近红外连续激光功率计

1、2013届毕业生毕业设计说明书题 目: 近红外连续激光功率计设计 2013年05月29摘 要随着光电子技术的迅猛发展，光信号在探测灵敏度，光谱响应范围及频率特性等方面要求越来越高。由于硅光电二极管在测量光信号时具有响应快，灵敏度高，线性好，噪声低，性能稳定，工作在可见光和近红外区域等特点，故近年来在激光功率测量中获得了广泛的应用，尤其是在测量微瓦级以下的激光信号时更显得重要。由于硅光电二极管自校准技术的发展，可以简单地测出它的对应某一波长激光辐射之绝对光谱响应灵敏度，其不确定度在万分之几到千分之几，可用作激光微小功率测量的标准。据此，本文在总结国内外在连续激光功率计量测试领域的一些研究成果的基

2、础上，研究以硅光电二极管为探头元件，利用AT89C51 单片机系统制作成外围电路，将硅光电二极管采集到的光信号进行放大，通过检测经过放大电路后产生的电压信号进行测量激光功率的方法，以实现医用激光功率实时检测，设计并初步制作完成了激光功率实时测量系统。该测量系统与传统的激光功率计相比，具有测量单一波长功率、线性度好、灵敏度高、响应速度快、分辨率高、量值准确、使用可靠、制作成本低的特点。另外，一般功率计的探头吸收激光后，探头表面会积聚大量的热量，如果散热不及时很容易造成光敏元件的损坏，所以对探头的散热效果要求较高，如果探头加上散热装置后整体体积较大。本课题研究采用从强光束中按比例分出微弱光，对其进

3、行功率测量从而反映强光束功率的方法，它不需要另外配备散热装置，再由于硅光电二极管本身体积很小，测量系统的探头部分完全可以封装到激光器内部，而且不再采用传统的数码管或独立的液晶屏显示，被测功率大小最终由PC 机实时显示出来。这是本次研究中的一个主要特点，由于探头完全封装在激光器内部，测量的是微弱光信号，从而有效地避免了背景噪声和电路热噪声的影响。目录1 概述11.1 选题的背景与意义11.2 研究开发现状21.3 课题的任务要求42 总体方案论证43 硬件设计63.1 AT89C5173.2 探头的选择83.3 电流电压转换电路93.4 放大滤波电路123.5 A/D转换电路143.6 显示电路

4、163.7 电源184 系统软件设计184.1系统软件总体设计184.2 系统主程序设计194.3 按键扫描程序设计204.4 A/D转换程序设计214.5 显示程序设计22结 论25致 谢26参 考 文 献27附原理图281 概述随着技术的不断进步，激光技术在各行业中得到了广泛的应用，对激光功率的测量技术也提出了更高的要求。传统的激光功率测量系统设计是在探测器输出信号后，经过放大，A/D转换，直接数字显示，同时有调零电路、定标电路，对于光电型，还有波长选择开关。随着电子技术的发展，这种设计方法显然已经过时，当前的设计采用单片机技术，使用测量电路和微机接口、软件和硬件相结合，实现智能测量，使采

5、集和处理测量数据有单片机来完成而不需要人来操作，可以在特殊的环境中完成测量。此次设计是基于单片机的近红外连续激光功率计，完成本次设计的关键是解决探头选择、电流-电压转换电路、信号电压的放大和调理电路、A/D转换电路、单片机的选择、显示电路等问题。1.1 选题的背景与意义激光在日常生活各个领域中有着广泛的应用，激光焊接、激光切割、激光测距、激光武器、激光治疗、激光热处理等等13。1、在医学中，激光光谱像素激光是一种全新的激光换肤模式，由于这项技术具有无创、操作方法简便、手术后在家修养、效果显著的特点，在国外开展的十分广泛。2、在军事上，装在枪上的激光瞄准器是用来瞄准的，能快速瞄准目标，提高出枪速

