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

基于AT89C52单片机的光功率计的设计

一、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、DATA OUT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40 000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I2C BUS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。