基于單片機(jī)的數(shù)字光功率計(jì)的設(shè)計(jì)

1、目錄摘要2abstract3緒 論41.1 概 述41.2 設(shè)計(jì)方案的研究目的51.3 設(shè)計(jì)方案的研究內(nèi)容51.4 設(shè)計(jì)方案的研究意義5第二章 光功率計(jì)的設(shè)計(jì)62.1 光功率計(jì)6第三章 硬件部分電路介紹83.1 光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)83.1.1 光電效應(yīng)83.1.2 光探測器83.1.3 PIN光電二極管83.1.4 PIN光電二極管的選擇93.2 放大濾波電路113.2.1濾波器的設(shè)計(jì)123.2.2 運(yùn)算放大電路123.3 A/D轉(zhuǎn)化電路123.4 單片機(jī)控制電路143.4.1 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)143-4-2 晶振電路的設(shè)計(jì)163.4.3 單片機(jī)串口通訊總線SMBUS173.4.4 電源設(shè)計(jì)部分

2、18第四章 外圍電路的設(shè)計(jì)184.1 I²C總線設(shè)計(jì)184.1.1 I²C總線接口的電路設(shè)計(jì)194.1.2 I²C總線的控制時(shí)序194.2 單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)194.3 按鍵設(shè)計(jì)204.3.1 鍵盤去抖動214.3.2 按鍵的識別214.4 液晶顯示及接口電路21第五章 軟件部分23第六章 結(jié)束語27參考文獻(xiàn)28摘要 光可以被用作一種強(qiáng)大的工具，將給我們一種不同的方式的靈感。但是，我們?nèi)绾斡霉庑盘栟D(zhuǎn)換成電信號來衡量一些電氣參數(shù)？這就需要一個(gè)數(shù)字功率計(jì)來實(shí)現(xiàn)傳輸過程中的光信號能量損耗，它可以探測和容易地知道如何光束質(zhì)量光束像。今天，單片機(jī)在測量和控制技術(shù)的應(yīng)用，傳感

3、器讓工業(yè)生產(chǎn)迅速現(xiàn)代化，但我們是一個(gè)來自外國的功率表生產(chǎn)國，外國不僅昂貴，而且還需要大量的配件。因此，我們必須設(shè)計(jì)一種以單片機(jī)為核心的數(shù)字電能表，它可以節(jié)省成本，更容易調(diào)試，能更好地反映實(shí)際值。我們的目標(biāo)是把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后以一個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，通過單片機(jī)的串行輸出模擬信號的特性。通過硬件和軟件的組合，其中包括硬件設(shè)備：設(shè)備芯片選擇，放大器，模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，控制電路，外圍控制電路，電源按鈕和其他設(shè)計(jì)和描述；每個(gè)部分包括軟件的一個(gè)模塊寫。關(guān)鍵詞：光電轉(zhuǎn)化，微型計(jì)算機(jī)，功率計(jì)abstract Light can be used as a powerful tool that will g

4、ive us a different way of inspiration. But, how can we use the light signal into the electrical signal to measure the electrical parameters? This requires a digital power meter to realize optical signal energy loss in transmission, it can easily detect and know how to beam quality like beam. Today,

5、SCM application in measurement and control technology and sensor to allow industrial production rapidly modernizing, but we are from a foreign power production country and foreign is not only expensive, but also need lots of accessories. Therefore, we must design a single chip microcomputer as the c

6、ore of the digital power meter, which can save cost, easier to debug, can better reflect the actual value. Our goal is to convert light into electrical signals, and then converted to a digital simulation, through the serial output of the microcontroller analog signal characteristics. Through a combi

7、nation of hardware and software, including hardware equipment: chip select equipment, amplifier, analog to digital conversion circuit, control circuit, peripheral control circuit and a power button and other design and description; each part including software module written.Key word:Photoelectric c

8、onversion ,Single chip microcomputer,Power meter緒 論1.1 概 述 1916年初，愛因斯坦提出了一個(gè)概念叫做“受激輻射，一束光被激發(fā)出光子，光子打在激發(fā)態(tài)的原子后會激發(fā)一個(gè)電子下降到一個(gè)低能級，因此輻射出另一個(gè)光子?；诠夥糯蟮姆绞?，激光也被認(rèn)為是光學(xué)放大器，由于激光具有普通光所沒有的特點(diǎn)：單色性，相干性，方向性，高亮度，這些特性決定了激光一問世就得到了飛速發(fā)展。 在60年代初，加工，醫(yī)療器械等方面就已經(jīng)有激光產(chǎn)業(yè)的萌芽，當(dāng)時(shí)只不過只有少量的研制生產(chǎn)，并沒有形成氣候，1978年改革開放之后，激光產(chǎn)業(yè)就在華夏地區(qū)確切的成為大家所關(guān)注的對象并開始起