6、度和准确度。大功率的激光可以击毁导弹和卫星，用于反导和反卫星。3、在激光检测方面，由于激光技术的精确性，在我们生活中激光检测应用越来越广泛。例如激光散斑技术在农产品检测中的应用，激光散斑技术灵敏度高，操作简单，作为一种新颖的无损快速检测技术已经受到越来越多的关注。4、在激光制造方面，随着激光制造技术的快速发展，激光技术已经在工业领域得到广泛的应用。激光加工技术具有无接触、效率较高、便于实行数控、可进行特殊加工等优点,在切割、焊接、表面热处理、新材料制备等方面得到了广泛应用。激光功率计是测量激光功率大小的仪器，是激光完成不同功能中必不可少的测量仪表。随着我国激光技术的迅速发展，激光功率计的需求量

7、与之剧增，特别是用于现场测量的便于携带、操作简单、性能稳定的激光功率计。目前国内所需的激光功率计大多依靠进口，国外功率计普遍价格偏高，所需配件品种多，使用操作复杂；而国内同类测量仪器存在价格偏高且测量精度偏低的不足17。随着电子技术的发展，特别是单片机的出现和广泛应用，测量仪器领域正在发生一场新的技术革命，测量仪器的智能化已成为现代仪器仪表发展的主要方向。本次设计就是应用单片机，模数转换器和显示电路设计的一种简单的激光功率计，这大大提高了功率计的测量精度和智能化水平。1.2 研究开发现状 为了满足不同激光输出的测量和激光功率计的标定，研究开发了不同类型的激光功率计以满足不同的类型激光功率测量的

8、要求。目前，已发展成熟的测量功率计主要有量热型、光电型和热释电型等10。1、量热型激光功率计。量热型激光功率能量计是利用吸收体吸收光之后转变为温升，通过测量温度变化来测量激光功率或能量。量热型激光功率计主要应用于高功率连续波激光测量，其主要工作原理也是激光的热效应。吸收体吸收全部入射激光辐射后，温度升高，通过测量洗后提的温度升高，再利用相应的计算公式得到激光功率能量值。这类仪器的优点是结构简单、使用方便、测量波段宽、容易通过等效电加热进行校准。其缺点是响应慢，测量周期长，高强度激光作用下容易破坏。2、光电型激光功率计。光电型激光功率计利用光电探测器( 光电管、光电倍增管、光电池、光电二极管)

9、做成的第二代激光测量仪器，具有响应速度快、灵敏度高等优点，特别适于脉冲激光测量。对于普通的光电二极管，功率线性范围为纳瓦至毫瓦级，因此，光电型激光功率计主要用于激光小功率和微能量的检测20。国外已发展了许多光电型能量计、功率计和综合测试仪。近几年来, 光电探头作为组合式仪器的一个可互换测量单元已大量推广使用。如美国激光精密仪器公司的RS5900系列带微机的辐射计就配有RSP595型硅探头。RJ-7000系列带微机的能量计配用RJP765型硅探头，在0.3-1.1微米波段内可测最小能量达5xl0-13焦尔。近几年来国内光电功率计、能量计也逐渐发展起来, 已有了几种定型产品。重庆市光机所研制的LE

10、M-1型光电自积分激光能量计用快速光电二极管作光电转换元件，响应速度快，可测10毫焦尔至10焦尔单脉冲和重复脉冲的总能量，电表指示可长期保持。该仪器采用通过式接收头，测量时不影响主光路使用。由于使用了漫反射混光取样接收，解决了小元件接收大光斑的困难，大大提高了仪器的均匀性和耐辐射强度，也适于大功率脉冲激光能量测量。3、热释电型功率计。某些材料的自发极化随温度变化，当吸收外界辐射产生温升时，将引起电偶极矩变化，从而在材料表面产生电荷，形成电场，这就是“热释电效应”。热释电性激光功率计是利用材料热释电效应进行探测。探测器的热敏单元通常为热电晶体，它可以产生于吸收热量成正比的电荷。国外对热释电探测器

