基于Labview與Proteus消光系數測試系統設計

劉冀洵

【摘要】紅外夜視技術在戰爭中有著重要的地位，而紅外消光材料是實現電子對抗無源干擾的重要手段之一，研究紅外消光材料的性能變得極其重要，紅外消光系數是紅外消光性能的重要參數，因此做出了一個測試紅外消光系數的系統來判斷紅外消光性能，該測試系統的理論基礎是郎伯定律、能量與電壓理論；系統由兩大部分組成，Labview作為上位機，以及單片機作為下位機。Labview作為上位機接受下位機傳來的數據，并且對數據進行處理，然后顯示在虛擬示波器上面，以及對下位機進行控制；下位機主要由單片機組成，把測量的數據通過串口原理傳送上位機。在測量的過程中可以對數據進行實時檢測，測量的結果表明系統的可行性與穩定性。

【關鍵詞】紅外；消光；測量

一、引言

隨著科技的發展，對光學的研究也越來越深入[1-6]，眾所周知，在夜視技術的發展中，紅外熱成像有著舉足輕重的位置，尤其在隱身，制導等領域中的廣泛運用大大提高了夜戰能力水平。而增強目標的隱蔽性能有兩種方式：其一是降低目標本身的清晰度，但這種方式實現難度較大成本投入也較高；另一種方式可以通過運用紅外消光材料的消光作用干擾對方的紅外熱成像探測系統，以實現我方目標的隱藏。因此材料消光性能的檢測在實際應用中具有重要地位，而紅外消光系數是表達紅外消光性能的參數。國內研究主要以煙幕箱為主，缺點是不可以進行實時檢測，沒有實現自動化測量。本文基于Proteus作為單片機仿真軟件，然后做出單片機實物，Labview[2]做為上位機軟件，與單片機進行串口通信，在電腦上面對單片機[7-``]發來的信號進行處理與顯示，做出一個紅外消光系數檢測系統。

二、系統原理

（一）理論原理

目前用于測量紅外消光系數的理論[4]主要是朗伯定律，朗伯（Lambert）定律可以闡述為：光被透明介質吸收的比例與入射光的強度無關，因此在光程上每等厚層介質吸收相同比例值的光，而光被吸收的量正比于光程中產生光吸收的分子數目。

紅外吸收系數參數：

（1）

Io開始的能量，I經過物體之后的能量，吸收系數，c物體的密度，l紅外經過的長度。

根據紅外吸收系數的計算公式，再通過各個參數的測量取值，然后帶入計算式，即可獲得特定波長下相應材料的紅外吸收系數。為了是結果更準確，我們在測量取值的時候可以多次測量取得其平均值作為參考量。

知道了薄膜的吸收系數a和照射光波長l，即可利用以下公式計算薄膜的消光系數k[12-20]：

（2）

（二）測量原理

要測量紅外消光系數必須要知道消光前后能量的變化，而紅外接收二極管只可以測得兩端電壓變化，其中電壓與能量的關系如下：

紅外的光強強度與測量儀器的電壓、電流之間的關系：

I=KUaLb （3）

其中I為流光電阻兩端的電流；K為光強比例系數；U為光電阻兩端的電壓；

a為電壓指數，近似為1；L為光照強度；b為照度指數。

光強公式可以作為我們數據處理方法可行性的理論證明。

設為初始化的電壓與光強的數據，為測得某種材料時候的電壓與光強的數據，由公式得以下結論：

（4）

（5）

由此可以根據前后的電壓比值計算出介質的吸收系數a，然后把a帶入公式（1）、（2）并單位化得：

（6）

三、硬件設計

（一）Labview設計

labview[21-26]實現的功能是與單片機進行串口通信，處理單片機傳過來的數據，再在電腦上面顯示單片機傳送過來的數據顯示在電腦上面。具體過程：通過數據采集板接受單片機發來的數據，當串口狀態為真時，調用串口屬性節點”Bytes at Port”，如果串口緩沖區有X字節的數據就接收X字節的數據。最后，用一個狀態機來實現相鄰兩個字符串的判斷。如果串口在相鄰兩個字符串之間接收時間大于50ms，則判斷為兩個獨立的字符串；如果小于50ms，則自動拼接前后兩個字符串。

（二）Proteus設計

硬件的設計由以下幾個部分組成：穩壓源模塊，紅外發射模塊，紅外接收模塊，51單片機模塊和信號放大模塊，0808A/D轉換模塊以及液晶顯示模塊。

（1）紅外發射/接受模塊：

本章選用的是配對的940nm波段紅外發射與接受二極管，利用紅外發射管的光電特性，VI特性，和環境溫度特性，再利用所選取相對簡單的一個測量量，然后推出其余的變量。

（2）0808A/D轉換模塊：

ADC0808是8位逐次逼近型A/D轉換器。它由一個8路模擬開關、一個地址鎖存譯碼器、一個A/D 轉換器和一個三態輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8 路模擬量分時輸入，共用A/D 轉換器進行轉換。三態輸出鎖器用于鎖存A/D 轉換完的數字量，當OE 端為高電平時，才可以從三態輸出鎖存器取走轉換完的數據。在本實驗中選擇IN0通道作為信號輸入，ADC0808的OUT口作為信號的數字輸出。

（3）單片機模塊

本文選用的是STC89C52RC單片機，單片機的作用是控制0809A/D轉換和labview進行串口通訊。具體的管腳連接為：單片機的P3管腳和A/D0809的信號輸出端連接。

四、數據分析

在紅外發光，接收管兩端電壓為1.2V（這個時候發射的光線940nm紅外，接收頭接收紅外是最好的），發光管與接收管之間的距離<1cm的情況下測量了以下兩種數據。

表1 光子晶體消光系數

時間（分鐘） labview測量值（10-6） 理論值（10-6）

10 11.601 11.602

15 11.608 11.603

20 11.608 11.602

25 11.611 11.603

30 11.606 11.602

表1測量的是光子晶體的消光系數，系統在不同時間對玻璃片的消光系數測試結果，其中每組數據都測量了10次，取其平均值得出下面列表。在測量的過程中，Labview系統穩定的測量，從表中數據可以看出，測量值與理論值之間的誤差在，根據通用誤差判斷標準10%*10-6，，系統滿足系統有良好的可靠性。滿足測量的要求。

五、總結

對紅外消光測試系統進行了消光仿真，與測量對比，驗證了系統的可行性與可靠性以及穩定性，為后續的仿真和控制打下了良好的基礎。依據串口通信原理建立了單片機和Labview之間的聯系，實現了基于接口方式的多領域交互式仿真設計環境的構建[27]。Labview軟件強大的前面板功能設計作為人機交互界面。整個過程可視化了電壓變化，完成精確的壓力需求分析。Labview和單片機的聯合能夠實現電路、控制等領域的綜合仿真設計[28-30]。本系統實現了電動化測量紅外消光系數，以及可以對數據進行實時的測量，有良好的穩定性與可靠性。

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