数字式光探头的设计.docx

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数字式光探头的设计

数字式光探头的设计（硬件）

摘要

我们发现原有的光探头在实际运用中出现了测量不准确，误差大，得出的信号不易简单明了的看懂等问题。

因此我们在原有的基础上做了进一步的改进，比如在测量器件上我们运用了科技前沿的产品-硅光电池，在内部处理时，我们加入了电压放大器减少了微安表在测量电压时因为数据小而出现大误差的风险，在终端为了更直接得出数据我们利用了模电转换器，让通俗易懂的数字摆在我们的面前方便我们去做后期的处理与改善。

关键词：

电路分析数字化硅光电池光通量

Designofdigitalopticalprobe（Thehardwarepart）

Abstract

Wefoundthatthelightsensorwhichhavebeenexistedhaveprovedthattherearemanyproblemsinthepracticalapplicationforexample,theresultsoofthemeasurementarenotaccurateandhavegreaterrors,andthesignalitgivesisnoteasytounderstand.Therefore,wemadefurtherimprovementsontheoriginalbasisdevice.Forexample,weusethecutting-edgetechnologyproducts--siliconcellinthemeasuringdevice.Intheinternalprocessingcircuits,wejointhevoltageamplifiertoreducetheriskthatwhentheMicroammetermeasurethevoltagebecausethedataissmall,itleadstobigerrors.Weusedirect-modeconverterontheterminalequipmentinordertoobtainacleardata,itiseasytoforustounderstandaseriesofnumbersratherthanwavylinesandtodosomepost-processing.

Keywords:

circuitanalysisdigitalsiliconcellluminousflux

一、前言

（一）设计背景

PhotoelectricSensor（光电传感器）它是光学电器件作为转换器件，把光作为其测量的媒介的传感器。

它拥有很多有时特性，比如：

性能很可靠，不用接触的，对媒介的响应很快。

最近几年由于新型的光电器件的不断出现，尤其是图像成形还有激光技术的快速发展，作为关键元件的光传感器已经在各种光电检测的系统中不断的被运用，而且它在间接接触的测量领域已经占据了绝对的控制地位，并且在传感器这个广阔的领域中成为了不可缺失的一部分。

当下由于PhotoelectricSensor技术在科学技术的各大领域和国家的经济命脉中得到了充分的发挥与运用，使其把自身的价值最大化，让人们觉得越来越离不开它了。

光电技术中运用最充分的光电器件是把照射到光能尽可能的转化为人们所需的电能的一种器件，还有把紫外线，白光、红外线转化为我们需要的可控的电信号，我们所拥有的光电器件目前是响应非常快的而且构造也极其简单的，所以使用起来非常的得心应手，并且有很高的可靠性，致使它在很多领域得到运用如：

计算机，自动检测还有航天器件的控制系统中得到广泛的运用。

PhotoelectricSensor可以对我们索要传输的电信号进行一定的转变或者放大，也可以直接的感触到光信号的大小或者其他的不是非光源信号，目前它的发展已经到了可以实现对引起测量对象的变化的测量量进行一定的规范与测量。

在科学发达的今天PhotoelectricSensor在科研领域得到广泛的运用，它对影响力是前所未有的，致使现在各个国家都争先的去研发光电技术的新产品，随着它的技术的进一步成熟，它在我们生活中出现的频率也在不断地加大，如最简单的车辆检测以及雷达导航，大一点的可以在军事上，激光制导弹技术，让导弹发射的弧线和距离可以被精确的掌握，以及我们军械的枪支弹药上的红外测温传感器，它可以是人们在不管多少恶劣的环境快速准确的捕捉敌人的位置。

（二）国内外现状

国内目前市场上的一些现有的测量计，我们就一个知名品牌立顿一款产品来作为分析，如下图

目前从体型上来看这款机器体积庞大不适宜随身携带，虽然其精度准确，但是不适合野外不定期工作。

如上图所示这款是国外著名品牌多芬旗下的一款产品，它的体积小精度高但是由于进口成本的原因在国内无法得到市场开展。

（三）本文的主要内容和工作

这篇论文的主要内容是讲解光传感器的原理与本次我们做光传感器的一系列过程与步骤，还有我们怎么改善现有的探头的一些实际操作。

对于我们来说这次的工作之重是在于两点：

一是元器件的选择，二是电路图的设计。

二、测量原理和功能

（一）测量原理

首先在完成这项大工程的时候，得了解我们器件的工作流程即原理，第一步光电池接受光照产生电流然后通过电路放大器把数据传送到单片机处理，最后通过USB接口接处理好的数据传输到电脑上再次处理。

（二）功能和特点

我们这器件要所实现的功能是精确的测量光照度其范围在十的负三次方到十的五次方勒克斯之间，而且要实现高精度的同时也要尽可能的降低制造成本为商家与消费者减少花费

三、硬件设计

（二）设计要求

我们这次设计的目标是使器件测量精度能达到三级，误差不超过9%，而且得尽可能的减少我们的成本，以便做市场推广，所以在选择元器件时我们再三考虑，最后在关键三大元件器选择上做出了一下选择：

C8051F412是片上系统型MCU（中文名单片微型计算机或者微控制单元，由CPU（中央处理器）的规格与频率在一定程度上适当的缩小，另外把USB、Timer（计数器）、PLC（可编程逻辑控制器）、UART（通用异步收发传输器）、memory（内存），DMA（直接内存访问），A/D转换（模数转换）等等的周围接口，如有可能LCD驱动的电路也可以安装在同一的芯片之中，变成一个以芯片为基础的计算机，在不同的场合之中做出不同芯片的组合运用达到我们的需求。