11、的研究非常重视。美国激光精密仪器公司和NBS( 美国国家标准局)联合研制的电校准热释电辐射计获得了1975年美国100项工业研究奖。近几年来国外又发展了一批用微机运算和控制的新型热释电辐射计。热释电探测器虽然对测量重复买车大于5000Hz激光非常有用，但这类探测器耐用性差。因此，只要不是测量单脉冲激光功率，且激光平均功率满足要求，不要使用此类探测器。为了满足不同波长、不同功率大小的激光的测量，研究开发了不同类型的激光功率计探头。目前，已发展成熟的测量功率计探头有光电探头、热敏探头、热释电能量探头。1.光电探头。光电探头用于连续或者脉冲激光的低功率测量。半导体光电二极管将入射的光子转换成载流子（

12、电子和空穴），从而可以电压或者电流的形式探测。光电二极管精度高、噪声低，是精确测量低功率的理想工具；响应速度快，可以用来查看脉冲形状。光电探头的饱和阈值大约是1mw/cm2, 所以在测量高功率时应使用衰减片18。光电探头的激光频谱响应范围非常窄，空间均匀性也大大地低过热敏探头，测量均匀性差或者指向稳定性差的光束时的重复精度较差。2.热敏探头。热敏探头适合测量连续激光的功率、脉冲激光的平均功率或者脉冲串的总能量。热敏探头吸收入射激光辐射，转换成热量，热量最终传导到热沉当中，热沉由水或者空气冷却散热，从而温度能够维持相对的稳定5。吸收点与热沉点处的温度差异通过热电偶结转换成电信号，反映入射激光功率

13、。热敏探头可接受的激光频谱宽度和功率范围都非常宽，空间均匀性也非常高，不受光斑尺寸、光点位置或光斑不均匀性的影响。不采取任何补偿或加速措施的情况下，热敏探头的响应时间大约是1-45秒，根据探头的尺寸而有差异。3.热释电探头。热释电探头适合测量脉冲能量。热释电探头采用铁电晶体，这些晶体的电偏振度是永久不变的，入射光加热晶体，改变偶极距，产生电流。因为热释电探头只响应温度变化率，所以被测量的光源应当是脉冲的或者经过调制的。热释电探头在测量能量时的表现就像电容，将脉冲积分，输出电信号，信号的峰值正比于脉冲能量。1.3 课题的任务要求此次设计是基于单片机的近红外连续激光功率计，完成本次设计的关键是解决

14、探头选择、电流-电压转换电路、信号电压的放大和调理电路、A/D转换电路、单片机的选择、显示电路等问题。 (1)探头的选择：怎样根据我们要测量的激光的波长范围和功率大小来选择合适的激光探头。(2)电流-电压转换电路：怎样选择合适的电流-电压转换电路把光电探头输出的电流信号转换成电压信号。(3)信号电压的放大和调理电路：怎样选择合适的电压放大和调理电路使电压信号满足A/D转换器的输入要求。(4)A/D转换电路：根据选用的单片机，怎样选择合适的A/D转换器与之相匹配。(5)单片机的选择：根据接口资源、存储大小等因素选择合适的单片机。(6)显示电路：怎样选择合适的显示器对测量结果进行显示。(7)键盘控

15、制电路：根据经济、使用等因素选择合适的键盘。(8)最小单片机系统设计：怎样设计最小单片机系统，才能使单片机正常工作。2 总体方案论证此设计是利用单片机、A/D转换器和显示器再结合光电检测技术而设计了一种激光功率检测系统。该系统特点是原理简单，造价低廉，智能操作，方便实用，误差小，精度高。它采用单片机自动采集光功率信号，然后对采集的数据进行处理。由于该系统与单片机的结合，实现了检测过程的智能化，因而操作方便。它的系统组成框图如图1所示。图2.1 系统组成框图1、本系统比较关键的部分是连续激光信号的采集，所以光电探头的选择直接影响了系统的精度和功能实现。光电探头感受入射在其上面的光功率，并把这种光

