基于AT89C51芯片控制的激光功率計的設(shè)計

田 東

(西安郵電大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院， 陜西 西安 710121)

基于AT89C51芯片控制的激光功率計的設(shè)計

田 東

(西安郵電大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院， 陜西 西安 710121)

為實時檢測氦氖激光器的輸出功率，設(shè)計一種基于AT89C51單片機(jī)作為控制平臺的激光功率檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括光電傳感、信號處理，輸出與顯示模塊，選用硅光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換傳感探頭，實現(xiàn)光信號的采集，在AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)的控制下，對所采集信號進(jìn)行處理，實現(xiàn)對波長為633nm激光器的激光輸出功率的實時檢測。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的線性響應(yīng)特性。

光電傳感；功率檢測；實時顯示;單片機(jī)

隨著光電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，激光作為一種非常重要的光源，廣泛的應(yīng)用于大屏幕顯示、照明、激光打印、激光醫(yī)學(xué)、光信息處理等諸多等領(lǐng)域[1-2]。特別是在實際生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)中，對激光功率的輸出穩(wěn)定性要求尤為嚴(yán)格，例如在工業(yè)生產(chǎn)流水線上，利用激光散斑技術(shù)，對產(chǎn)品零件的外形進(jìn)行實時監(jiān)控，要求激光功率輸出比較穩(wěn)定，這就需要借助光功率計對激光器的功率輸出進(jìn)行實時監(jiān)控，才能給處理平臺提供可靠的檢測數(shù)據(jù)。因此，激光功率計的研制具有非常重要的工程應(yīng)用價值。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的光功率計，其光接收元件普遍采用光電型和光熱型兩類，基本能夠滿足小功率、快速響應(yīng)和大功率、低速響應(yīng)的激光功率檢測，但價格一般比較昂貴。為此，本文選用價格低廉的AT89C51單片機(jī)和硅光電二極管作為控制和光電傳感元件，設(shè)計出一種激光功率檢測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對He-Ne激光器的輸出功率進(jìn)行實時檢測和結(jié)果顯示。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

激光功率檢測系統(tǒng)分為三大模塊。第一模塊為光電傳感探頭的選擇，獲得具有高效光電轉(zhuǎn)換效率的傳感探頭；第二模塊為光電轉(zhuǎn)換處理電路設(shè)計，實現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換、A/D、D/A信號轉(zhuǎn)換、信號濾波處理等目的；第三模塊是檢測結(jié)果的輸出與顯示電路設(shè)計，實現(xiàn)結(jié)果的實時顯示。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

1.1 光電傳感探頭的選擇

硅光電二極管的線性工作區(qū)位于可見光和近紅外區(qū)域，且具有靈敏度高，響應(yīng)速度快等特點(diǎn)[3-4]。因此，選擇PIN型硅光電二極管作為光電傳感探頭，獲取接收到的激光功率幅值。

1.2 光電轉(zhuǎn)換處理電路的設(shè)計

激光功率檢測系統(tǒng)的外圍電路由信號處理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路兩部分組成。

1.2.1 信號處理模塊設(shè)計

采用多級電壓放大電路和后級濾波電路共同作用的設(shè)計思路，完成所采集的光電流信號的檢測，并選擇具有高輸入阻抗的CA3140作為運(yùn)算放大器[5-6]，來搭建光電轉(zhuǎn)換電路，如圖2所示。

圖2 光電轉(zhuǎn)換電路原理

采用RC元件與運(yùn)算放大器組成濾波電路，借助二階低通和帶通濾波器構(gòu)成的后級濾波電路[7]，實現(xiàn)對信號的濾波處理。圖3和圖4分別為二階有源低通濾波和有源帶通濾波電路圖。

圖3 二階有源低通濾波電路

圖4 二階有源帶通濾波電路

1.2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

利用光電傳感探頭實現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換，再借助電流/電壓變換電路模塊獲得模擬電壓信號，對獲得模擬電壓信號進(jìn)行采樣采集，最后通過A/D轉(zhuǎn)換電路將電壓模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

