也使得工作可靠性受到广泛的认可。大量的有效实验以及真实数据也证明了它的优异性。与此同时，这种新型抗干扰式光电检测头已陆续进入很多大型机电设备制造厂并被使用，它在实际生产使用中的效果表明：这一新型光电检测头抗电气干扰能力与过去的老产品相比显著提高，误动作率甚至已不到老产品的千分之一，具备高可靠性能。

如今一个很重要的发展方向是对智能光电检测系统的深层次研究。智能光电检测体系由以下几个系统组合而成：光电传感系统、测控系统、智能信号处理系统、输出系统和接口单元等。其中核心是智能信号处理系统，拥有光学采集、光电转换、光学变换、电路调理、外围接口和信息输出等关键技术，可以实现的功能有光信息采集、光电信号转换、信号探测、逻辑运算与推理、记忆存储及信息传输等^[2][3]，还具备自检自校、自我诊断与调整等可自动完成的功能。智能光电检测系统因为具有环境适应能力强、测量范围广、测量精确度高等优点，还强化了人工智能系统，可以对噪声、温度、电压波动及光源的变化进行自动修正，另外杰出的人机交互界面，使操作程序大大简化，提高了处理数据的能力和分析的效率^[2][3]。

1.3 课题研究起源、目的及意义

从19世纪中叶到今天这短短的不到二百年的时间里，地球的科技力量发生了翻天覆地的变化，这就导致了百姓的衣食住行等生活方面也发生非常大的变化。就拿“行”来说，在19世纪前，百姓出行一般都是步行，顶多也就是骑马或者乘坐马车，但是到了近代，火车、汽车、甚至飞机首次出现在了这颗蔚蓝色的星球上，给人们的生活和观念带来了巨大大冲击；再到今天，城市轨道交通遍及各大一、二线城市，“方便”二字成了百姓出行的主旋律。

随着我国城市轨道交通技术的迅速发展，地铁正在成为覆盖中国核心城市的骨干型交通网络。有效数据表明，2006年时我们国家只有10条地铁线路运行，2010年时增长到48条，到2050年这一数字将有极大概率变为289条。预计到2020年，我们国家将有40个城市铺设地铁，总计划里程多达7000公里，是目前总里程的4倍多。

与之息息相关的地铁隧道多媒体也势必获得高速发展的机遇，这将成为广告市场趋之若鹜的新的重要增长点。在许多城市中，地铁隧道不再是漆黑一片了，随着列车的高速行驶，隧道广告位呈现的十几秒动态广告，打破了长久以来地铁隧道的沉闷。

现在地铁隧道里主流的“动态广告”有两种：第一种是很多片静态LED显示屏，在数百米的地铁隧道墙壁上连续安装400到800个；另一种是可以用一条条来形容的垂直发光器，每个发光器都有近一米的高度，上面均匀分布着600个LED灯作为一列像素，发光器与发光器间隔约1.2米。由于视觉暂留效应，列车上的乘客将会感受到动画效果。

由此产生的节能问题亟待解决：隧道广告灯长时间处于开启状态，在没有列车行驶通过的时候，广告做无效工作，也伴随着大量的电能浪费。其次，由于地铁隧道内部更换广告的不便，大部分广告牌的内容基本都是固定不变的，使得广告灯的资源得不到充分的利用。该基于无线射频信号地铁广告灯的自动控制系统旨在减少地铁广告灯无用的电能损耗，同时智能控制广告灯的更换，从而有效节能。

