窄带中激光光谱与方向探测装置.docx
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窄带中激光光谱与方向探测装置
目录
一.方案论证和比较1
1.1传感器选择1
1.2传感器电路的设计1
1.3信号调理电路的设计1
二.系统设计1
2.1器件资料简介1
2.1.1光电二极管介绍1
2.1.2光敏电阻介绍2
2.1.3AD620介绍2
2.1.4ADC08009介绍2
2.1.5LM358介绍2
2.1.6OP07介绍3
2.2系统总体设计思路3
2.3系统设计框图3
2.4系统模块电路图3
2.4.1激光波长测试模块3
2.4.2光强测量电路4
2.4.3AD转换电路5
2.5单片机系统电路5
2.6系统总体电路图6
2.7PCB板图6
三.软件设计10
3.1软件流程图10
3.2软件设计思路10
四.系统测试10
五.总结11
六.附录11
窄脉冲激光方向探测装置
摘要:
本设计是基于51单片机的窄脉冲激光波长和方向探测装置设计,系统的主要思想是光陀螺的原理。
是以STC89C52为核心,用ADC0809作为AD转换器,用光敏电阻和光电二极管作为传感器。
用精密仪用放大器AD620作为信号放大器,将光信号转换成的微弱电信号进行放大。
在单片机进行量化处理,最后完成方向的标定和光强波长的测试。
关键字:
STC89C52,AD620,ADC0809,光敏电阻,光电二极管,惠斯登电桥。
一.方案论证和比较
1.1传感器选择
方案一:
对激光的波长检测器件采用两种对不同波长敏感的光电二极管,将二极管结成反偏,在后续用信号完成放大、滤波、AD转换。
单片机采集,转换显示。
测量光强的方式采用PSD作为传感器。
能感知光强中心和光强的大小,它具有电流放大的作用。
信号容易获取。
方案二:
对激光波长检测采用光电二极管,用光电二极管和电阻串联在一起,将电流信号转换成电压信号。
再进行后续的放大处理,完成信号的获取。
测量光强采用光敏电阻做为传感器。
本设计中采用本方案。
1.2传感器电路的设计
方案一:
激光波长测试电路采用光电二极管和电阻串联,放大器从电阻两端取样。
用OP07进行放大,再用ADC0809完成AD转换。
光强测量电路用PSD作为传感器,后续用信号调理电路处理。
方案二:
激光波长测试电路就直接用光电二极管和电阻串联作为传感器电路,激光入射角度测试用光敏电阻构成惠斯登电桥,取差分电压,然后将差分信号用精密仪用放大器AD620放大,然后用LM358进行射级跟随,在跟随电路前端加上电压抬升电路。
本设计采用本方案。
1.3信号调理电路的设计
信号调理电路的设计需要根据实际电路进行分析,本设计本身由于测量光的方向,和光强的大小,所以后续放大倍数要求较高。
采用惠斯登电桥将不同光照的信号进行作差放大。
由精密仪用放大芯片AD620完成。
放大倍数可以通过滑动变阻器调节。
放大倍数能达到60dB。
由于差动放大的信号有正有负,而ADC0809能采集的信号必须是一个正的信号。
所以必须用一个电位抬升电路或者用一个加法器将信号转换到0-5V的电压信号。
二.系统设计
2.1器件资料简介
2.1.1光电二极管介绍
采用SFH229光电二极管,对400nm-1100nm的波长区的光有效。
2.1.2光敏电阻介绍
采用普通光敏电阻,在有光照的情形下阻值大概是10k,在没有光照的情形下大概为3M。
变化范围大。
2.1.3AD620介绍
AD620是一款低成本、高精度仪表放大器,仅需要一个外部电阻来设置增益,增益范围为1至10,000。
AD620由传统的三运算放大器发展而成,但一些主要性能却优于三运算放大器构成的仪表放大器的设计,如电源范围宽(±2.3~±18V),设计体积小,功耗非常低(最大供电电流仅1.3mA),因而适用于低电压、低功耗的应用场合。
AD620的单片结构和激光晶体调整,允许电路元件紧密匹配和跟踪,从而保证电路固有的高性能。
AD620为三运放集成的仪表放大器结构,为保护增益控制的高精度,其输入端的三极管提供简单的差分双极输入,并采用β工艺获得更低的输入偏置电流,通过输入级内部运放的反馈,保持输入三极管的集电极电流恒定,并使输入电压加到外部增益控制电阻RG上。
AD620的两个内部增益电阻为24.7k8,因而增益方程式为G=49.4kΩ/RG+1。
对于所需的增益,则外部控制电阻值为RG=49.4/(G-1)kΩ。
图1AD620的封装
2.1.4ADC08009介绍
ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。
它是逐次逼近式A/D转换器,可以和单片机直接接口。
ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。
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。
图2ADC0809内部逻辑结构
2.1.5LM358介绍
LM358是德州仪器公司的一款单电源供电的芯片,内部包括两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器,适用于单电源供电,也适用于双电源供电。