電路設(shè)計如圖5所示。

圖5 A/D 轉(zhuǎn)換電路

1.3 輸出與顯示電路的設(shè)計

采用數(shù)碼管作為顯示屏，實現(xiàn)對測量結(jié)果的實時顯示，數(shù)碼管顯示電路如圖6所示。

利用單片機(jī)作為核心控制平臺，通過信號處理模塊，A/D轉(zhuǎn)換電路模塊和顯示電路模塊，完成光信號的采集和顯示。

圖6 數(shù)碼管顯示電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

將光電探頭采集到的光信號變換成模擬電壓信號，實現(xiàn)激光功率值的實時顯示。軟件部分總體上分為A/D轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)碼管顯示模塊兩部分，其中A/D轉(zhuǎn)換模塊包括數(shù)據(jù)接收程序和數(shù)據(jù)處理程序兩部分，采用C語言[8]完成程序的編寫，系統(tǒng)軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)測試

為驗證所設(shè)計的激光功率計的功率采集精度，選擇在具有良好穩(wěn)定性的精密光學(xué)平臺上搭建測試平臺。實驗上使用He-Ne激光器(GY-10A)作為激光光源，輸出激光波長為633nm；利用可調(diào)衰減器(偏振型)實時調(diào)節(jié)輸出激光強(qiáng)度；利用分束鏡(1∶1)獲得兩束強(qiáng)度相同的激光束，分別入射到標(biāo)準(zhǔn)功率計(TES-1335)和待測功率計的光強(qiáng)探測區(qū)域。整個測試過程中，在相同強(qiáng)度的激光激勵下，測試次數(shù)均大于10次，然后將標(biāo)準(zhǔn)功率計所得結(jié)果進(jìn)行平均處理，得到標(biāo)準(zhǔn)功率值，測試結(jié)果如圖8所示。

根據(jù)測試結(jié)果可知，所設(shè)計的激光功率計的線性測試范圍為0.5～1.8 klux。當(dāng)光照度為1.8 klux時，所設(shè)計的功率計測量值與標(biāo)準(zhǔn)功率計所測結(jié)果相比，最大誤差值為5.4%，小于6%的標(biāo)準(zhǔn)偏差值，具有較高的測試精度。因此，所設(shè)計的激光功率計具有很好的線性測試特性。

圖8 激光輸出功率與信號處理電路輸出端電壓值的關(guān)系圖

4 結(jié)束語

采用硅光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換傳感探頭，選擇AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)作為控制平臺，設(shè)計一種激光功率檢測設(shè)備。通過與標(biāo)準(zhǔn)功率計的測量結(jié)果對比，所設(shè)計的功率檢測系統(tǒng)具有線性響應(yīng)良好的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對波長為633nm的激光功率的測量。

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[責(zé)任編輯:祝劍]

A laser power measurement system based on AT89C51 SCM technology

TIAN Dong

(School of Computer Science and Technology, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

In order to detect the power delivery of He-Ne laser in real time, and improve the reliability of the experimental results, a laser power detecting system is designed based on AT89C51 as its center process clip to detect the laser’s power delivery. In this paper, we use a silicon photodiode as an optical signals sensor, and AT89C51 microchip as a center process system to collect optical signal, and then the function of processing, expanding and filtering of the optical signals are realized. As a result, a low costly but with high S/N ratio device, which can be used to measure laser power output of 633 nm, is fabricated. According to the detected results, the current designed system has characteristics of good linearity properties.

photoelectric sensor, power detection, real-time display, singlechip

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.03.018

2013-07-08

陜西省自然科學(xué)基金資助項目(2012JM8044)

田東(1980-),男，碩士，講師，從事嵌入式方面研究。E-mail: tiandong@xupt.edu.cn

TN27

A

2095-6533(2014)03-0091-04