1.4 章节安排

本论文共分为三大部分，第一部分为论文中英文摘要，主要用简短精炼的文字概说论文正文的内容，让读者对全文框架和大致内容有初步认识了解。第二部分是论文正文，共分为五个章节，第一章为绪论，言简意赅就是论文的前期理论工作，主要包括引言、研究内容的发展现状和发展趋势、课题研究的背景和目的；第二章为对光电检测器件的系统研究分析和选择，较详细的介绍了几种应用广泛的器件，最后对其作出比较总结；第三章为课题构建系统的分析，包括系统整体分析和各模块元件的详细介绍；第四章为理论计算分析，本论文的主要目的就是为了实现地铁隧道广告牌的节能降耗，而这一章就是详细计算比较说明所做系统对节能降耗的重大突破；第五章为总结，是对全文的总结性分析并且发表一些感想。最后一部分是致谢环节，要常怀感恩之心，对在课题研究期间给予过鼓励和帮助的老师同学家人表示感谢。

对光学检测器件的系统研究分析及选择

2.1 预设计方案

本课题研究的目标是利用光学检测器件来控制地铁广告牌只在有地铁经过的时候点亮，需要用到特定的光学检测器件来监测地铁的运行情况即是否到达广告牌处，用2.4G无线透传模块传递相应信息，用继电器来控制广告牌的点亮与熄灭，系统工作大致流程情况如下图所示。

图2.1 预设计方案系统工作图

光学检测器件应能够做到快速灵敏的根据地铁的不同运行情况作出不同的反应，地铁未到达器件监测范围时传输给射频模块一种信号，地铁到达器件监测范围时应传输给射频模块另一种信号，这两种信号必须具有很强的区分性，这样才能更好的发挥继电器以小电流控制大电路的作用。所以光学检测器件的功能优势将是整个系统的优势，必须选择出更适合本课题更具有优势的一种，具体的研究分析将在下一小节展开。

2.2 光学检测器件的研究分析

2.2.1 二维位置传感器PSD

PSD光电器件是一种光能/位置转换器件，其位置量为模拟量输出，具有系统响应速度快、分辨率高、成本低等优点，因此在很多领域都有非常广泛的作用。此外，位置传感器PSD还可对目标信号进行调制，因而对系统的抗干扰能力有显著提高作用，是高速度、高精度、高抗干扰能力的位置检测系统不可或缺的一部分。由于以上原因近年来采用位置传感器PSD作为实现位置检测技术一直受到广泛重视，并在此基础上不断专研和开发出新的技术。相关研究表明，在与CCD器件相比时PSD传感器的最大不同之处就是光电位置信号与光照强度有关，并且PSD信号会有非线性影响，也是这个原因使得PSD传感装置主要用于一维和二维位置量检测，该器件结构图如下所示。

x_B

I₁ x_A I₂

光电流 入射光

P层

I层

N层

I₀

L L

I₀=I₁ I₂

图2.2 位置传感器PSD结构原理图

从图中可以看出，PSD是一种半导体器件，一般的PSD都具有P、I、N三层结构，最上层是P层，中间一层I层宽度较厚是高阻层，最下面一层是N层，以此形成了P-I-N结构。这一特殊结构的特点是中间耗尽层宽，结电容小，经受光照后光生载流子（半导体受到光照时，如果半导体的禁带宽度小于或等于光子的能量，则价带中的电子会吸收光子然后进入导带，产生电子-空穴对，这种类型的载流子称为光生载流子）几近都在I层耗尽区中产生，光电流没有扩散分量，因此跟普通PN结光电二极管相比响应速度更快。由于P 层的电阻是匀称的，电极输出的电流跟入射光点所在位置到自身电极之间的距离成反比。结构决定特点性能，PSD传感器的优点是具有高分辨率、高灵敏度、配置电路简单、响应速度快，其缺点主要是非线性。

以PSD几何中心为坐标原点：

以PSD一端为坐标原点：

公式中的I1和I2分别是两个电极的光电流，L是电极之间的距离，I0代表总光电流。由四个比值公式可得出相应的跟光能量关联极小的入射光点的位置。

常见的二维PSD位置传感器及其性能参数见下表：

表2.1 常见二维PSD位置传感器性能参数表

有效光敏面：器件表面可以有效接收光照的面积大小。

分辨率：光学器件、光学镜头等对一些物象细节的分辨本能，一般单位为米制，即mm、um或nm。