基于AT89C52单片机的光功率计的设计.docx
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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
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：
#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（）;
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0
while
（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都可以到uVision中进行连接调试。
uVision采mdScopeforwin．dows作调试器，该调试器支持MON51及系统模拟两种方式，而且功能较forDOS要强大好用，调试功能也很强大。
在系统硬件调试中．可利用5l系列仿真器F51—64K进行硬件仿真，uVision也对5l系列仿真器进行了说明与介绍。
同时。
uVision还可与F51—64K进行联合仿真．它可以根据仿真步骤进行实际操作，并利用参考光功率计进行调试，以便此设计程序在语法没有错误的基础上能够正确测量光纤功率。
在实际电路的调试中，曾经出现液晶屏显示电压不稳定，而且信号容易饱和等问题，通过我们积极查找，我们发现TLC549的基准电压没有连接电源，电路经过改进后可以顺利输出相对稳定的电压信号。
九、数据记录与拟合
1、输出电压与标准光功率计关系表：
V
uW
V
uW
V
uW
0
0.05
0.1
2.5
1.1
11.8
2.1
21
0.2
3.22
1.2
12.6
2.2
21.7
0.3
4.59
1.3
13.8
2.3
22.6
0.4
6.01
1.4
14.5
2.4
23.1
0.5
6.8
1.5
15.6
2.5
23.9
0.6
7.83
1.6
16.5
2.6
24.4
0.7
8.75
1.7
17.5
2.7
25
0.8
8.92
1.8
18.9
2.8
25.7
0.9
9.68
1.9
19.6
2.9
26.4
1
10.47
2
20.1
3
27
2、数据拟合图：
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=[0.05,2.5,3.22,4.59,6.01,6.8,7.83,8.75,8.92,9.68,10.47,11.8,12.6,13.8,14.5,15.6,16.5,17.5,18.9,19.6,20.1,21.0,21.7];
p=polyfit（x,y,2）
x1=0:
0.05:
2.2;
y1=polyval（p,x1）;
plot（x,y,'*r',x1,y1,'-b'）
p=
-0.414010.27291.2273
3、拟合后，根据函数关系输出的功率信号与标准光功率计对比：
标准/uW
测量/uW
4.24
4.27
7.14
7.24
10.8
11.08
13.6
13.88
15
15.7
十、误差分析
根据上述数据，可算得相对误差：
=2.2%
误差分析：
环境光线，以及测量相对位置变化可能引起测量误差。
由于整个系统的设计缺陷可能存在较大的系统误差。
十一、成品展示
实物图
工作图
十二、心得体会
光通信技术的飞速发展以及光缆与光纤的大量应用．促使了智能化测试仪器在实验室教学和工程应用中的飞速发展。
本文从基础的光电转换技术人手，通过微处理器对信息数据进行处理。
并根据需要进行判断。
经过反复调试运行，给出了这种数字光功率计的设计方法。
该光功率计具有成本低、维护简单、误差小等诸多优点。
可满足高校实验室的教学和光通信施工部门的施工检测与维护需求。
具有广阔的市场应用前景和参考价值。
本次设计实验，给了我们初学者一个锻炼机会，经历了系统分析，设计，制作，调试和数据处理等各个环节，使我们深刻的了解了产品设计的全过程，也给我们今后独立进行系统设计积累了宝贵的经验。
在实际电路的制作过程中，也出现过各种各样的问题，但是通过我们小组的协作配合，我们顺利完成了整个设计过程，也锻炼了我们的团队协作能力。
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