9、步，當(dāng)前像武漢、深圳這樣激光技術(shù)的研發(fā)進(jìn)步飛快的地方，其水平已跟國際水平一樣。 不過，實(shí)現(xiàn)通信行業(yè)中對光信號能量損耗檢測的智能儀表也在不斷的創(chuàng)新和開發(fā)。在我國的光學(xué)儀器中，可以用來檢測一束光在傳播過程中的能量損耗等參數(shù)的一種智能儀表叫光功率計(jì)，但大多數(shù)都是來自國外進(jìn)口，國外的價(jià)格高，所需要的配件多，操作過程也繁瑣?，F(xiàn)今，隨著筆記本電腦，便攜式電話，視頻會議和因特網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，信息革命時(shí)代都在我們周圍發(fā)生。這種智能化在各種各樣的產(chǎn)品中都可以看到，這就是嵌入式信息處理的一次革命，是由于芯片生產(chǎn)在經(jīng)過近40年的不斷演變后為嵌入式智能處理芯片帶來無數(shù)的并且沒有預(yù)測到的發(fā)展機(jī)會。光被通信行業(yè)用來作為一種

10、測量工具，越來越多的客戶也更容易接納這個(gè)新鮮事物，我們可以不用國外的功率計(jì)而自己設(shè)計(jì)一款以微型單片計(jì)算機(jī)為核心的智能儀表，它可以把測試出來的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲，運(yùn)算以及設(shè)定預(yù)置進(jìn)行終端現(xiàn)場保護(hù)等的功能。 時(shí)代在進(jìn)步，科技技術(shù)也在進(jìn)步，當(dāng)今世界是信息時(shí)代，測量儀器跟著信息技術(shù)腳步的發(fā)展也在不斷的發(fā)展，對它測量的精確程度的要求也不斷提高，不只是這樣，還要把傳統(tǒng)儀器改變?yōu)橹悄軆x器，這樣在使用過程中用途比較集中，還容易實(shí)現(xiàn)小型化，便攜式的結(jié)構(gòu)。同時(shí)它是計(jì)算機(jī)與電子元器件的結(jié)合，具可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，運(yùn)算，邏輯判斷，完成一些不需要人自己手動操作就能完成的事情。正如你所看到的，單片機(jī)的應(yīng)用有一個(gè)不斷擴(kuò)大的過

11、程，今天，任何一個(gè)可以上電的成品都可能采用了一個(gè)單片機(jī)。 跟傳統(tǒng)的光功率計(jì)相比較，當(dāng)前使用單片機(jī)設(shè)計(jì)的功率計(jì)軟件硬件融合在一起，讓單片機(jī)完成收集和處理數(shù)據(jù)，不再需要人去完成。1.2 設(shè)計(jì)方案的研究目的 之前用的單片機(jī)的數(shù)字光功率計(jì)，全是發(fā)出信號光之后，經(jīng)過一次放大電路，模數(shù)轉(zhuǎn)化電路然后直接在顯示屏顯示數(shù)字，調(diào)零和波長選擇都要手動調(diào)。所以這一次的設(shè)計(jì)方案可以解決以前的單片機(jī)的數(shù)字光功率計(jì)數(shù)據(jù)測量的一些毛病。1.3 設(shè)計(jì)方案的研究內(nèi)容 該設(shè)計(jì)方案主要是根據(jù)光電轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)，然后通過放大，模數(shù)轉(zhuǎn)化，MCU控制，從而完成光在轉(zhuǎn)換過程中輸出光強(qiáng)度和能量損耗的測量。下面就從以下六個(gè)點(diǎn)介紹：1）系統(tǒng)工作原理的

12、說明；2）光電轉(zhuǎn)化；3）放大電路的設(shè)計(jì)；4）模數(shù)轉(zhuǎn)化電路的設(shè)計(jì)；5）CPU處理；6）顯示屏顯示調(diào)試。光輸入顯示放大光探頭I/V變換1.4 設(shè)計(jì)方案的研究意義 現(xiàn)在使用單片機(jī)設(shè)計(jì)的光功率計(jì)，它的光參數(shù)測量的結(jié)果已經(jīng)精確到1mw。隨著光通訊行業(yè)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在的檢測儀器精度在國內(nèi)市場發(fā)展需求量越來越大，所以使用的都是進(jìn)口的。 本次設(shè)計(jì)采用的以單片機(jī)為核心的智能化光功率計(jì)，不僅可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，處理還能按照認(rèn)為的預(yù)先設(shè)定來完成操作。第二章 本次設(shè)計(jì)的光功率計(jì)2.1 光功率計(jì) 簡單來說，光在一段光纖中傳播，在傳播過程的這段時(shí)間內(nèi)它會做功，這就是光功率計(jì)要測量的東西，如果測得的值沒有預(yù)期的那么多，就說

13、明在傳播過程中有損耗；還有一個(gè)要測量的就是接收光的時(shí)候是否靈敏。 光電 檢 測 濾波器電流電壓變換 計(jì)算機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換圖2-1 光功率計(jì)的原理圖 由上圖可以看出，通常一個(gè)光功率計(jì)是由光電檢測器，I/V變換器，運(yùn)算放大器，濾波器，A/D轉(zhuǎn)換以及計(jì)算機(jī)這些部分組成。工作過程：光背檢測到后會產(chǎn)生很弱的電流（這里有個(gè)能級躍遷問題），電流經(jīng)過電流電壓轉(zhuǎn)換電路成電壓，在這里要說明一點(diǎn)，就是產(chǎn)生的這個(gè)電流的大小跟光入射到光敏表面上所產(chǎn)生的光的功率成正比，所以電壓信號經(jīng)過放大再和計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，就可以顯示出對應(yīng)的光功率的大小了。2.2 該方案中光功率計(jì)的工作原理熱學(xué)法和光電法是檢測光功率的兩種方法。其中熱學(xué)法

