基于AT89C52单片机的光功率计的设计资料.docx
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基于AT89C52单片机的光功率计的设计资料
基于AT89C52单片机的光功率计的设计
1、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。
5、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：
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#defineulongunsignedlong
chartable1[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;x>0;x--）
for（y=120;y>0;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;i<8;i++）
{
temp<<=1;
if（DO）
temp|=0x01;
else
temp|=0x00;
CLK=1;//形成一次时钟脉冲
_nop_（）;
_nop_（）;
CLK=0;
_nop_（）;
_nop_（）;
}
CS=1;
for（i=17;i>0;i--）_nop_（）;//延迟17us
return（temp）;
}
voidData_Conversion（void）//AD读数转十进制函数
{
AD=TLC549（）;
if（a<5）
{
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;i<16;i++）
{
write_data（str[i]）;
if（str[i]=='\0'）break;
}
}
voidmain（）
{
init（）;
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