单光子探测技术在需要高灵敏度的弱光传感应用,例如3D激光雷达成像技术,量子密钥分发,光感测距技术和医用成像技术等领域拥有广泛的应用前景。在这些应用中最基础核心的器件则是单光子雪崩探测器（Single Photon Avalanche Detector,SPAD）,由于在进行单光子探测时可获得的光信号非常微弱,所以要实现检测微弱的光子信号就必须有相应的信号放大处理并同时保持极低的噪声。单光子雪崩二极管探测器是工作在盖革模式下,有光子入射时会引发二极管产生持续的雪崩电流,然后用二极管的外围电路对其进行淬灭,最终达到检测单个光子并计数的目的。近年来单光子探测技术由于其较低的成本,较低的工作电压和较高的灵敏度以及更小的尺寸等优点而变得更受科研人员青睐。然而,随着量子信息技术的快速兴起与发展,人们对单光子探测器的探测效率、测量精度等性能要求也进一步提高。在单光子探测技术中,SPAD的偏压和淬灭芯片的延迟时间等参数能极大的影响探测器的工作性能。同时随着技术的进步,也要求单光子雪崩探测器与其外围电路实现高度集成,这些因素都对单光子计数系统的设计和优化提出了挑战,现有的结构也存在一些不足。本文对SPAD的原理及影响其性能的因素进行了详细的研究,并基于单片机设计出了一种高度集成的多参数可调的单光子计数系统模块,主要工作如下:首先设计了以单片机控制为核心的单光子计数系统模块,该系统模块可以通过USB与上位机通信,用户可以通过上位机软件直接实现对偏压、延迟时间参数的控制。同时该系统模块可提供反向14V～40V可调节的偏压,调节精度在0.4V;延迟时间实现几纳秒到1.6μs可控,调节间隔为6.3ns。所有元件都集成在一个电路板上,整个系统模块结构紧凑所占体积较小。然后,使用所设计的单光子计数系统模块进行各类单光子探测技术中关键参数的实验检测,当延迟时间在28.5ns左右时,计数系统达到饱和,光子计数率达到3.5×107计数每秒。当偏压控制在26.8V时,系统的暗计数约为200次每秒,同时时间抖动值约为158ps。光子探测效率检测实验结果还表明该模块适用于检测450nm至700nm的短波长光,并且光子探测效率在600nm入射光波长附近最高可达到40%。实验表明系统在长时间工作后温度无明显变化。之后引入品质因数,结合所有实验数据,推出了最适合单光子探测器工作的条件。