14、測量精度更高但響應(yīng)速度慢，靈敏度低。相反，光電法它可以是一個(gè)響應(yīng)快，線性好，靈敏度高，檢測范圍也很廣的方法，而本次設(shè)計(jì)對靈敏度要求更高，因?yàn)楣夤β室话惚容^弱，范圍為納瓦級到毫瓦級相對較弱的范圍，本次設(shè)計(jì)方案中提倡用半導(dǎo)體光電靈敏度高的檢測方法。光功率計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖2-2所示。放大濾波電路I/V轉(zhuǎn)化電路光電轉(zhuǎn)化電路光探測器A/A/D轉(zhuǎn)換電路微控制器處理電路鍵盤按鍵顯示LCD顯示圖 2-2 光功率計(jì)內(nèi)部原理圖 上面已經(jīng)說過光信號經(jīng)過光探測器的時(shí)候，它在探測器里會發(fā)生光的受激輻射，然后光信號會轉(zhuǎn)化成很低的電流，這個(gè)低電流與光產(chǎn)生的功率的關(guān)系是成正比的，因此檢測出電流的變化就能通過電流跟光功率的正

15、比關(guān)系得到功率。第三章 硬件部分電路的介紹3.1 光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) 光電效應(yīng) 一些材料在光的照射下，光子把他們內(nèi)部的電子激發(fā)從而產(chǎn)生電流。如果某些金屬物質(zhì)內(nèi)的自由電子吸收了一個(gè)光子，正好被吸收的這個(gè)光子的能量大于或者等于這個(gè)金屬物質(zhì)能承受的總能量，那么多余的能量就會逸出去，電子有足夠的能量從金屬中逃脫，所以就產(chǎn)生了光電子。可是，如果自由電子吸收光子沒有產(chǎn)生足夠的能量，那么電子會釋放能量，讓產(chǎn)生的光電子有足夠的能量逃出去，前提是電子的能量沒有恢復(fù)到釋放能量之前，這個(gè)光電子就無法逃離。 光探測器 光探測器中起作用的就是光電二極管，下面就分別來介紹兩種二極管的原理。 在對上面兩個(gè)二極管做出說明之前

16、，先說一下對探測器的幾個(gè)要求：光電轉(zhuǎn)化效率要高，即一束光通過探測器時(shí)，能夠輸出較大的電流，這個(gè)輸出的光電流和光功率是成正比的。 接收光的靈敏度要高，換句話說就是檢測到光信號能很快相應(yīng)，即使是很微弱的光信號也可以快速相應(yīng)。能夠檢測電壓信號穩(wěn)定，不失真的反映出光信號的特性。3.1.3 PIN光電二極管 PIN型二極管跟PN型二極管從字面意思看值差一個(gè)字母，這個(gè)字母又有它代表的含義。它們都是很好的二極管，但是靈敏度卻相差很多，原因就在于PIN型多出的這一個(gè)字母I。在P層和I層之間加了一層較厚的I型半導(dǎo)體（本征層），所以，在PIN結(jié)內(nèi)部電場來阻擋載流子的區(qū)域就比PN結(jié)中內(nèi)部電場要寬，這個(gè)區(qū)域就是勢壘區(qū)

17、，而決定感光靈敏度主要因素就是勢壘區(qū)。因此，PN結(jié)中勢壘區(qū)比較薄，所以它的感光靈敏度相對低一些，而PIN結(jié)中有I型半導(dǎo)體的緣故，勢壘區(qū)寬，它的靈敏度自然高一些。這樣，在我們本次設(shè)計(jì)中因?yàn)閷μ綔y器的靈敏度的要求較高，所以更明確的可以選擇PIN型光電二極管來作為光探測器。PN結(jié)耗盡層是一個(gè)很抽象的東西，空間電荷區(qū)是一個(gè)區(qū)域性的載體，它是不存在的，PN結(jié)耗盡層這個(gè)概念如果不這樣定義的話，會有很多麻煩的問題。如果真的要換一種說法的話，那就可以理解為控件電荷區(qū)內(nèi)部存在電場，載流子被這個(gè)電場趕走了，因此在這樣的一個(gè)區(qū)域是沒有載流子的，這就是PN結(jié)耗盡層。PN結(jié)的耗盡層很薄，光入射到某金屬物質(zhì)上時(shí)都被兩邊的

18、中性區(qū)吸收，對這個(gè)問題做的改進(jìn)是：在PN結(jié)P層和N層中間加I層，它可以高效阻擋載流子避免光入射進(jìn)來被吸收。I層中光被吸收的系數(shù)小的更容易進(jìn)入到物體內(nèi)部被吸收，同時(shí)放出大量的電子-空穴對，P層和N層都是非常薄的半導(dǎo)體，不能像PN結(jié)中那樣把入射光都吸收了，耗盡層中幾乎全部是I層。除了上面所說的兩種外還有別的類型，可是為了解除掉入射光大量的被半導(dǎo)體中性區(qū)所吸取，所以更可靠的是中間有一層可以充當(dāng)耗盡層的PIN結(jié)型光電二極管。 適用于本方案的還有雪崩型光電二極管，雖然它有靈敏度高，光電轉(zhuǎn)換效率強(qiáng)等的有點(diǎn)，但是也有很多造成工作效率的缺點(diǎn)：需要的工作電壓很高，而且它的性能的好壞完全取決于入射光功率的大小，如

