基于AT89C52單片機的光功率計的設計說明

1、基于AT89C52單片機的光功率計的設計一、背景概述隨著技術的不斷進步激光技術在各行業(yè)中得到了廣泛的應用，對光功率測量技術也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的光功率測量系統(tǒng)設計是在探測器輸出信號后，經放大、A/D轉換，直接數(shù)字顯示，同時有調零電路、定標電路，對于光電型還有波長選擇開關。隨著電子技術的發(fā)展，這種設計方法顯然已經過時，當前的設計使用單片機技術，或者使測量電路和微機接口、軟件和硬件相結合，實現(xiàn)智能測量，使采集和處理測量數(shù)據(jù)由單片機完成而不需要人來操作，可以在特殊的環(huán)境中完成測量。光功率定義光功率是光在單位時間內所做的功。光功率常用單位是毫瓦(mW)和分貝(dB)，其中兩者關系為lmW=0dB，

2、而小于1mw的分貝為負值。例如，在光纖收發(fā)器或交換機說明書中，有其產生的發(fā)光和接收光功率，通常發(fā)光小于0dB。接收端所能夠接收的最小光功率稱為靈敏度，能接收的最大光功率減去靈敏度的值稱為動態(tài)范圍，發(fā)光功率減去接收靈敏度是允許光纖損耗值。光功率計的設計要點針對實際應用，要選擇適合的光功率計，應該關注以下各點：(1) 選擇最優(yōu)的探頭類型和接口類型。(2) 評價校準精度和編寫校準程序，與光纖和接頭要求范圍相匹配。(3) 確定這些型號與測量范圍和顯示分辨率相一致。(4) 具備直接插入損耗測量功能。二、實驗目的和意義“光電子測量設計”是電子科學與技術專業(yè)的必修實踐環(huán)節(jié)，該課程是以測量為主線，應用光電子技

3、術解決一個測量問題。學生通過具體解決測量問題的訓練過程，理解測量的基本概念，掌握應用光電子技術解決測量問題的基本方法，學會測量誤差分析、數(shù)據(jù)處理等。該課程對于培養(yǎng)有計量特色的光電子技術人才十分重要。基于光電轉換器件的光強度的測量，設計光接收電路，并進行光電轉換，再設計放大電路、濾波電路、AD轉換電路及微處理器電路，對測量光的光強度進行標定，最終實現(xiàn)光強度的測量，系統(tǒng)要求精度為1mW。三、方案設計與比較方案一：基于光電二極管的光功率測量1 )光電探頭的選擇：具有高響應速率、 高光電光電二極管：PD333-3C響應波長為4001100nm靈敏度等特性。2 )AD轉換芯片的選擇:A/D轉換電路U14

4、ccT 1KEHAINKEF-GNDTLC549vccCLKDCOSTO?LJ7Pli6P105P15TLC549是8位串行A/D轉換器芯可與通用微處理器、控制器通過CLK、CS、DATAOUT三條口線進行串行接口。具有4MHz片內系統(tǒng)時鐘和軟、硬件控制電路，轉換時間最長17日，TLC549為40000次/s?？偸д{誤差最大為0.5LSB,典型功耗值為6mW。采用差分參考電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準轉換范圍，VREF-接地，VREF+VREF-1V,可用于較小信號的采樣。方案二：基于硅光電池的光功率測量1)光電探頭的選擇：硅光電池：BPW34具有高光電探測率、比較大的光敏面積、高光電

5、靈敏度，快速響應時間、體積小等特點。2)AD轉換芯片的選擇:叫IN.1工N： 風 黑15TMT EOC 一% 一0E -CLOCK一 v % 1GMD 4311ATCO8O9%DBDCE IN工ADADADAL%D.（圖1）ADC0809是8位逐次逼近型A/D轉換器。它由一個8路模擬開關、一個地址鎖存譯碼器、一個A/D轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成（見圖1）。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉換器進行轉換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉換完的數(shù)字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉換完的數(shù)據(jù)。方案三：采用集成光強感應芯片采用已經有的集成光強感應芯片，

6、如下圖所示BH1710FVC內置了16bitAD轉換器，可對廣泛的亮度進行1勒克斯的高精度，內置A/D轉換器，測定照明度數(shù)字值可以直接輸出。輸出采用I2CBUS接口可以直接與單片機通訊方案的比較與選擇:方案一的AD芯片管腳比較少，同時有4MHz片內系統(tǒng)時鐘和軟、硬件控制電路，芯片的功能能夠滿足設計的要求，而且使用簡單、功能強大。而AD0809使用時還要使用外部時鐘，同時還要外接邏輯器件。在使用光電和光伏探測器件的功能上是基本一致的，就是頻帶響應不一樣，對于可見光的光功率的測量二者都可以用。所以采用方案一。四、實驗器件光功率計探頭（光電傳感器），AT89C52單片機，電阻，電容，晶振，1602液