）中低功耗混合信号的完全集成。

它有以下这些占绝对性优势的特点：

一、它最多可以使用24个I/O端口，与外部连接。

二、它内部有24.5MHz的振荡器并且是精确度很高还可以编程的。

三、它内部也含有有关电压的比较器。

四、它内部拥有的通用的16位定时器多大4个。

五、它内部是一个流水线结构、能高速运转的微型控制器，并且是能兼容8051单片机的。

六、它内部有一个后备稳压器，一个smartclock（硬件实时时钟），还有一个可以将工作电压降至最低1V，带64个字节的电池后备RAM。

七、它拥有一个硬件CRC的引擎。

八、它也拥有一个在系统调试接口在单片机内部，而且是全速，非侵入式的。

九、它内部有一个RAM可储存2304个字节。

十、它也同时具有看门狗定时器的功能的PCA（定时器阵列）和可编程计数器，外加6个比较、捕捉模块。

十一、它也具有接入电路的电压（VDD）监视器，单片机内部上电复位和高精度的温度传感器。

十二、它内部有一个带模拟的多路器，真12位期望为200ksps的24通道的ADC。

十三、通过自身实现的增强型的UART、SMBus/IIC和增强型的串行外设接口（SPI）。

十四、它内部也具有FLASH储存器内存可达32个KB。

十五、它内部也拥有12位电流输出的数字模拟转换器（DAC）多达2个。

一个真正的能独立运行工作的片上系统必须是类似于C8051F41X一样同时具有敏锐的VDD监视器、片内上电复位、稳定的时钟振荡器和看门狗定时器。

用户在使用软件之时必须对所有外部设备具有绝对的控制权，可以随时自由的去关断任何一个或所有外部设备来达到节省能耗的目的，但是为了避免再此过程中丢失有用的信息，所以一个flash储存器是必须存在的，这样我们可以使系统具有重新编程的能力，也可以当场去更新8051的固件。

它内部具有的SiliconLabs二线（C2）开发接口是允许在人们最终运用的系统的产品的MCU上进行全速、不占用片内资源的飞侵入式的在系统的调试。

在运用C2来进行调试的时候，所有的数字和模拟的外面设备多可全力的进行运营，支持单步、运行、断点和停机的命令，调试着逻辑支持着修改和观察的寄存器和储存器。

几乎所有的器件多可以在工业工作的温度范围（负40摄氏度到八十五度），内用工作电压（二伏特到二点七五伏特）的状态下正常的运行，因为单片机内部的稳压器在工作时，它的电源电压可达到五点二五伏特。

那我们在选择器件的时候为什么没有选择单片级8051而是选择了C8051F412呢？

因为这器件相对的增加了很多的功能，8051无法去实现的。

一、它的MCU一共有九个复位源：

（事先说明，一般的复位源都可以被软件所禁止的，POR、FLASH操作错误以及复位输入引脚除外。

）1.FLASH非法访问保护电路复位。

2.软件强制复位。

3.由smartclock告警、smartclock时钟丢失检测器或比较器0提供的电压检测器复位。

4.POR（上电复位电路）。

5.看门狗定时器。

6.片内VDD监视器。

7.外部复位引脚等等。

MCU初始化的时候如果中间有一次上电复位后，那么WDT可以一直被永久性的使能。

微型控制器它的内部振荡器由于在出厂的时候已经被校准为24.5MHz±2%，它的内部为了是时间更准确还集合了了外部振荡器的驱动电路，允许电容、RC、CMOS时钟源产生系统时钟、运用外部晶体或陶瓷谐振器。

专用的smartclock它可以让MCU在内部震荡被挂起或者不供电的情况之下也可以使系统维持准确的时间也可以用在唤醒内部振荡器或者使与MUC的复位。

通过时钟乘法器的运用可以获得五十兆赫兹的时钟频率。

硅光电池是能将光能转化为电能的一种高科技半导体硬件。

硅光电池的内部构造很是简单，它以一个非常大面积的PN结为基础的核心部分，以以一个微安电流表和一个全透明的玻璃外表壳连接形成一个闭环回路，一旦内置管芯（二极管的PN结）被外界的光源照射，这是我们就会看到内置的微型电流表的指针会出现偏转，同时也会让我们知道这个回路的电流大小，这就是我们课本上所说的光伏特的效应。

我们所知的光敏传感器的工作基础是光电效应，就是通过光子碰撞到我们的器件上，然后引起电路里面的电流或者让导电体的某种特性发生一定的转变。

硅光电池中的PN结的覆盖面积比一般二极管中的PN要来的大得多，所以当器件受到光线的照射之时产生的电流和电压也肯定要比它大的多。

硅光电池这么好，那它运用在哪些地方呢？

一、电影还音、激光增加准直、光电读出、光电耦合等光感受器的设备上准确的说即是光电检测器件上。

二、与其他器件组合运用配合，可以成为宇宙飞船、人造卫星等等设备上的电源使用。

三、拿来当做转换器给光电开关等光电控制设备使用。

硅光电池原理图如图所示：

那么这么好的器件它工作原理是什么，以下就为你慢慢道来：

先以基础芯片来讲，一个带有集中有效串联电阻Rs的单接面太阳能电池的普通等效电路如Fig1所示。

电池所产生的电流统一表示为I，而电压的函数则表示为[21]:

有了I之后，V作为光感应电流（它与辐射通量密度E成正比）,电流产生于二极管,串联电阻Rs和电流流经分流电阻，都如Fig.1所定义的那样.和都是饱和电流，是二极管a的理想因子。

最后是热电压Vt,被定义为,k为玻耳兹曼常量,T为太阳能电池的绝对温度，q为基本电荷。

符号列表