19、果入射光功率很大，就會產(chǎn)生增益噪聲大，電流容易失真等的問題?？紤]到以上所說的各個(gè)方面的問題，這里我們使用PIN型二極管。3.1.4 PIN光電二極管的選擇 因材料不同可以分為：Si，Ge, InGaAs三種。下表3-1-4（a）是對這三種PIN二極管的比較。參數(shù)符號單位SiGeInGaAs波長范圍nm4001100800165011001700響應(yīng)度RA/W0.40.60.40.50.750.95暗電流IdnA110505000.52.0上升時(shí)間ns0.51.00.10.50.050.5帶寬BGHz0.30.70.53.01.02.0偏置電壓VBV55105 從上表可以看出，PIN-InGaA

20、s二極管的波長適用范圍最廣，可用于波長較長的系統(tǒng)，性能很穩(wěn)定，為了提高光接收的靈敏度，往往把它跟場效應(yīng)管FET的前置放大器放在一起組成接收器件。 3.2 放大濾波電路 由于從光功率計(jì)探頭也就是PIN型光電二極管輸出的電流很小，電流信號的長距離傳輸?shù)目垢蓴_能力相對于電壓信號的要好很多，但是本次設(shè)計(jì)距離比較短，也要和后置電路與光探測器間的阻抗相互配合，所以有一個(gè)I/V電路來把電流轉(zhuǎn)化為電壓。 為了檢測微弱電信號，放大器要低噪聲，低噪聲的傳感器可以更準(zhǔn)確的檢測到信號，同時(shí)還能增大檢測范圍和提高靈敏度。期間還要完成這樣的一個(gè)過程：光電檢測器中通過的信號都混有噪音信號，其中帶有的噪聲要處理掉才能檢測待測

21、信號，將大部分的噪聲過濾掉，那么微弱信號經(jīng)過放大電路放大的幅值就可以調(diào)節(jié)為處理器需要的幅值。而前置放大電路進(jìn)行預(yù)放大，再濾波，最后后置放大電路再一次的放大從而輸出幅值適當(dāng)并且大部分噪聲也被過濾掉的信號。信號處理電壓信號電源信號光信號濾波與后置放大電路前置放大電路光電轉(zhuǎn)換器從圖中可以看出，光信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為電源信號，電源信號再由前置放大電路轉(zhuǎn)化為電壓信號，這就相當(dāng)于I/V電路把電流轉(zhuǎn)化為電壓，總共會放大兩次最終輸出信號。濾波器的設(shè)計(jì)濾波器的在電路中所起到的作用就是讓帶有一定頻率的信號在某個(gè)頻率范圍內(nèi)通過，而不在這個(gè)頻率范圍內(nèi)的信號就會被阻止。所以當(dāng)干擾信號和有效信號不是同一頻率范圍時(shí)，可

22、以讓有用的信號通過濾波器并抑制干擾信號讓它衰減了。濾波器都有一個(gè)通帶，就是當(dāng)信號通過濾波器時(shí)，讓信號衰減的最小的頻率段，理想的濾波器是沒有信號衰減的。放大器有輸出電壓那么它也就有噪聲電壓，放大器輸出信號時(shí)所測到的電壓和輸出噪聲電壓的比值被叫做信噪比。噪聲信號與信噪比之間呈反比的關(guān)系，說明混雜在信號中的噪聲越小，此時(shí)的濾波效果最好。帶通濾波器讓在規(guī)定波長范圍的波通過而不讓其他范圍的波通過。理想的帶通濾波器它的通過范圍應(yīng)該是穩(wěn)定的，因?yàn)椴ㄍㄟ^濾波器又從里面出來這個(gè)過程中是不會衰弱的，在通帶內(nèi)有信號衰弱和放大，以外的信號幾乎都被衰弱掉了。根據(jù)不同的器件對噪聲要求的不同，光電探測器中前置放大器有如下三

23、種類型：（1）低輸入阻抗前置放大器 輸入級能選用晶體管共基極電路，變壓器耦合，并聯(lián)負(fù)反饋等。該放大器具有電路結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是靈敏度低，噪聲大。（2）高輸入阻抗前置放大器 有高輸入阻抗前置放大器的光探測器，提供信號的電流就很低，所以在傳播信號的時(shí)候只需要有電壓信號電路就能正常工作。這就是為什么場效應(yīng)管比晶體管好的原因，此方案中可以采用場效應(yīng)管作為第一級輸出電路，優(yōu)點(diǎn)是噪聲低。（3）阻抗變換型前置放大器這種電路也叫電流-電壓轉(zhuǎn)化型電路，它的優(yōu)點(diǎn)有很多：噪聲低，頻帶寬，靈敏度高等，因此這種方案被廣泛應(yīng)用。根據(jù)以上三種前置放大器的比較，本次設(shè)計(jì)采用第三種阻抗變換型前置放大器。因?yàn)槭紫冉邮盏焦庑盘?/p>