2.1.6OP07介绍
OP07也是德州仪器公司的一款高分辨率、低噪声的运算放大器,它具有低失调电压,特别适用于微弱信号的放大场合。
只不过它是双电源供电的运放。
2.2系统总体设计思路
系统由光敏电阻构成惠斯登电桥,然后经过精密仪用放大芯片AD620完成微弱信号的放大,然后经过AD转换,将模拟信号转换成数字信号。
单片机采集数字信号,在内部经过处理,将数字量和物理信号联系起来,最后通过液晶显示器1602显示出来。
2.3系统设计框图
图3系统框图
2.4系统模块电路图
2.4.1激光波长测试模块
图4激光波长测试电路
图中P2为两光电二极管,光电二极管是在反向电压作用下工作的,没有光照时,反向电流极其微弱;有光照时,反向电流迅速增大到几十微安。
光的强度越大,反向电流也越大。
光的变化引起光电二极管电流变化,从而使电阻两端压降发生变化,这就可以把光信号转换成电信号输入OP07进行放大,将放大的信号输入到adc0809进行采集处理。
2.4.2激光入射角度测量电路
图5光强测量电路
图中P10、P11为光敏电阻,在有光照的情形下阻值大概是10k,在没有光照的情形下大概为3M。
光照引起电阻两端压降变化。
将电阻两端电压输入至AD620搭建的差动放大电路中进行放大,将所得差分放大信号进行电位抬升,然后经射极跟随,将所得电信号输入值ADC0809进行模数转换处理。
2.4.3AD转换电路
图6AD转化电路
ADC0809是8位逼近式A/D转换器,模拟信号经其采集处理后由D0-D7输出至单片机接口进行处理
2.5单片机系统电路
图7单片机最小系统电路
2.6系统总体电路图
图8系统总体电路图
2.7PCB板图
图9PCB板图
三.软件设计
3.1软件流程图
图10程序流程图
3.2软件设计思路
程序启动,初始化lcd显示,并控制adc0809对其相应通道电压进行扫描,进行ad转换。
将转换得到数据送至单片机进行处理,经处理得到的入射光波长及相应角度送至lcd进行显示。
四.系统测试
系统调试分为数字电路调试和模拟电路调试两部分,数字电路主要包括AD转换器的时序模拟,和液晶显示器的时序模拟。
在数字调试过程中,先是将液晶屏调试完成,让它能完成任何想要显示的字符或者数字,方便后面的调试。
AD转换器的调试主要是借助于液晶显示器,把它的量转换成数字量在液晶屏上显示出来。
来标记AD转换是否成功。
模拟电路的调试主要是平衡电桥的调试,调试仪器有示波器,万用表,在调节平衡电桥的时候,用热缩管包住光敏电阻,排除自然光的干扰,然后用激光垂直照射,调节图中滑动变阻器完成静态调节偏置的作用。
在完成偏置调节好的情况下,示波器上能看到输出的信号电平为0左右。
差动电路的调节主要是放大倍数的调节,通过调节AD620的第一管脚和第八管脚之间的阻值,可以调节放大倍数。
系统的要求,AD620的输出信号只能是峰峰值为5V的模拟信号。
通过观察示波器上波形的变化,能看到当光照发生变化时,模拟信号的波形发生变化。
这样完成外界物理信号到模拟信号的转换。
五.总结
通过本次设计,我们掌握了模拟电路和数字电路的混合设计,和硬件的编程,学会了对时序图编程。
在这个设计中主要用到了惠斯登电桥的平衡来测量动态变化的外界物理量。
通过滑动变阻器来进行静态调节偏置,从而反应外界物理信号。
本设计的一个缺点在于没有进行角度和模拟信号之间进行标定。
要完成这个标定的话,需要有一个精密的测量角度的仪器进行标定。
本次设计我主要负责软件部分。
进一步熟悉掌握了单片机的应用。
进一步掌握了时序电路的读写。
同时发现了自己的不足。
同时,也进一步体会到了团队的重要性。
团结互助是成功所必需的因素。
参考文献:
1刘吉,赵辉等.光电探测技术与应用.北京:
国防工业出版社,2009
2马忠梅等.单片机C语言应用程序设计.北京.北京航空航天大学出版社,2003
3童诗白,华成英.模拟电子技术基础.北京:
高等教育出版社,2006
4阎石.数字电子技术基础.北京:
高等教育出版社,2006
5罗觉先等.电路.北京:
高等教育出版社2006
六.附录
1.源程序
#include
#include
#defineulongunsignedlong
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitrs=P3^4;
sbitlcden=P3^5;
sbitSTART=P2^1;//启动转换
sbitEOC=P2^0;//转换结束标志
sbitOE=P2^5;//输出使能
sbitALE=P2^1;//地址锁存
sbitAA=P2^4;
sbitBB=P2^3;
sbitCC=P2^2;
uintvol=0;//采样得到的0~255之间离散数据
ulongV[3];//处理后的电压数据。
uchara,b,c;
ucharcodetable[]="FW:
FY:
";
ucharcodetable1[]="VIEW:
";
ucharcodetable2[]="0123456789";
ucharcodefh='.';
ulongData[3];
//~~~~~~~~~~~1602~~~~~~~~~~~~~
voiddelay(uintz)
{
uintx,y;
for(x=z;x>0;x--)
