基于AT89C51芯片控制的激光功率計的設計

田 東

(西安郵電大學 計算機學院， 陜西 西安 710121)

基于AT89C51芯片控制的激光功率計的設計

田 東

(西安郵電大學 計算機學院， 陜西 西安 710121)

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

光電傳感；功率檢測；實時顯示;單片機

隨著光電子技術產業的迅速發展，激光作為一種非常重要的光源，廣泛的應用于大屏幕顯示、照明、激光打印、激光醫學、光信息處理等諸多等領域[1-2]。特別是在實際生產工藝環節中，對激光功率的輸出穩定性要求尤為嚴格，例如在工業生產流水線上，利用激光散斑技術，對產品零件的外形進行實時監控，要求激光功率輸出比較穩定，這就需要借助光功率計對激光器的功率輸出進行實時監控，才能給處理平臺提供可靠的檢測數據。因此，激光功率計的研制具有非常重要的工程應用價值。目前，國內生產的光功率計，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、快速響應和大功率、低速響應的激光功率檢測，但價格一般比較昂貴。為此，本文選用價格低廉的AT89C51單片機和硅光電二極管作為控制和光電傳感元件，設計出一種激光功率檢測系統，能夠實現對He-Ne激光器的輸出功率進行實時檢測和結果顯示。

1 系統結構

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

圖1 系統總體設計框圖

1.1 光電傳感探頭的選擇

硅光電二極管的線性工作區位于可見光和近紅外區域，且具有靈敏度高，響應速度快等特點[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 光電轉換處理電路的設計

激光功率檢測系統的外圍電路由信號處理電路和A/D轉換電路兩部分組成。

1.2.1 信號處理模塊設計

采用多級電壓放大電路和后級濾波電路共同作用的設計思路，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作為運算放大器[5-6]，來搭建光電轉換電路，如圖2所示。

圖2 光電轉換電路原理

采用RC元件與運算放大器組成濾波電路，借助二階低通和帶通濾波器構成的后級濾波電路[7]，實現對信號的濾波處理。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轉換電路設計

利用光電傳感探頭實現光電信號轉換，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行采樣采集，最后通過A/D轉換電路將電壓模擬量轉換為數字量。

電路設計如圖5所示。

圖5 A/D 轉換電路

1.3 輸出與顯示電路的設計

采用數碼管作為顯示屏，實現對測量結果的實時顯示，數碼管顯示電路如圖6所示。

利用單片機作為核心控制平臺，通過信號處理模塊，A/D轉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 數碼管顯示電路

2 系統軟件設計

將光電探頭采集到的光信號變換成模擬電壓信號，實現激光功率值的實時顯示。軟件部分總體上分為A/D轉換模塊和數碼管顯示模塊兩部分，其中A/D轉換模塊包括數據接收程序和數據處理程序兩部分，采用C語言[8]完成程序的編寫，系統軟件設計結構如圖7所示。

圖7 系統軟件總體結構

3 系統測試

為驗證所設計的激光功率計的功率采集精度，選擇在具有良好穩定性的精密光學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；利用可調衰減器(偏振型)實時調節輸出激光強度；利用分束鏡(1∶1)獲得兩束強度相同的激光束，分別入射到標準功率計(TES-1335)和待測功率計的光強探測區域。整個測試過程中，在相同強度的激光激勵下，測試次數均大于10次，然后將標準功率計所得結果進行平均處理，得到標準功率值，測試結果如圖8所示。

根據測試結果可知，所設計的激光功率計的線性測試范圍為0.5～1.8 klux。當光照度為1.8 klux時，所設計的功率計測量值與標準功率計所測結果相比，最大誤差值為5.4%，小于6%的標準偏差值，具有較高的測試精度。因此，所設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系圖

4 結束語

采用硅光電二極管作為光電轉換傳感探頭，選擇AT89C51單片機系統作為控制平臺，設計一種激光功率檢測設備。通過與標準功率計的測量結果對比，所設計的功率檢測系統具有線性響應良好的優點，能夠實現對波長為633nm的激光功率的測量。

[1] 楊照金，王雷. 激光功率和能量計量技術的現狀與展望[J].應用光學,2004,25(3):1-4.

[2] 董軍，柴寶玉，田學彬. 液晶顯示技術產業發展概述[J]. 西安郵電學院學報, 2012,17(3):102-104.

[3] 李秀梅，吳群勇，肖韶榮. 發光二極管的光電特性測試[J].物理實驗, 2013,33(12)：1-3.

[4] 陸兆丹，宓現強，李鐵軍. 一種雙單片機激光功率控制系統的軟件抗干擾方法[J].應用激光, 2011,31(6):494-496.

[5] 劉建朝. 微弱激光功率計研究[D].天津:河北工業大學,2007：8-12.

[6] 柴鈺. 單片機原理及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社,2009:45-123.

[7] 康華光. 電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社,1999:155-189.

[8] 郭天祥. 51單片機C語言教程[M].北京:電子工業出版社,2009:56-69.

[責任編輯: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