24、的時(shí)候要進(jìn)行一次I/V轉(zhuǎn)換，因此這種放大器比較適用。 運(yùn)算放大電路 電壓信號經(jīng)過濾波器之后就是想要的待測信號，要把電壓信號通過儀用放大器放大，儀用放大器跟運(yùn)算放大器相比較，它設(shè)計(jì)簡單，放大效果也好，還能調(diào)節(jié)電壓信號更好地保護(hù)電路。 對放大器中芯片的選取是有要求的，首先，由于被檢測的電壓信號都比較小，為了避免電壓信號過小而檢測不到的問題，就要求輸入信號的偏置電流低；其次是低噪聲，檢測到的信號中不能混有較高的噪聲電流；再次是能有高輸入阻抗，有電壓信號整個(gè)電路就能正常工作而不需消耗電流；最后就考慮到價(jià)格。綜合以上條件，我們采用的放大器中的芯片是TL074.3.3 A/D轉(zhuǎn)化電路 CS5550是一種有

25、兩個(gè)可以讓信號通過的通路的A/D轉(zhuǎn)換器。之所以說它有兩個(gè)通路可以通過信號是因?yàn)樗鼉?nèi)部有兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，有兩個(gè)放大器。CS5550的串行接口可以連接到除單片機(jī)以外的其他設(shè)備，四條控制線分別為：CS引腳片選信號、SDI引腳作為數(shù)據(jù)輸入、SDO引腳作為數(shù)據(jù)輸出、SCLK引腳串行時(shí)鐘；當(dāng)CS為低電平時(shí)，端口就是SPI的總線端口，作為串行數(shù)據(jù)輸出的SDO的作用就是輸出A/D轉(zhuǎn)換之后的信號。在片選信號高電平時(shí)，SDO端口就是高阻狀態(tài)，而串行時(shí)鐘SCLK的作用就是控制串行端口數(shù)據(jù)的出入。除此之外，CS5550有一個(gè)引腳是中斷輸出INT，給它配備屏蔽寄存器就可以設(shè)置中斷，而且可以通過軟件來改變中斷高、低電平

26、或上升、下降沿有效。 CS5550A/D轉(zhuǎn)換器單片機(jī)連接就完成A/D轉(zhuǎn)換，一般的，單片機(jī)SPI接口有三個(gè)寄存器。其中，SPCB控制寄存器的作用是設(shè)置中斷、輸出順序、主/從形式和串行時(shí)鐘的特性；狀態(tài)寄存器只是用來設(shè)置CPU的狀態(tài)以及指令執(zhí)行前后的狀態(tài)。當(dāng)SPI發(fā)送數(shù)據(jù)完之后，狀態(tài)寄存器中斷標(biāo)志位就會置"1”。 入口否延時(shí)狀態(tài)寄存器置“1”標(biāo)志是延時(shí)將“啟動單次A/D轉(zhuǎn)換”命令寫入數(shù)據(jù)寄存器返回讀數(shù)據(jù)輸出存儲器轉(zhuǎn)換完成 讀狀態(tài)寄存器否是 流程圖中得知，只需要把命令字節(jié)寫進(jìn)SPSR狀態(tài)存儲器就會發(fā)送命令給CS5550了；然后只需在數(shù)據(jù)寄存器中讀取信息即可。這里有一個(gè)問題需要注意：向數(shù)據(jù)存儲

27、器SPDR寫入程序之前要先確認(rèn)狀態(tài)存儲器SPSR的中斷標(biāo)志位SPIF是否為置"1”狀態(tài)，如果不是，也有可能被發(fā)送的數(shù)據(jù)將被新寫入的數(shù)據(jù)銷毀。3.4 單片機(jī)控制電路因?yàn)閱纹瑱C(jī)有功能強(qiáng)大，體積也小，功耗低，成本小，使用方便可靠等的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用到監(jiān)控技術(shù)行業(yè)中使得工業(yè)發(fā)展更加現(xiàn)代化。 C8051系列單片機(jī)為核心的微處理器的應(yīng)用中，內(nèi)核有五個(gè)16位計(jì)數(shù)/定時(shí)器，兩個(gè)可以讓信號同時(shí)兩個(gè)方向傳播的全雙工信號通道功能的寄存器地址空間。以下是本設(shè)計(jì)方案中涉及到的單片機(jī)的幾個(gè)重要特性：（1） 運(yùn)行速度快，與8051兼容的CIP-51的內(nèi)核；（2） 系統(tǒng)調(diào)試接口有完全非侵入性的特點(diǎn)；（3）有12位真

28、正的模擬多路開關(guān)；（4）具有數(shù)據(jù)更新方式可編程的特點(diǎn)；（5）5個(gè)16位定時(shí)器都能通用；該微控制器芯片引腳功能都允許在5V的工作電壓下完成。 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 所有的單片機(jī)在進(jìn)行有序執(zhí)行應(yīng)用程序之前都會通過一次復(fù)位。單片機(jī)復(fù)位電路有多種，但其結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜。下圖是最基本的RC復(fù)位電路是用來說明以下復(fù)位電路的設(shè)計(jì)。 該電路中有一個(gè)復(fù)位開關(guān)，電容C2可以避免電路中的高頻率諧波的干擾，51單片機(jī)的復(fù)位可以通過外加周期完成?？墒?，通過實(shí)際操作發(fā)現(xiàn)R2的值如果太小，就會導(dǎo)致RST復(fù)位信號的執(zhí)行能力變差而不能完成復(fù)位功能。該電路存在的問題還有電壓不足，并且經(jīng)常調(diào)整RC值來改變延時(shí)就會導(dǎo)致上面所說的執(zhí)行能力變差