for(y=110;y>0;y--);
}
voidwrite_com(ucharcom)
{
rs=0;
lcden=0;
P1=com;
delay(5);
lcden=1;
delay(5);
lcden=0;
}
voidwrite_date(uchardate)
{
rs=1;
lcden=0;
P1=date;
delay(5);
lcden=1;
delay(5);
lcden=0;
}
voidinit()
{
ucharnum;
lcden=0;
write_com(0x38);
write_com(0x0c);
write_com(0x06);
write_com(0x01);
write_com(0x80);
for(num=0;num<11;num++)
{
write_date(table[num]);
delay(5);
}
write_com(0x80+0x40);
for(num=0;num<6;num++)
{
write_date(table1[num]);
delay(5);
}
}
//~~~~~~~~~~~1602END~~~~~~~~~~
//------------------------------------
voidstart(void)
{
ALE=1;
_nop_();
START=1;
_nop_();
ALE=0;
_nop_();
START=0;
}
//-------------------------------------
ucharcheck(void)
{
ucharq;
while(EOC==1);//等待转换结束
_nop_();
_nop_();
while(EOC==0);
_nop_();
_nop_();
OE=1;
_nop_();
_nop_();
_nop_();
q=P0;//从P0口读取数据OE=0;
returnq;
}
//------------------------------------
ulongdeal(ucharq)//入射光波长转换,最大1.1um
{
ulongz;
z=(q*11);
z*=10;
z/=256;//V的高到低位依次为:
整数位个位、小数十分位、百分位。
returnz;
}
ulongfy(ucharx,uchary)//入射光俯仰角度转换,最大90°
{
ulongz;
z=(256-(x+y))*90;
z*=10;
z/=256;
returnz;
}
ulongfw(intx,inty)
{
ulongz;
z=(128+(x-y))*360;
z/=256;
returnz;
}
voidmain()
{
init();
while
(1)
{
AA=0;//通道0
BB=0;
CC=0;
start();
Data[0]=check();
AA=0;//通道1
BB=0;
CC=1;
start();
Data[1]=check();
V[0]=fw(Data[0],Data[1]);//方位角处理
V[1]=fy(Data[0],Data[1]);//俯仰角处理
AA=0;//通道2
BB=0;
CC=0;
start();
Data[2]=check();
V[3]=deal(Data[2]);//入射激光光强处理
a=V[0]%10;
b=V[0]/10%10;
c=V[1]/100;
write_com(0x84);
write_date(table2[c]);
delay(5);
write_date(table2[b]);
delay(5);
write_date(fh);
delay(5);
write_date(table2[a]);
a=V[1]%10;
b=V[1]/10%10;
c=V[1]/100;
write_com(0x8d);
write_date(table2[c]);
delay(5);
write_date(table2[b]);
delay(5);
write_date(fh);
delay(5);
write_date(table2[a]);
a=V[0]%10;
b=V[0]/10%10;
c=V/100;
write_com(0x84);
write_date(table2[c]);
delay(5);
write_date(table2[b]);
delay(5);
write_date(fh[0]);
delay(5);
write_date(table2[a]);
delay(5);
write_date(fh[1]);
a=V[2]%10;
b=V[2]/10%10;
c=V[2]/100;
write_com(0xc4);
write_date(table2[c]);
delay(5);
write_date(fh[0]);
delay(5);
write_date(table2[b]);
delay(5);
write_date(table2[a]);
}
}
2.实物图
图11实物图
- 配套讲稿:
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- 关 键 词:
- 窄带 激光 光谱 方向 探测 装置