基于AT89C52单片机的光功率计的设计

基于AT89C52单片机的光功率计的设计一、背景概述随着技术的不断进步激光技术在各行业中得到了广泛的应用，对光功率测量技术也提出了更高的要求。传统的光功率测量系统设计是在探测器输出信号后，经放大、A／D转换，直接数字显示，同时有调零电路、定标电路，对于光电型还有波长选择开关。随着电子技术的发展，这种设计方法显然已经过时，当前的设计使用单片机技术，或者使测量电路和微机接口、软件和硬件相结合，实现智能测量，使采集和处理测量数据由单片机完成．而不需要人来操作，可以在特殊的环境中完成测量。光功率定义光功率是光在单位时间内所做的功。光功率常用单位是毫瓦(mW)和分贝(dB)，其中两者关系为lmW=0dB，而小于1mw的分贝为负值。例如，在光纤收发器或交换机说明书中，有其产生的发光和接收光功率，通常发光小于0dB。接收端所能够接收的最小光功率称为灵敏度，能接收的最大光功率减去灵敏度的值称为动态范围，发光功率减去接收灵敏度是允许光纤损耗值。光功率计的设计要点针对实际应用，要选择适合的光功率计，应该关注以下各点：(1)选择最优的探头类型和接口类型。(2)评价校准精度和编写校准程序，与光纤和接头要求范围相匹配。(3)确定这些型号与测量范围和显示分辨率相一致。(4)具备直接插入损耗测量功能。二、实验目的和意义“光电子测量设计”是电子科学与技术专业的必修实践环节，该课程是以测量为主线，应用光电子技术解决一个测量问题。学生通过具体解决测量问题的训练过程，理解测量的基本概念，掌握应用光电子技术解决测量问题的基本方法，学会测量误差分析、数据处理等。该课程对于培养有计量特色的光电子技术人才十分重要。基于光电转换器件的光强度的测量，设计光接收电路，并进行光电转换，再设计放大电路、滤波电路、AD转换电路及微处理器电路，对测量光的光强度进行标定，最终实现光强度的测量，系统要求精度为1mW。三、方案设计与比较方案一：基于光电二极管的光功率测量1）光电探头的选择：光电二极管：PD333-3C响应波长为400~1100nm，具有高响应速率、高光电灵敏度等特性。2）AD转换芯片的选择：TLC549是8位串行A/D转换器芯可与通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATAOUT三条口线进行串行接口。具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长17μs，TLC549为40000次/s。总失调误差最大为±0.5LSB，典型功耗值为6mW。采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，VREF-接地，VREF+－VREF-≥1V，可用于较小信号的采样。方案二：基于硅光电池的光功率测量1）光电探头的选择：硅光电池：BPW34具有高光电探测率、比较大的光敏面积、高光电灵敏度，快速响应时间、体积小等特点。2）AD转换芯片的选择：（图1）ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成（见图1）。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。方案三：采用集成光强感应芯片采用已经有的集成光强感应芯片，如下图所示。BH1710FVC内置了16bitAD转换器,可对广泛的亮度进行1勒克斯的高精度，内置A/D转换器，测定照明度数字值可以直接输出。输出采用I2CBUS接口可以直接与单片机通讯。方案的比较与选择：方案一的AD芯片管脚比较少，同时有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，芯片的功能能够满足设计的要求，而且使用简单、功能强大。而AD0809使用时还要使用外部时钟，同时还要外接逻辑器件。在使用光电和光伏探测器件的功能上是基本一致的，就是频带响应不一样，对于可见光的光功率的测量二者都可以用。所以采用方案一。四、实验器件光功率计探头(光电传感器)，AT89C52单片机，电阻，电容，晶振，1602液晶屏，导线若干。五、光功率测量原理1、原理框图2、各模块功能详解1）光功率计探头光功率计探头，是光信号转换为电信号的核心部件。探头带有光电传感器，用来接收被测光源的辐射并将其转换为电流信号。探头采用双线正负两个端口输出。当被检测光源强度发生变化时，传感器输出的电流会随之改变。我们通过对电流量变化进行转换分析最终获得外部光源的光功率变化参数。2）I／U变换光功率探头输出小电流信号。电流信号与电压信号相比，长距离传输抗干扰性能较好。但是由于本次试验距离较短，同时为了与后面电压放大器相匹配，所以要转换为电压信号。本次设计使用LM358N芯片连接I/U变换电路和放大电路。连接时，光功率探头的输出正端口接入转换电路输入端，负端口与I／U变换电路共地连接，如图一所示。图一，I/U变化电路3）运算放大电路I/U变换以后输出的信号很微弱，大概是毫伏的量级，要对信号后期处理，首先要进行放大。由于本次试验对电路精度要求不高，这里只设计了一级放大。电路图如图二所示。图二，运算放大电路4)低通滤波电路本实验所得的信号为低频信号，故在进行A/D转换之前要滤除高频信号，我们用两个电容组成的无源低通滤波器作为被刺实验的滤波电路。电路图如图三。图三，低通滤波电路5）A/D转换电路本实验采用TLC549CD芯片实现A/D转换。TLC549是TI公司生产的一种低价位、高性能的8位A/D转换器，它以8位开关电容逐次逼近的方法实现A/D转换，其转换速度小于17us，最大转换速率为40000HZ，4MHZ典型内部系统时钟，电源为3V至6V。它能方便地采用三线串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统。