29、的情況，所以在設(shè)計(jì)復(fù)位電路的時(shí)候，既要注意執(zhí)行復(fù)位能力是否穩(wěn)定，還要考慮復(fù)位電路的抗干擾能力是否良好。因?yàn)樯厦娴碾娐反嬖陔妷翰蛔愕膯栴}，因此我們在設(shè)計(jì)的電路中可以加入續(xù)流二極管來解決電壓不足的問題，這一改善對復(fù)位電路的性能起到了重要的作用。下圖3-4-1（b）所示，是在基本復(fù)位電路中加入續(xù)流二極管做了改善的RC復(fù)位電路。 圖3-4-1（b）加入續(xù)流二極管后的復(fù)位電路3-4-2 晶振電路的設(shè)計(jì) 每一個(gè)單片機(jī)體系里的晶振對整個(gè)電路都有很大的功效，晶振的全稱叫做晶體振蕩器，它跟單片機(jī)內(nèi)部電路運(yùn)算所需要的時(shí)鐘頻率一起工作，時(shí)鐘頻率用來表示單片機(jī)運(yùn)算速度。時(shí)鐘頻率越大，單片機(jī)運(yùn)算速度更快，單片機(jī)的所有指

30、令都是晶體整蕩器提供時(shí)鐘頻率的基礎(chǔ)上執(zhí)行的。 圖3-4-2 外部震蕩器設(shè)計(jì)電路 單片機(jī)串口通訊總線SMBUS串口總線是單片機(jī)運(yùn)行體系中一條有強(qiáng)大功能的總線，數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送都是經(jīng)過這條線進(jìn)行的，它的使用就能避免用獨(dú)立的總制線。通過查閱資料，SMBUS雙向串行總線和串口傳輸數(shù)據(jù)可以通過接口自動控制。一般，一個(gè)控制主線上允許有多個(gè)主器件，SMBUS總線主設(shè)備：串行數(shù)據(jù)控制SDA、串行時(shí)鐘SLC控制、同步邏輯和啟?？刂齐娐贰４送膺€有及其相關(guān)的三個(gè)特殊功能寄存器分別為：控制寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、配置寄存器。配置寄存器是一個(gè)16位虛構(gòu)的寄存器， 可以用配置指令讓配置寄存器的值變化；數(shù)據(jù)寄存器就是用來發(fā)送和

31、傳輸數(shù)據(jù)。SMBUS工作電壓限度是在35V之間，各個(gè)器件的工作電壓也是不一樣的。串行時(shí)鐘線和串行數(shù)據(jù)線是雙向的，為了保證兩根線是高電平，必須將他們通過一個(gè)電路連接到電源電壓上，具體的做法是總線器件上的串行數(shù)據(jù)控制和串行時(shí)鐘控制都要漏極開路或者集電極開路即高阻狀態(tài)，要產(chǎn)生高電平，就要在電路中加入一個(gè)上拉電阻，電阻接5V電源，另一端連接芯片引腳。下圖3-4-3就是SMBUS總線的設(shè)置圖。 圖 3-4-3 典型SMBUS總線配置 電源設(shè)計(jì)部分在電路中220V交流電最終轉(zhuǎn)換為15V直流電，當(dāng)直流電壓作輸入是不穩(wěn)定的，所以要有個(gè)一個(gè)電路把不受控制的直流電壓轉(zhuǎn)換為受控制的電壓，這個(gè)電路就是DC-DC變換電

32、路。它把15V直流電壓轉(zhuǎn)換為電路所需要的12V直流電壓，再通過一次DC-DC變換器進(jìn)行線性調(diào)節(jié)得到5V直流電給單片機(jī)供電。整個(gè)電源電路的作用就是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電給各部分供電使用。本設(shè)計(jì)方案可以采用橋式整流電路。到這里關(guān)于單片機(jī)的各個(gè)電路設(shè)計(jì)已經(jīng)設(shè)計(jì)完，以下是對外圍電路的設(shè)計(jì)。第四章 外圍電路的設(shè)計(jì)4.1 I²C總線設(shè)計(jì)能把單片機(jī)跟外圍電路連接到一起的就是這節(jié)所說的I²C總線。它可以隨時(shí)監(jiān)控電路內(nèi)的多個(gè)參數(shù)，具備接口的線少，控制方式比較簡單，器件小等的優(yōu)點(diǎn)。I²C總線有兩根線，一根線是串行數(shù)據(jù)線，另外一根是串行時(shí)鐘線，當(dāng)總線空閑的時(shí)候，這兩根線都是高電平狀態(tài)，不