7、晶屏，導線若干。五、光功率測量原理1、原理框圖2、各模塊功能詳解1）光功率計探頭光功率計探頭，是光信號轉換為電信號的核心部件。探頭帶有光電傳感器，用來接收被測光源的輻射并將其轉換為電流信號。探頭采用雙線正負兩個端口輸出。當被檢測光源強度發(fā)生變化時，傳感器輸出的電流會隨之改變。我們通過對電流量變化進行轉換分析最終獲得外部光源的光功率變化參數(shù)。2）I/U變換光功率探頭輸出小電流信號。電流信號與電壓信號相比，長距離傳輸抗干擾性能較好。但是由于本次試驗距離較短，同時為了與后面電壓放大器相匹配，所以要轉換為電壓信號。本次設計使用LM358N芯片連接I/U變換電路和放大電路。連接時，光功率探頭的輸出正端口

8、接入轉換電路輸入端，負端口與I/U變換電路共地連接，如圖一所示。圖一，I/U變化電路3）運算放大電路I/U變換以后輸出的信號很微弱，大概是毫伏的量級，要對信號后期處理，首先要進行放大。由于本次試驗對電路精度要求不高，這里只設計了一級放大。電路圖如圖二所示。圖二，運算放大電路4)低通濾波電路本實驗所得的信號為低頻信號，故在進行A/D轉換之前要濾除高頻信號，我們用兩個電容組成的無源低通濾波器作為被刺實驗的濾波電路。電路圖如圖三。圖三，低通濾波電路5) A/D轉換電路本實驗采用TLC549CD芯片實現(xiàn)A/D轉換。TLC549是TI公司生產的一種低價位、高性能的8位A/D轉換器，它以8位開關電容逐次逼

9、近的方法實現(xiàn)A/D轉換，其轉換速度小于17us，最大轉換速率為40000Hz,4MHZ典型內部系統(tǒng)時鐘，電源為3V至6V。它能方便地采用三線串行接口方式與各種微處理器連接，構成各種廉價的測控應用系統(tǒng)。當/CS變?yōu)榈碗娖胶?，TLC549芯片被選中，同時前次轉換結果的最高有效位MSB(A7)自DATAOUT端輸出，接著要求自I/OCLOCK端輸入8個外部時鐘信號，前7個I/OCLOCK信號的作用，是配合TLC549輸出前次轉換結果的A6-A0位，并為本次轉換做準備：在第4個I/OCLOCK信號由高至低的跳變之后，片內采樣/保持電路對輸入模擬量采樣開始，第8個I/OCLOCK信號的下降沿使片內采樣/

10、保持電路進入保持狀態(tài)并啟動A/D開始轉換。轉換時間為36個系統(tǒng)時鐘周期，最大為17us。直到A/D轉換完成前的這段時間內，TLC549的控制邏輯要求：或者/CS保持高電平，或者I/OCLOCK時鐘端保持36個系統(tǒng)時鐘周期的低電平。由此可見，在自TLC549的I/OCLOCK端輸入8個外部時鐘信號期間需要完成以下工作：讀入前次A/D轉換結果；對本次轉換的輸入模擬信號采樣并保持；啟動本次A/D轉換開始。T 1pLTLniViru_r| AcceuCLOCMII H If- 11AIA CUTh U b h l5 l 卜 kHvmn ConvtfsMm A l|L錢l| tweeMoteQ)tert

11、 Tf(jlv-inrn|rinrir|rwHtCSl 41一修D1U flLU 狀犯TLC549時序圖TLC549與單片機連接圖如下所示-兇ItALlhJr“ttjiiKJFk.ttil.K&lTWEjH.fwEbli皿心-MauK.iM*4函M3H/SKh.I甑Iircj.e2Lfl3E.7XILl.ft.加與L尤I打胃LK.pt!電方L.K.1AJI；TL工林3M向ILASS-IAtr*山三1J44.2L模擬信號從2號腳輸入，6號腳輸出數(shù)字信號。6) LCD顯示電路數(shù)字信號經過單片機運算后要通過液晶顯示出來，本實驗使用的是1062液晶屏顯iffALI 衛(wèi) El 鞏0血.SS近.皿， 聯(lián)邛

12、： . ； - 鞏型Ik F打5 ，口子心下手而詡j 皆G+溫小 1nxlLEEZ.tI? L|畤T上除 LI歸/人1PHK.fcl5iDH用事生小電PL疝昵；N-示，1062與單片機連接圖如下所示。六、完整電路原理圖設計基于上述思想設計出的完整電路圖如下所示。F8二K-HPTH弭5DOBlH1.小1XDKC交.1M1L克mi二產th1=111TALL力.彳國與花彳磯第.土工dni由露心黨M，g【RL；3心gM3出0亍:JH3：yn；-j止*咖口KLLhJTTALiT-XTaLeI7三二白J-K1Ma七、程序設計現(xiàn)列出單片機程序關鍵程序代碼:#include#include#defineuch