当/CS变为低电平后，TLC549芯片被选中，同时前次转换结果的最高有效位MSB（A7）自DATAOUT端输出，接着要求自I/OCLOCK端输入8个外部时钟信号，前7个I/OCLOCK信号的作用，是配合TLC549输出前次转换结果的A6-A0位，并为本次转换做准备：在第4个I/OCLOCK信号由高至低的跳变之后，片内采样/保持电路对输入模拟量采样开始，第8个I/OCLOCK信号的下降沿使片内采样/保持电路进入保持状态并启动A/D开始转换。转换时间为36个系统时钟周期，最大为17us。直到A/D转换完成前的这段时间内，TLC549的控制逻辑要求：或者/CS保持高电平，或者I/OCLOCK时钟端保持36个系统时钟周期的低电平。由此可见，在自TLC549的I/OCLOCK端输入8个外部时钟信号期间需要完成以下工作：读入前次A/D转换结果；对本次转换的输入模拟信号采样并保持；启动本次A/D转换开始。TLC549时序图TLC549与单片机连接图如下所示模拟信号从2号脚输入，6号脚输出数字信号。6）LCD显示电路数字信号经过单片机运算后要通过液晶显示出来，本实验使用的是1062液晶屏显示，1062与单片机连接图如下所示。1062管脚六、完整电路原理图设计基于上述思想设计出的完整电路图如下所示。七、程序设计现列出单片机程序关键程序代码：#includereg52.h#includeintrins.h#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineulongunsignedlongchartable1[16]=AD:0000;chartable2[16]=00.00uW;uchartime,a;uintVolt,AD;ulongPOW;ints;sbitlcdrs=P0^7;sbitlcdrw=P0^6;sbitlcden=P0^5;sbitCS=P3^7;//片选sbitDO=P3^6;//数据输出sbitCLK=P3^5;//时钟voiddelay(uintz)//延时函数{uintx,y;for(x=z;x0;x--)for(y=120;y0;y--);}voidwrite_com(ucharcom)//写指令函数{lcdrs=0;lcdrw=0;P2=com;lcden=1;delay(2);lcden=0;}voidwrite_data(uchardate)//写数据函数{lcdrs=1;lcdrw=0;P2=date;lcden=1;delay(2);lcden=0;}voidinit()//初始化函数{lcden=0;write_com(0x38);write_com(0x0c);write_com(0x06);write_com(0x01);}unsignedcharTLC549(void)//AD转换，返回结果{uchari,temp;CS=1;CLK=0;CS=0;//拉低CS端DO输出最高位_nop_();_nop_();for(i=0;i8;i++){temp=1;if(DO)temp|=0x01;elsetemp|=0x00;CLK=1;//形成一次时钟脉冲_nop_();_nop_();CLK=0;_nop_();_nop_();}CS=1;for(i=17;i0;i--)_nop_();//延迟17usreturn(temp);}voidData_Conversion(void)//AD读数转十进制函数{AD=TLC549();if(a5){s=s+AD;a++;if(a==5){table1[8]=s/1000+'0';table1[9]=s/100%10+'0';table1[10]=s/10%10+'0';table1[11]=s%10+'0';Volt=AD*100/255*5;POW=(-0.4140)*Volt*Volt+100*10.2729*Volt+10000*1.2273;POW=POW/100;table2[4]=POW/1000+'0';table2[5]=POW/100%10+'0';table2[7]=POW/10%10+'0';table2[8]=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(str[i]);if(str[i]=='\0')break;}}voidmain(){init();TMOD=0x01;//设置定时器0为工作方式1(00000001)TH0=(65536-50000)/256;//装初值50ms一次中断TL0=(65536-50000)%256;EA=1;//开总中断ET0=1;//开定时器0中断TR0=1;//启动定时器0while(1){delay(800);display(0,0,table1);display(1,0,table2);}}voidint_adr(void)interrupt1{TH0=(65536-50000)/256;//重装初值TL0=(65536-50000)%256;time++;if(time==1){Data_Conversion();time=0;}}八、调试设计产品调试直接关系到产品的质量与性能。软件调试需要用到uVision软件。KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。与汇编相比。C语言在功能、结构性、可读性、可维护性等方面具有明显的优势．而且易学易用。此外，KeilC51软件还提供有丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，且全Windows界面。KeilC51生成的目标代码效率非常高，多数语句生成的汇编代码都很紧凑，很容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。uVision在编译过程中，能很好的检测出程序的错误与警告。并能直观提示是哪一行程序出了问题．故可方便地对程序进行检测与验证。uVi．sion采用BL5I作连接器，因为BL5l兼容L51，所以．一切能在Dos下工作的project