33、需要加任何的電路就能實(shí)現(xiàn)對個(gè)器件在總線上相互連接。 I²C總線接口的電路設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)方案中的主器件是微控制器， I²C總線上的從器件都會有它們特定的地址。主器件在發(fā)送通訊數(shù)據(jù)之前，都會先發(fā)送從器件的地址以確認(rèn)從器件是否要接收，如果從器件做出應(yīng)答，得到主器件的確認(rèn)，才會發(fā)送有效數(shù)據(jù)到從器件；不是這個(gè)器件的地址，數(shù)據(jù)線上的任何數(shù)據(jù)都不會得到響應(yīng)，那么你可以選擇數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)。 I²C總線的控制時(shí)序 數(shù)據(jù)傳輸總線上的時(shí)序如果符合 I²C總線的要求的話，那么 I²C總線上傳輸數(shù)據(jù)就可以有順序的進(jìn)行。只要時(shí)序符合，總線傳輸數(shù)據(jù)代碼的錯(cuò)誤率就會很低，

34、這樣單片機(jī)執(zhí)行任務(wù)的效率也就高很多了。下圖3-1-2所示是 I²C總線通訊時(shí)序圖。SDASCL 一般來說，I²C總線的數(shù)據(jù)傳輸過程需要經(jīng)過：總線數(shù)據(jù)申請、建立雙方通訊路徑、數(shù)據(jù)傳輸、總線的釋放四個(gè)步驟來完成。4.2 單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì) 因?yàn)?4系列E²PROM即電氣可擦除可編程只讀存儲器和單片機(jī)的接口連接簡單，所以本次方案中單片機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)就用E²PROM。下面介紹一下E²PROM的引腳功能。 三引腳A0、A1和A2是用來器件地址輸入的端口，在一條I²C總線上有多個(gè)設(shè)備連接時(shí)可以通過設(shè)置三個(gè)引腳設(shè)置設(shè)備地址；4腳接地；5腳是SDA

35、串行數(shù)據(jù)/地址輸入輸出端；SCL6引腳是串行時(shí)鐘信號端，數(shù)據(jù)送入E²PROM器件的SCL端時(shí)需要在外部電路中加一個(gè)上拉電阻達(dá)到高電平；7腳WP就是寫保護(hù)引腳用來保護(hù)電路檢查是否芯片處于數(shù)據(jù)寫入狀態(tài)；VCC8引腳是電源正極。下圖3-2所示是E²PROM與單片機(jī)接口連接的電路。 圖4-2 E²PROM與單片機(jī)接口連接電路4.3 按鍵設(shè)計(jì)光功率計(jì)控制部分的完成要鍵盤來實(shí)現(xiàn)，鍵盤主要完成的任務(wù)有：功能的選擇、置位、復(fù)位這三個(gè)。功能的選擇是要看具體有什么工作來決定；光功率計(jì)的置位是預(yù)先設(shè)置待測光的波長；復(fù)位有專門的按鍵來操作完成。鍵盤的設(shè)計(jì)中會有一個(gè)問題，比如我們在操作的時(shí)

36、候按了一個(gè)鍵，可是剛按下去的時(shí)候系統(tǒng)沒有檢測到輸入所以任務(wù)不會立即執(zhí)行，而是中間有一個(gè)小延時(shí)，如果過了25s這個(gè)輸入還在就判定為輸入；相反，則判斷為抖動。所以，在設(shè)計(jì)鍵盤的時(shí)候最重要的是去抖動。按照這樣的要求，系統(tǒng)將采用獨(dú)立的按鍵方式因?yàn)楣夤β视?jì)的按鍵較少，還要通過中斷的方式獲得鍵盤的鍵入狀態(tài)。 鍵盤去抖動機(jī)械按鍵在按下時(shí)會產(chǎn)生不規(guī)則、無規(guī)律的機(jī)械振動，從而會影響單片機(jī)偵測高低電位信號，因此，在涉及機(jī)械按鍵的設(shè)計(jì)中，需要考慮去抖去除機(jī)械抖動，去抖可通過程序編寫實(shí)現(xiàn)。由于機(jī)械抖動，因此導(dǎo)致按鍵所對應(yīng)的引腳在抖動器件所接收到的電位信號是變化的，無一固定值，從而無法判斷高低電位。通過軟件去抖的思路是

37、：機(jī)械抖動的時(shí)間相對于按鍵按下的時(shí)間短的多，因此可以在單片機(jī)引腳監(jiān)測到電位變化時(shí)，經(jīng)過一段很短時(shí)間的延時(shí)，再檢測一次，如若在延時(shí)后電位還是變化的，即可判斷按鍵按下，針對于不同的按鍵，延時(shí)的時(shí)間長短不一，許多次實(shí)物檢測后方能找到合適的去抖時(shí)間。 按鍵的識別鍵盤上的每一個(gè)按鍵都有其相對應(yīng)的鍵號，而每個(gè)鍵號都有給它設(shè)定對應(yīng)的二進(jìn)制代碼。在操作過程中某一個(gè)按鍵被按下，與之對應(yīng)的二進(jìn)制代碼就被讀取，系統(tǒng)根據(jù)讀取到的信息判斷相應(yīng)的鍵閉合，這些都要通過軟件完成。工作過程為：（1） 系統(tǒng)首先識別是否有按鍵閉合；（2） 判斷閉合的按鍵所在的行、列（3） CPU根據(jù)系統(tǒng)所識別到的按鍵的狀態(tài)特征讀取按鍵對應(yīng)的程序編

