基于AT89C52單片機(jī)的光功率計(jì)的設(shè)計(jì)

1、基于AT89C52單片機(jī)的光功率計(jì)的設(shè)計(jì)1、 背景概述隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步激光技術(shù)在各行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)光功率測(cè)量技術(shù)也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的光功率測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)是在探測(cè)器輸出信號(hào)后，經(jīng)放大、AD轉(zhuǎn)換，直接數(shù)字顯示，同時(shí)有調(diào)零電路、定標(biāo)電路，對(duì)于光電型還有波長(zhǎng)選擇開關(guān)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，這種設(shè)計(jì)方法顯然已經(jīng)過時(shí)，當(dāng)前的設(shè)計(jì)使用單片機(jī)技術(shù)，或者使測(cè)量電路和微機(jī)接口、軟件和硬件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能測(cè)量，使采集和處理測(cè)量數(shù)據(jù)由單片機(jī)完成而不需要人來操作，可以在特殊的環(huán)境中完成測(cè)量。光功率定義光功率是光在單位時(shí)間內(nèi)所做的功。光功率常用單位是毫瓦(mW)和分貝(dB)，其中兩者關(guān)系為lmW=0dB，

2、而小于1mw 的分貝為負(fù)值。例如，在光纖收發(fā)器或交換機(jī)說明書中，有其產(chǎn)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(dòng)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(jì)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)針對(duì)實(shí)際應(yīng)用，要選擇適合的光功率計(jì)，應(yīng)該關(guān)注以下各點(diǎn)：(1)選擇最優(yōu)的探頭類型和接口類型。(2)評(píng)價(jià)校準(zhǔn)精度和編寫校準(zhǔn)程序，與光纖和接頭要求范圍相匹配。(3)確定這些型號(hào)與測(cè)量范圍和顯示分辨率相一致。(4)具備直接插入損耗測(cè)量功能。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵饬x“光電子測(cè)量設(shè)計(jì)”是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的必修實(shí)踐環(huán)節(jié)，該課程是以測(cè)量為主線，應(yīng)用光電子技術(shù)解決

3、一個(gè)測(cè)量問題。學(xué)生通過具體解決測(cè)量問題的訓(xùn)練過程，理解測(cè)量的基本概念，掌握應(yīng)用光電子技術(shù)解決測(cè)量問題的基本方法，學(xué)會(huì)測(cè)量誤差分析、數(shù)據(jù)處理等。該課程對(duì)于培養(yǎng)有計(jì)量特色的光電子技術(shù)人才十分重要?；诠怆娹D(zhuǎn)換器件的光強(qiáng)度的測(cè)量，設(shè)計(jì)光接收電路，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再設(shè)計(jì)放大電路、濾波電路、AD 轉(zhuǎn)換電路及微處理器電路，對(duì)測(cè)量光的光強(qiáng)度進(jìn)行標(biāo)定，最終實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度的測(cè)量，系統(tǒng)要求精度為 1mW。三、方案設(shè)計(jì)與比較方案一：基于光電二極管的光功率測(cè)量 1）光電探頭的選擇：光電二極管：PD333-3C響應(yīng)波長(zhǎng)為4001100nm，具有高響應(yīng)速率、高光電靈敏度等特性。 2）AD轉(zhuǎn)換芯片的選擇：TLC549是8位串行

4、A/D轉(zhuǎn)換器芯可與通用微處理器、控制器通過CLK、CS、DATA OUT三條口線進(jìn)行串行接口。具有4MHz片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘和軟、硬件控制電路，轉(zhuǎn)換時(shí)間最長(zhǎng)17s， TLC549為40 000次/s?？偸д{(diào)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(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍，VREF-接地，VREF+VREF-1V，可用于較小信號(hào)的采樣。方案二：基于硅光電池的光功率測(cè)量1）光電探頭的選擇：硅光電池：BPW34具有高光電探測(cè)率、比較大的光敏面積、高光電靈敏度，快速響應(yīng)時(shí)間、體積小等特點(diǎn)。2）AD轉(zhuǎn)換芯片的選擇：（圖1）ADC0809 是8 位逐次逼近型A/

5、D轉(zhuǎn)換器。它由一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存譯碼器、一個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成（見圖1）。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道， 允許8 路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完 的數(shù)字量，當(dāng)OE 端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。方案三：采用集成光強(qiáng)感應(yīng)芯片采用已經(jīng)有的集成光強(qiáng)感應(yīng)芯片，如下圖所示。BH1710FVC內(nèi)置了16bitAD轉(zhuǎn)換器,可對(duì)廣泛的亮度進(jìn)行1勒克斯的高精度，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，測(cè)定照明度數(shù)字值可以直接輸出。輸出采用I2C BUS接口可以直接與單片機(jī)通訊。方案的比較與選擇：方案一的AD芯片管腳比較少，同時(shí)有4MH