16、功率的变化转换成相应变化的电流。目前，适合于激光功率测量的光电探头有光电二极管探头，光电晶体管探头，热敏探头，热释电探头。由于本次设计是为了实现对数百毫瓦量级的连续近红外激光的功率大小检测，所以本设计采用光电二极管作为探头。光电二极管受温度影响比较小，而且工作偏压低，不需要任何控制等优点，具有广泛的应用市场。2、本系统采用AT89C51作为系统的核心控制单元。AT89C51是美国ATMEL公司生产的与MCS-51系列单片机完全兼容的高性能CMOS 8位单片机，MCS-51系列单片机以其推出时间早、配套资源丰富、开发手段完善、性价比高等特点而得到了广泛的应用，是单片机的主流品种。3、激光作用在光

17、电二极管上，光信号经过光电二极管，再经过电流-电压变换电路转换成电压信号，此时电路输出的电压为模拟量，要实现用单片机去采集连续变化的电压量并最终传送给计算机，再由计算机实时显示出来。首先必须用A/D转换器将电压模拟量转换成数字量。在电路中A/D转换采用8路8位A/D转换器ADC0809，其完成一次A/D转换所需的时间大于100s，单片机采用AT89C51，它具有4K 字节的Flash 程序存储器。在单片机AT89C51与ADC0809的接口设计中，由于系统只对一路信号进行A/D 转换，所以改变传统的单片机通过读写操作实现对ADC0809 的转换控制，而采用单片机AT89C51 的I/O 口模拟

18、ADC0809 的转换控制时序，使得AT89C51 与ADC0809的接口设计更为简单。4、显示器主要有以下几种形式： CRT显示器：显示信息量大，操作方便，显示界面友好，但价格高，适用于采用工控机作控制器的场合。 工业人机界面（触摸屏）：和CRT显示器一样，具有显示信息量大，操作方便，显示界面友好，适合恶劣的工业环境使用等特点，但价格更高，一般与PLC配套使用。 LED或LCD数码显示器：价格低廉、体积小是其最大优点，应用于以MCU为控制器的系统中较合适。考虑价格及系统构成等因素，显示器采用LED数码显示器。5、按键是智能光功率计的控制部件，它主要的任务是：功能选择，根据工作要求选择程序的流

19、向；仪器复位，又一专门的复位键完成仪器复位。由于本系统所用到的按键数量较少，采用独立式按键方式设计键盘，系统通过软件查询方式来获取键盘的状态。本系统共有S0为复位键，功能是对单片机系统进行复位；S1为启动测量键，对激光功率进行测量启动。光电二极管采集的激光信号转换为与之对应的电流信号，电流信号经过电流电压转换电路把电流信号转换为电压信号，然后经过信号的放大与调理，再经A/D转换器把模拟信号转换成数字信号，通过单片机的I/O口输入到单片机进行处理，结果输出到LED显示器显示出来。 2、软件部分软件模块主要分为四个部分。首先是通过检测键盘的状态确定是否启动测量，当S1按下时启动主程序；在主程序中对

20、单片机进行初始化处理，并调用A/D转换程序对A/D转换器的发出的信号进行接收，然后单片机对接收的信号进行处理，结果存储在显示缓冲区，再调用显示程序把结果在LED显示器中显示出来。 3 硬件设计总体的硬件设计框图如下图3.1：图3.1 硬件设计框图总体的硬件设计可以称为控制系统设计，以AT89C51单片机为核心。采用机械式按键对单片机进行控制，单片机通过检测启动键是否被按下，进而判断是否启动测量。3位数码管显示器负责对测量的信号参数进行实时显示，数码管显示是通过单片机来控制的。此次设计中，最重要的硬件设计部分是对光电二极管输出的信号进行转换、放大、滤波的部分。光电二极管输出的电流信号通过芯片CA