38、碼，最終完成該按鍵的功能。本次設(shè)計(jì)的光功率計(jì)有4個(gè)按鍵，其中：一個(gè)復(fù)位鍵S0、一個(gè)設(shè)置所測量中心波長的鍵S1、一個(gè)選擇測量單位W（mW、uW、nW)按鍵S2、還有一個(gè)測量鍵即測量功率開啟鍵S3。4.4 液晶顯示及接口電路LCD數(shù)碼顯示器在生活中很常見并且它的控制電路也比較簡單，在本次設(shè)計(jì)中可以用LCM12864點(diǎn)陣液晶顯示屏，一邊是連接電路的導(dǎo)電橡膠的液晶顯示器，另一側(cè)裝有驅(qū)動器和一個(gè)控制器，漢字和數(shù)字可以由程序輸出。下圖為LCD邏輯圖。DB0DB7 RS R/W RSTSeg DriverCOM Driver 1VDDVSSSeg DriverSeg DriverCOM 01 LCD Pan

39、elCOmM02 . . . COM64DC-DCPower Circuit 圖4-4 LCD數(shù)碼顯示器邏輯圖第五章 軟件部分我們都知道，單片機(jī)內(nèi)部會進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理、輸出三部分，但是對數(shù)據(jù)驚醒必要的處理也是很重要的，一些硬件不能實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)的處理就要用軟件來實(shí)現(xiàn)。下面是光功率計(jì)程序的流程圖。 開始如果一次轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤就取固定值繼續(xù) 結(jié)束將計(jì)算后的功率值送到液晶顯示器顯示根據(jù)公式進(jìn)行和對數(shù)運(yùn)算 數(shù)字濾波取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換之前進(jìn)行初始化系統(tǒng)初始化 從上圖可以看到，上電復(fù)位后要進(jìn)行初始化，其中有對振蕩電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、端口設(shè)置等的初始化。初始化設(shè)置后，進(jìn)行主程序循環(huán)，進(jìn)行命令的識別

40、、處理、完成額協(xié)助各部分軟件和硬件工作。以下是A/D轉(zhuǎn)換電路的程序片段，主要代碼如下：/外部中斷服務(wù)函數(shù)void interup_reg_int() interrupt2 if(flag=1) flag=0;SBUF=abc_data; SCLK=0; CS=0; write_to_register(0x5e,Oxff,0xff,0xfe);/*清狀態(tài)寄存器*/transfer_byte(0x0e);/*讀輸出寄存器1*/ for(a=0;a<3;a+)for(b=0;b<8;b+) RECVDATA<<=1; if(SDO) RECVDATA|=0x01; else

41、RECVDATA&=0xFE; SCLK=1; delay(); SCLK=0; if(b+1)%8=0)SDI=0； elseSDI=1; delay(); if(a=0) adc_data=RECVDATA; SCLK=0; CS=1; delay(); /寄存器寫入函數(shù)void write_to_register(unsigned int command,unsigned int high,unsigned int mid,unsigned int low)SCLK=0;CS=0;delay();transfer_byte(command);/發(fā)送命令transfer_byte(

42、high);/發(fā)送高八位數(shù)據(jù)transfer_byte(mid);/發(fā)送中間八位數(shù)據(jù)transfer_byte(low);/發(fā)動低八位數(shù)據(jù)SCLK=0;CS=1;/字節(jié)發(fā)送函數(shù)void transfer_byte(unsigned int dat)unsigned char i;SCLK=0;CS=0;delay();for(i=0;i<8;i+) if(dat&0x80)=0)SDI=0; else SDI=1; SCLK=1; delay(); SCLK=0; dat<<=1;第6章 實(shí)驗(yàn)調(diào)試過程在調(diào)試之前首先再強(qiáng)調(diào)一下光電轉(zhuǎn)換的過程。把帶有一定功率的光信號經(jīng)過光

43、電轉(zhuǎn)換電路后得到很弱的電流信號，再通過濾波電路把混在一起的噪聲電信號過濾掉，其次，濾波電路中有變阻器將轉(zhuǎn)換過來的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，這個(gè)電壓信號最后通過放大器轉(zhuǎn)換為符合電路需要的電壓信號。單片機(jī)連接圖 本次設(shè)計(jì)中采用的是AT89C51，因?yàn)樗男詢r(jià)比高，價(jià)格便宜，能滿足基本應(yīng)用的需求，因此在自動化行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。上圖是單片機(jī)連接圖，其中有一個(gè)單片機(jī)，兩個(gè)譯碼芯片，還有外加復(fù)位電路和數(shù)碼管顯示器。如圖所示兩個(gè)譯碼芯片中上面的譯碼芯片是位選芯片，它相當(dāng)于總開關(guān)，控制數(shù)碼管在哪個(gè)位置顯示，而下面的段選譯碼芯片是控制要顯示的內(nèi)容，舉個(gè)例子：比如單片機(jī)得到命令要讓數(shù)碼管第一個(gè)顯示數(shù)字2，那么第一個(gè)就是位選，數(shù)字2就是段選，這樣理解起來就簡單多了。這部分仿真使用Keil軟件完成的，因?yàn)樗诜抡孢^程中生成代碼非?？?，編譯程序的時(shí)候能檢查到錯(cuò)誤的地方和警告，所以對整個(gè)過程來說很方便。設(shè)計(jì)功率計(jì)最重要的部分就是轉(zhuǎn)換之后的電壓信號要放大，并且能夠