6、z片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘和軟、硬件控制電路，芯片的功能能夠滿足設(shè)計(jì)的要求，而且使用簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大。而AD0809使用時(shí)還要使用外部時(shí)鐘，同時(shí)還要外接邏輯器件。在使用光電和光伏探測(cè)器件的功能上是基本一致的，就是頻帶響應(yīng)不一樣，對(duì)于可見光的光功率的測(cè)量二者都可以用。所以采用方案一。四、實(shí)驗(yàn)器件光功率計(jì)探頭(光電傳感器)，AT89C52單片機(jī)，電阻，電容，晶振，1602液晶屏，導(dǎo)線若干。5、 光功率測(cè)量原理1、 原理框圖2、各模塊功能詳解1）光功率計(jì)探頭光功率計(jì)探頭，是光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的核心部件。探頭帶有光電傳感器，用來接收被測(cè)光源的輻射并將其轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。探頭采用雙線正負(fù)兩個(gè)端口輸出。當(dāng)被檢測(cè)光源強(qiáng)度發(fā)

7、生變化時(shí)，傳感器輸出的電流會(huì)隨之改變。我們通過對(duì)電流量變化進(jìn)行轉(zhuǎn)換分析最終獲得外部光源的光功率變化參數(shù)。2）IU變換光功率探頭輸出小電流信號(hào)。電流信號(hào)與電壓信號(hào)相比，長(zhǎng)距離傳輸抗干擾性能較好。但是由于本次試驗(yàn)距離較短，同時(shí)為了與后面電壓放大器相匹配，所以要轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。本次設(shè)計(jì)使用LM358N芯片連接I/U變換電路和放大電路。連接時(shí)，光功率探頭的輸出正端口接入轉(zhuǎn)換電路輸入端，負(fù)端口與IU變換電路共地連接，如圖一所示。 圖一，I/U變化電路3） 運(yùn)算放大電路I/U變換以后輸出的信號(hào)很微弱，大概是毫伏的量級(jí)，要對(duì)信號(hào)后期處理，首先要進(jìn)行放大。由于本次試驗(yàn)對(duì)電路精度要求不高，這里只設(shè)計(jì)了一級(jí)放大。

8、電路圖如圖二所示。圖二，運(yùn)算放大電路4) 低通濾波電路本實(shí)驗(yàn)所得的信號(hào)為低頻信號(hào)，故在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前要濾除高頻信號(hào)，我們用兩個(gè)電容組成的無源低通濾波器作為被刺實(shí)驗(yàn)的濾波電路。電路圖如圖三。圖三，低通濾波電路5） A/D轉(zhuǎn)換電路本實(shí)驗(yàn)采用TLC549CD芯片實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。TLC549是 TI公司生產(chǎn)的一種低價(jià)位、高性能的8位 A/D轉(zhuǎn)換器，它以8位開關(guān)電容逐次逼近的方法實(shí)現(xiàn) A/D轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換速度小于 17us，最大轉(zhuǎn)換速率為 40000HZ，4MHZ典型內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)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(gòu)成各種廉價(jià)的測(cè)控應(yīng)用系統(tǒng)。當(dāng)/CS變?yōu)榈碗娖胶螅?/p>

9、 TLC549芯片被選中， 同時(shí)前次轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高有效位MSB （A7）自 DATA OUT 端輸出，接著要求自 I/O CLOCK端輸入8個(gè)外部時(shí)鐘信號(hào)，前7個(gè) I/O CLOCK信號(hào)的作用，是配合 TLC549 輸出前次轉(zhuǎn)換結(jié)果的 A6-A0 位，并為本次轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備：在第4個(gè) I/O CLOCK 信號(hào)由高至低的跳變之后，片內(nèi)采樣/保持電路對(duì)輸入模擬量采樣開始，第8個(gè) I/O CLOCK 信號(hào)的下降沿使片內(nèi)采樣/保持電路進(jìn)入保持狀態(tài)并啟動(dòng) A/D開始轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換時(shí)間為 36 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，最大為 17us。直到 A/D轉(zhuǎn)換完成前的這段時(shí)間內(nèi)，TLC549 的控制邏輯要求：或者/CS保持高電平

10、，或者 I/O CLOCK 時(shí)鐘端保持36個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期的低電平。由此可見，在自 TLC549的 I/O CLOCK 端輸入8個(gè)外部時(shí)鐘信號(hào)期間需要完成以下工作：讀入前次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果；對(duì)本次轉(zhuǎn)換的輸入模擬信號(hào)采樣并保持；啟動(dòng)本次 A/D轉(zhuǎn)換開始。TLC549時(shí)序圖TLC549與單片機(jī)連接圖如下所示模擬信號(hào)從2號(hào)腳輸入，6號(hào)腳輸出數(shù)字信號(hào)。6） LCD顯示電路數(shù)字信號(hào)經(jīng)過單片機(jī)運(yùn)算后要通過液晶顯示出來，本實(shí)驗(yàn)使用的是1062液晶屏顯示，1062與單片機(jī)連接圖如下所示。1062管腳六、完整電路原理圖設(shè)計(jì)基于上述思想設(shè)計(jì)出的完整電路圖如下所示。七、程序設(shè)計(jì)現(xiàn)列出單片機(jī)程序關(guān)鍵程序代碼：#inclu