21、3140组成的电流电压电路转换成电压信号，电压信号再经过芯片LM358组成的二级放大电路和有源低通滤波电路转换成合适的电压信号，将电压信号输入给芯片TLC549进行模数转换转换成数字信号输入给AT89C51单片机，单片机对信号进行处理然后输入给3为数码管进行显示。3.1 AT89C51单片机是微型机的一个主要分支，它在结构上的最大特点是吧CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算机。本次设计微控制器采用AT89C51。AT89C51是美国ATMEL公司生产的与MCS-51系列单片机完全兼容的高性能CMOS 8位

22、单片机，MCS-51系列单片机以其推出时间早、配套资源丰富、开发手段完善、性价比高等特点而得到了广泛的应用，是单片机的主流品种。AT89C51的内部资源主要包括：高性能8位CPU；4K字节可重复编程的Flash存储器；128字节的SRAM；4个8位可编程的并行口，共32条I/O口线；2个16位的定时器/计数器；5个中断源，2个中断优先级的中断系统；一个全双工可编程的串行通信口；两种低功耗工作模式，即空闲模式和掉电模式；内部振荡器。单片机最小系统及其按键控制电路如图3.2所示：图3.2单片机最小系统及其按键控制电路3.2 探头的选择为了满足不同波长、不同功率大小的激光的测量，研究开发了不同类型的

23、激光功率计探头。目前，已发展成熟的测量功率计探头有光电探头、热敏探头、热释电能量探头。本次设计采用的是光电二极管作为功率计的探头。光电二极管和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。常见的光电二管主要有PN型光电二极管，PIN型光电二极管，发射键型光电二极管和雪崩型光电二极管。为了得到高速响应，PIN光电二极管在PN型光电二极管的基础上，减小二极管的PN结电容，在掺入杂质的P型和N型硅片层之间插入了高阻抗的本征半导体材料层。在PIN结中，因为内建电场的区域（I型层）较宽，则使得入射光几乎能完全被

24、I型层所吸收并转变为光生载流子，因而PIN结二极管作为光电探测器使用时，可以获得较大的探测灵敏度。因此，本设计选择PIN型光电二极管作为光电探头。硅光电二极管的伏安特性表达式为：其中式中：IO 为无光照的反向饱和电流； U是二极管的两端电压； q为电子电荷； K为波尔兹曼常数； T为PN结的温度单位为K； IL 为无偏压状态下（U=0V）光照时的短路电流； Sd为电流灵敏度； P为入射光功率。硅光电二极管加入的是反向偏压，故其伏安曲线相当于普通二极管的伏安曲线进行向下平移。硅光电二极管电流灵敏度Sd为一常数，一般为0.5A/W，即在反向偏压一定的情况下，电流I与入射光功率P呈线性关系，光电流与

25、电压大小几乎没有任何关系。硅光电二极管的伏安特性曲线如图3.3、3.4所示：图3.3 光电二极管的伏安特性曲线 图3.4 光电二极管的伏安特性曲线3.3 电流电压转换电路本文选用PIN型光电二极管作为光电探头，由于光电二极管的输入电阻很小，故可以把光电二极管看作电流源。又因为光电二极管输出的电流必须经过电流电压转换才能输入给A/D转换电路转换为数字信号，再输入给单片机处理。光电检测电路中常用的电流电压转换电路如图3.5 所示：图3.5 电流电压转换基本原理图由于运算放大器的“虚断”路，因此光电二极管输出的电流直接经过电阻R，即流入运算放大器的电流为零，则IS=IR。又因为运算放大器的“虚短”路

26、，且接地，故=0。则，由此可见，U与IS成正比，输入电压与输入电流成线性关系，这是理想的电流电压转换电路。光电二极管输出的电流非常小，而且集成运放有输入失调电压和输入失调电流的影响，当运算放大器组成的转换电路输入信号不为零时，输出往往不是等于零。由于该芯片可以对运算放大器芯片的失调电压和失调电流进行调零，而且具有非常高的输入阻抗，非常接近于上述基本转换电路中理想运算放大器的特性，所以为了提高电压电流的转换精度，选用CA3140运算芯片。实际电流电压转换电路如图3.6 所示：图3.6 电流电压转换电路其输出电压。运算芯片CA3140具有非常高的输入阻抗，极低的偏置电流，极低输入电流和高速性能。操

