1、基于AT89C52單片機的光功率計的設(shè)計一、背景概述隨著技術(shù)的不斷進步激光技術(shù)在各行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，對光功率測量技術(shù)也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的光功率測量系統(tǒng)設(shè)計是在探測器輸出信號后，經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換，直接數(shù)字顯示，同時有調(diào)零電路、定標電路，對于光電型還有波長選擇開關(guān)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，這種設(shè)計方法顯然已經(jīng)過時，當(dāng)前的設(shè)計使用單片機技術(shù)，或者使測量電路和微機接口、軟件和硬件相結(jié)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(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的分貝為負值。例如，在光纖收發(fā)器或交換機說明書中，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(shè)計要點針對實際應(yīng)用，要選擇適合的光功率計，應(yīng)該關(guān)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?zāi)康暮鸵饬x“光電子測量設(shè)計”是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的必修實踐環(huán)節(jié)，該課程是以測量為主線，應(yīng)用光電子技

3、術(shù)解決一個測量問題。學(xué)生通過具體解決測量問題的訓(xùn)練過程，理解測量的基本概念，掌握應(yīng)用光電子技術(shù)解決測量問題的基本方法，學(xué)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(shù)人才十分重要?；诠怆娹D(zhuǎn)換器件的光強度的測量，設(shè)計光接收電路，并進行光電轉(zhuǎn)換，再設(shè)計放大電路、濾波電路、AD轉(zhuǎn)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(shè)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(yīng)速率、 高光電光電二極管：PD333-3C響應(yīng)波長為4001100nm靈敏度等特性。2 )AD轉(zhuǎn)換芯片的選擇:A/D轉(zhuǎn)換電路U14

4、ccT 1KEHAINKEF-GNDTLC549vccCLKDCOSTO?LJ7Pli6P105P15TLC549是8位串行A/D轉(zhuǎn)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(nèi)系統(tǒng)時鐘和軟、硬件控制電路，轉(zhuǎn)換時間最長17日，TLC549為40000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，可按比例量程校準轉(zhuǎn)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(yīng)時間、體積小等特點。2)AD轉(zhuǎn)換芯片的選擇:叫IN.1工N： 風(fēng) 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(zhuǎn)換器。它由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成（見圖1）。多路開關(guān)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(zhuǎn)換器進行轉(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，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：采用集成光強感應(yīng)芯片采用已經(jīng)有的集成光強感應(yīng)芯片，

6、如下圖所示BH1710FVC內(nèi)置了16bitAD轉(zhuǎn)換器，可對廣泛的亮度進行1勒克斯的高精度，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)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(nèi)系統(tǒng)時鐘和軟、硬件控制電路，芯片的功能能夠滿足設(shè)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(yīng)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(dǎo)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為電流信號。探頭采用雙線正負兩個端口輸出。當(dāng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為電壓信號。本次設(shè)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(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路本實驗采用TLC549CD芯片實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。TLC549是TI公司生產(chǎn)的一種低價位、高性能的8位A/D轉(zhuǎn)換器，它以8位開關(guān)電容逐次逼

9、近的方法實現(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)成各種廉價的測控應(yīng)用系統(tǒng)。當(dāng)/CS變?yōu)榈碗娖胶?，TLC549芯片被選中，同時前次轉(zhuǎn)換結(jié)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(zhuǎn)換結(jié)果的A6-A0位，并為本次轉(zhuǎn)換做準備：在第4個I/OCLOCK信號由高至低的跳變之后，片內(nèi)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(nèi)采樣/

10、保持電路進入保持狀態(tài)并啟動A/D開始轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換時間為36個系統(tǒng)時鐘周期，最大為17us。直到A/D轉(zhuǎn)換完成前的這段時間內(nèi)，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(zhuǎn)換結(jié)果；對本次轉(zhuǎn)換的輸入模擬信號采樣并保持；啟動本次A/D轉(zhuǎn)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D(zhuǎn)1U 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(jīng)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(shè)計基于上述思想設(shè)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(chǎn)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(shè)計現(xiàn)列出單片機程序關(guān)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(zhuǎn)換，返回結(jié)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(zhuǎn)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(shè)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(diào)試設(shè)計產(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。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(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性等方面具有明顯的優(yōu)勢.而且易學(xué)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(diào)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(diào)試。uVision采mdScopeforwin.dows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forDOS要強大好用，調(diào)試功能也很強大。在系統(tǒng)硬件調(diào)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(diào)試，以便此設(shè)計程序在語法沒有錯誤的基礎(chǔ)上能夠正確測量光纖功率。在實際電路的調(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(jīng)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(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: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