11、de<reg52.h>#include<intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulong unsigned longchar table116=" AD: 0000 "char table216=" 00.00 uW "uchar time,a;uint Volt,AD;ulong POW;int s; sbit lcdrs=P07;sbit lcdrw=P06;sbit lcden=P05;sbit CS=P37; /片選sbi

12、t DO=P36; /數(shù)據(jù)輸出sbit CLK=P35; /時(shí)鐘 void delay(uint z)/延時(shí)函數(shù)uint x,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=120;y>0;y-);void write_com(uchar com) /寫指令函數(shù)lcdrs=0;lcdrw=0;P2=com;lcden=1;delay(2);lcden=0;void write_data(uchar date) /寫數(shù)據(jù)函數(shù)lcdrs=1;lcdrw=0;P2=date;lcden=1;delay(2);lcden=0;void init() /初始化函數(shù)lcden=0;write_c

13、om(0x38);write_com(0x0c);write_com(0x06);write_com(0x01); unsigned char TLC549(void) /AD轉(zhuǎn)換，返回結(jié)果 uchar i,temp;CS=1;CLK=0; CS=0;/拉低CS端 DO輸出最高位 _nop_(); _nop_(); for(i=0;i<8;i+) temp<<=1; if(DO) temp|=0x01; else temp|=0x00;CLK=1; /形成一次時(shí)鐘脈沖 _nop_(); _nop_(); CLK=0;_nop_(); _nop_(); CS=1; for(i=

14、17;i>0;i-) _nop_(); /延遲17usreturn(temp); void Data_Conversion(void) /AD 讀數(shù)轉(zhuǎn)十進(jìn)制函數(shù)AD=TLC549();if(a<5)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*1.22

15、73;POW=POW/100;table24=POW/1000+'0'table25=POW/100%10+'0'table27=POW/10%10+'0'table28=POW%10+'0'a=0;s=0; void display (uchar x,uchar y,uchar *str)uchar i;if(x=0) write_com(0x80|y);if(x=1) write_com(0xc0|y);for(i=0;i<16;i+)write_data(stri);if(stri='0') break

16、;void main()init();TMOD=0x01; /設(shè)置定時(shí)器0為工作方式1(0000 0001)TH0=(65536-50000)/256; /裝初值50ms一次中斷TL0=(65536-50000)%256;EA=1; /開總中斷ET0=1; /開定時(shí)器0中斷TR0=1; /啟動(dòng)定時(shí)器0 while(1)delay(800);display(0,0,table1);display(1,0,table2); void int_adr(void) interrupt 1TH0=(65536-50000)/256; /重裝初值TL0=(65536-50000)%256;time+;if

17、(time=1)Data_Conversion();time=0; 八、調(diào)試設(shè)計(jì)產(chǎn)品調(diào)試直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量與性能。軟件調(diào)試需要用到uVision軟件。Keil C51是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。與匯編相比。C語言在功能、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)而且易學(xué)易用。此外，Keil C51軟件還提供有豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，且全Windows界面。Keil C51生成的目標(biāo)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(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語言的優(yōu)勢(shì)。uVision在編譯過程中，能很好的檢測(cè)出程

18、序的錯(cuò)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(duì)程序進(jìn)行檢測(cè)與驗(yàn)證。uVision采用BL5I作連接器，因?yàn)锽L5l兼容L51，所以一切能在Dos下工作的project都可以到uVision中進(jìn)行連接調(diào)試。uVision采mdScope for windows作調(diào)試器，該調(diào)試器支持MON51及系統(tǒng)模擬兩種方式，而且功能較for DOS要強(qiáng)大好用，調(diào)試功能也很強(qiáng)大。在系統(tǒng)硬件調(diào)試中可利用5l系列仿真器F5164K進(jìn)行硬件仿真，uVision也對(duì)5l系列仿真器進(jìn)行了說明與介紹。同時(shí)。uVision還可與F5164K進(jìn)行聯(lián)合仿真它可以根據(jù)仿真步驟進(jìn)行實(shí)際操作，并利用參考光功率計(jì)進(jìn)行調(diào)試，

19、以便此設(shè)計(jì)程序在語法沒有錯(cuò)誤的基礎(chǔ)上能夠正確測(cè)量光纖功率。在實(shí)際電路的調(diào)試中，曾經(jīng)出現(xiàn)液晶屏顯示電壓不穩(wěn)定，而且信號(hào)容易飽和等問題，通過我們積極查找，我們發(fā)現(xiàn)TLC549的基準(zhǔn)電壓沒有連接電源，電路經(jīng)過改進(jìn)后可以順利輸出相對(duì)穩(wěn)定的電壓信號(hào)。九、數(shù)據(jù)記錄與擬合1、輸出電壓與標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)關(guān)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：x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,1.9,2.0,2.1,2.2;y=0.05,2.5,3.22,4.59,6.01,6.8,7.83,8.75,8.92,9.68,10.47,11.8,12.6,13.8,14.5,15.6,16.5,17.5,1