27、作电源电压从4V至36V（无论单或双电源)，它结合了压电PMOS晶体管工艺和高电压双授晶体管的优点，故该运算放大器具有非常卓越的性能。其引脚结构如图3.6所示：图3.7 CA3140引脚结构图对应上面的引脚图，该运算芯片的管脚功能如下表：表3-1 CA3140引脚功能表引脚号名称功能1OFFSET NULL偏置调零端，可与引脚5共同构成偏置调零电路2INV. INPUT运算放大器的反相输入端3NON-INV INPUT运算放大器的同相输入端4V-电源接入端（4V36V）本设计接入+12V电压5OFFSET NULL偏置调零端，可与引脚1共同构成偏置调零电路6OUTPUT运算放大器的输出端7V+

28、电源接入端，本设计接入-12V电压8STROBE芯片选通端3.4 放大滤波电路光信号通过光电二极管进行光电转换，并且通过电流电压转换后，仍需要对信号进行放大。但是仅仅是对电压信号进行放大仍然是不够的，此时的电压信号不利于单片机系统进行运算处理，因为在有用的信号中含有干扰信号。因此，我们需要对电压信号进行滤波调理。本设计采用运算放大器芯片LM358对信号进行放大和滤波。LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，不仅适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作电压条件下，电源电流与电源电压无关。运算放大芯片LM358的特性参数为： 内部含有频率

29、补偿；直流电压增益高(约100dB) ；单位增益频带宽(约1MHz) ；电源电压范围宽：单电源(3-30V)，双电源(±1.5-±15V) ；低功耗电流，适合于电池供电；低输入偏置电流（约为45 nA）；低输入失调电压（约为2.9mV）和失调电流（约为50 nA）；共模输入电压范围宽，包括接地；差模输入电压范围宽，等于电源电压范围；共模抑制比80dB。其引脚结构如图3.7所示：图3.8 LM358引脚结构图滤波器是一种使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置，在信息处理、数据传送和抑制干扰等自动控制、通信及其它电子系统中应用广泛。滤波一般可分为有源滤波和无源滤波，

30、有源滤波可以使幅频特性比较陡峭，而无源滤波设计简单易行，但幅频特性不如有源滤波器。从滤波器阶数来分，可把滤波器分为一阶和高阶，阶数越高，它的幅频特性越陡峭。高阶滤波器通常是由一阶和二阶滤波器级联而成。压控电压源型二阶有源低通滤波电路是有源滤波电路的重要一种，适合作为多级放大器的级联。本次设计是利用运算放大芯片LM358构成前置放大和滤波电路，其电路图如图3.8所示：图3.9前置放大电路和二阶有源低通滤波电路有图3.9可知，前置放大电路的输入输出关系式为，；二阶有源低通滤波电路的放大增益； 特征角频率；通带截止频率；品质因数。3.5 A/D转换电路近红外连续激光作用在光电二极管上，光信号经过硅光

31、电二极管转换成光电流，再经过电流电压转换电路转换成电压信号。但是，此时电路输出的电压信号为模拟量，必须经过A/D转换之后，把模拟信号转换成数字信号，再输送给单片机进行处理显示，其电路工作原理如图3.10 所示：图3.10 A/D转换与单片机接口电路TLC549是TI公司生产的一种低价位、高性能的8位 A/D转换器，它以8位开关电容逐次逼近的方法实现 A/D转换，其转换速度小于 17us，最大转换速率为 40000HZ，4MHZ典型内部系统时钟，电源为3V-6V。它能方便地采用三线串行接口的方法与各种微处理器相连，构成各种测控应用系统，其管脚图如图3.11所示：图3.11 TLC549引脚图与上