13、arunsignedchar#defineuintunsignedint#defineulongunsignedlongchartable116=AD:0000chartable216=00.00uWuchartime,a;uintVolt,AD;ulongPOW;ints;sbitlcdrs=P0A7;sbitlcdrw=P0A6;sbitlcden=P0A5；/片選/數(shù)據(jù)輸出/時鐘sbitCS=P3A7;sbitDO=P3A6;sbitCLK=P3A5;voiddelay(uintz)/延時函數(shù)uintx,y;for(x=z;x0;x-)for(y=120;y0;y-);voidwrite

14、_com(ucharcom)lcdrs=0;lcdrw=0;P2=com;lcden=1;delay(2);lcden=0;voidwrite_data(uchardate)lcdrs=1;lcdrw=0;P2=date;lcden=1;delay(2);lcden=0;voidinit()lcden=0;write_com(0x38);write_com(0x0c);write_com(0x06);write_com(0x01);unsignedcharTLC549(void)uchari,temp;/寫指令函數(shù)/寫數(shù)據(jù)函數(shù)/初始化函數(shù)/AD轉換，返回結果CS=1;CLK=0;CS=0;/拉

15、低CS端DO輸出最高位_nop_();_nop_();for(i=0;i8;i+)temp0;i-)_nop_();/延遲17usreturn(temp);voidData_Conversion(void)/AD讀數(shù)轉十進制函數(shù)AD=TLC549();if(a5)s=s+AD;a+;if(a=5)table18=s/1000+0;table19=s/100%10+0;table110=s/10%10+0;table111=s%10+0;Volt=AD*100/255*5;POW=(-0.4140)*Volt*Volt+100*10.2729*Volt+10000*1.2273;POW=POW/

16、100;table24=POW/1000+0;table25=POW/100%10+0;table27=POW/10%10+0;table28=POW%10+0;a=0;s=0;voiddisplay(ucharx,uchary,uchar*str)uchari;if(x=0)write_com(0x80|y);if(x=1)write_com(0xc0|y);for(i=0;i16;i+)write_data(stri);if(stri=0)break;voidmain()init();TMOD=0x01;/設置定時器0為工作方式1(00000001)TH0=(65536-50000)/25

17、6;/裝初值50ms一次中斷TL0=(65536-50000)%256;EA=1;/開總中斷ET0=1;/開定時器0中斷TR0=1;/啟動定時器0while(1)delay(800);display(0,0,table1);display(1,0,table2);voidint_adr(void)interrupt1TH0=(65536-50000)/256;/重裝初值TL0=(65536-50000)%256;time+;if(time=1)Data_Conversion();time=0;八、調試設計產品調試直接關系到產品的質量與性能。軟件調試需要用到uVision軟件。KeilC51是美

18、國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。與匯編相比。C語言在功能、結構性、可讀性、可維護性等方面具有明顯的優(yōu)勢.而且易學易用。止匕外，KeilC51軟件還提供有豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調試工具，且全Windows界面。KeilC51生成的目標代碼效率非常高，多數(shù)語句生成的匯編代碼都很緊湊，很容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。uVision在編譯過程中，能很好的檢測出程序的錯誤與警告。并能直觀提示是哪一行程序出了問題.故可方便地對程序進行檢測與驗證。uVi.sion采用BL5I作連接器，因為BL5l兼容L51,所以.一切能在Dos下工作的

19、project都可以到uVision中進行連接調試。uVision采mdScopeforwin.dows作調試器，該調試器支持MON51及系統(tǒng)模擬兩種方式，而且功能較forDOS要強大好用，調試功能也很強大。在系統(tǒng)硬件調試中.可利用5l系列仿真器F5164K進行硬件仿真，uVision也對5l系列仿真器進行了說明與介紹。同時。uVision還可與F5164K進行聯(lián)合仿真.它可以根據(jù)仿真步驟進行實際操作，并利用參考光功率計進行調試，以便此設計程序在語法沒有錯誤的基礎上能夠正確測量光纖功率。在實際電路的調試中，曾經出現(xiàn)液晶屏顯示電壓不穩(wěn)定，而且信號容易飽和等問題，通過我們積極查找，我們發(fā)現(xiàn)TLC5

20、49的基準電壓沒有連接電源，電路經過改進后可以順利輸出相對穩(wěn)定的電壓信號九、數(shù)據(jù)記錄與擬合1、輸出電壓與標準光功率計關系表：VuWVuWVuW00.050.12.51.111.82.1210.23.221.212.62.221.70.34.591.313.82.322.60.46.011.414.52.423.10.56.81.515.62.523.90.67.831.616.52.624.40.78.751.717.52.7250.88.921.818.92.825.70.99.681.919.62.926.4110.47220.13272、數(shù)據(jù)擬合圖:00.511.522.5x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,1