32、面的引脚图相对应，该芯片的引脚功能如下表：表3-2 TLC549的引脚功能表引脚号名称功能1REF+正基准电压输入，本次设计采用5V基准电压2ANALOG IN模拟信号输入端，经过调理的信号由此端口输入进行转换3REF-负基准电压输入端，本次设计该引脚接地4GND接地端5VCC电源接入端，本次设计采用5V电压6I/O CLOCK外接时钟输入端，下降沿有效7DATA OUT转换结果数据串行输出端（输出是高位在前，低位在后）8芯片选择输入端A/D转换芯片TLC549的转换原理当CS为高电平时，数据输出(DATA OUT)端处于高阻状态，此时I/O CLOCK不起作用。当CS为低电平时，一组数据通常

33、的控制时序为：(1) TLC549芯片被选中， 同时自动将前一次转换结果的最高位(D7)输出到DATA OUT端上； (2) 前四个I/O CLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5个位(D6、D5、D4、D3)，片内采样保持电路在第4个I/O CLOCK下降沿开始采样模拟输入；(3)接下来的3个I/O CLOCK周期的下降沿移出第6、7、8(D2、D1、D0)个转换位；(4)最后，第8个 I/O CLOCK 信号的下降沿使片内采样保持电路进入保持状态并启动 A/D开始转换。保持功能将持续4个内部时钟周期，然后开始进行32个内部时钟周期的A/D转换。直到 A/D转换完成前的这段时间内，C

34、S必须为高电平，或I/O CLOCK保持低电平，这种状态需要维持36个内部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成。如果CS为低电平时，I/O CLOCK上出现一个有效干扰脉冲，则单片机将与器件的I/O时序失去同步；若CS为高电平时出现一次有效低电平，则将使引脚重新初始化，从而脱离原转换过程。 根据TLC549的转换时序，单片机I/O口P0.0控制芯片的选通，用P0.2向芯片提供时钟信号，转换结果有P0.1输入给单片机进行处理，显示。3.6 显示电路调理过的模拟电压信号经A/D 转换完后变成数字信号，数字信号送入单片机，单片机把采集到的数据转变成可以用于数码管显示的字形码，然后输送给数码管进行显

35、示。AT89C51内部设计了串行接口电路，此串行口是一个可编程的全双工的串行通信接口，通过软件编程它可以作通用异步接收和发送器UART用，也可作为同步移位寄存器用。本次设计串行口工作在方式0，串行口作同步移位寄存器用，以8位数据位一帧，先发送或接受最低位，每个机器周期发生或接受一位，其波特率为。串行口由RXD（P3.0）端输入或输出。同步移位脉冲由TXD（P3.1）端送出。发送时，当一个数据写入发送缓冲寄存器SBUF（99H），串行口把8位数据以的波特率从RXD端送出，发送完成后置中断标志位TI为1。在本次设计中采用74HC164与其相连接实现I/O口的扩展。如图3.12为数码管显示原理图：图

36、3.12 数码管显示原理图74HC164是8位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。数据通过两个输入端（DSA 或 DSB）之一串行输入，任何一个输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。两个输入端可以连接在一起共同作为输入端，也可把不用的输入端接高电平，但一定不能悬空。74HC164的引脚如图3.13所示：图3.13 74HC164引脚图与上面的引脚图相对应，该芯片的引脚功能如下表：表3-3 74HC164引脚功能表序号管脚名称管脚功能1DSA数据输入端2DSB数据输入端36Q0Q3数据输出低四位7GND接地端8CP始终输入端（上升沿有效）9中央复位输入端（低电平有效

37、）1013Q4Q7数据输出高四位14VCC电源接入端（+5V）3.7 电源 在本次设计中，各个电路和芯片需要+5V的直流稳压和±12V的直流稳压给它们提供电源，使它们正常工作。这里我选择用稳压芯片7805、7812以及7912来提供稳定的电源，从而让系统能够正常、稳定的工作，具体电路如图3.14所示： 图3.14 直流稳压电源设计原理图原理图中的用到的很多电容是为了得到稳定的直流电压源，由原理图可以看出来，电源模块能够提供稳定的+5V、+12V以及-12V的稳定电压源，能够满足系统各个电路和芯片的要求。4 系统软件设计4.1系统软件总体设计我们在前面完成了对近红外连续激光功率测量系统

38、硬件电路的设计，由光电探头采集到的光信号经过信号处理电路变换成模拟电压信号。此电压信号经过A/D 转换变换成数字信号，然后由单片机采集该数字信号，把数字信号进行处理，然后输送给数码管进行显示。但是，从模拟电压信号的转换到激光功率大小的显示等一系列变换过程都需要软件的支持才能完成。系统软件设计分为主程序设计、键盘扫描程序设计，A/D转换程序设计和显示程序设计四部分。4.2 系统主程序设计主程序是系统上电后首先要执行的程序，主程序主要完成系统的初始化、扫描按键、A/D转换和静态显示等工作。从判别启动测量键（S2）是否有被按下来开始，若是S2键被按下，则启动A/D转换，单片机采集转换结果数据，然后对

39、对数据进行转换，再通过串行口显示测量的结果。系统的主程序流程图如图4.1所示：图4.1 系统的主程序流程图系统上电后，首先设置串行口工作方式，工作于方式0，然后判断启动键（S2）有没有按下，如果没有按下，等待启动键按下；如果按下，调用A/D转换程序，单片机采集转换结果数据，对转换数据进行处理。最后，调用显示程序把处理后的数据输出显示。4.3 按键扫描程序设计 由于本次设计按键数量很少，所以采用独立式按键方式。独立式按键电路配置灵活，硬件结构简单，每个按键用一根I/O口线。启动测量按键的一端同时与P1.0和上拉电阻相连，另一端接地。如果P1.0位高电平，则循环等待；当P1.0位跳变为低电平时，延

40、时20ms去除抖动。再次判断P1.0是否为低电平，如果不是低电平返回到键盘扫描程序的开始位置，如果是低电平，按键扫描程序返回。其流程图如下图4.2所示：图4.2 扫描按键程序流程图由以上的程序流程图可以看出，按键扫描程序包括有两个重要模块，分别是判断有无按键被按下的程序和延时20ms去抖动程序。系统工作时，经过上面两个程序模块的过程，就可以确定启动键是否被按下，如果被按下执行后面的程序，如果没有被按下循环等待。 4.4 A/D转换程序设计A/D转换程序设计主要包括芯片的初始化、芯片的选通、输出合适的脉冲和读取转换后的数据四个部分。A/D 转换通过单片机的控制端口（P0.0、P0,1、P0.2）

41、实现对A/D 转换器的转换控制和数据的读取。在软件设计中，先置P0.0为低电平，选通芯片TLC549；为了满足芯片的工作时序的要求，P0.2先被置为高电平，然后P0.2又被置为低电平，在P0.2的上升沿期间，然后单片机通过P0.1读取芯片引脚DATA OUT端的数值（即D7位），然后依次读取D6-D0位数据；当转换完成时，P0.0被置为高电平，禁止芯片选通，将读取的数据处理之后，在转换成相应的字形码之后，最终输送给数码管，通过数码管显示出对应的激光功率值。A/D转换程序流程图如下图4.3：图4.3 A/D转换程序流程图4.5 显示程序设计本次设计采用的是共阳极数码管，因而各个数码管的公共极接+5V电源，要显示某字段，则相应的移位寄存器74HC164的输出线必须是低电平。显然，要显示某个数字，首先要把这个数字转换成相对于的字形码，然后再通过串行口发送74HC164，74HC164把串行口发出的数据变成并行输出给数据，通过数码管显示出来。首先必须建立一个字形表TAB，表格以十六进制数的次序存放它们相应的字形码（如表4-1所示），把表格的起始地址TAB送入基址寄存器DPTR，要显示的数作为偏移量送入变址寄存器A，执行查表指令“MOVC A,A+DPTR”，则累加器A中得到的结果即表格中取出的相应数字的字形码。表4-1 数码管字形表