【正文】 V，即0≤Vin≤＋5V。3分辨率：8位，即分辨率為1/2 8=1/256，轉(zhuǎn)換值介于0～255之間。4轉(zhuǎn)換時間：100us（f CK＝640kHz 時） 。5轉(zhuǎn)換誤差：177。1LSB。6參考電壓：，即 Vref＝。脈沖光纖激光器光功率計的設(shè)計與研究15：圖 AD0804 管腳圖 顯示電路本課題采用三位一體 L E D 數(shù)碼管顯示所測距離值，數(shù)碼管采用動態(tài)掃描顯示，段碼輸出端口為單片機的 P2 口，位碼輸出端口分別為單片機的 、 口,數(shù)碼管位驅(qū)運用 PNP 三極管 S9012 三極管驅(qū)動。顯示電路采用 3 位共陽 LED 數(shù)碼管。單片機輸出的功率值給數(shù)碼管顯示出示值，LED 數(shù)碼管根據(jù) LED 的接法不同分為共陰和共陽兩類，了解 LED 的這些特性，對編程是很重要的，因為不同類型的數(shù)碼管，除了它們的硬件電路有差異外，編程方法也是不同的。是共陰和共陽極數(shù)碼管的內(nèi)部電路，它們的發(fā)光原理是一樣的，只是它們的電源極性不同而已。將多只 LED 的陰極連在一起即為共陰式，而將多只 LED 的陽極連在一起即為共陽式，以共陰式為例，當然，LED 的電流通常較小，一般均需在回路中接上限流電阻。假如我們將b和c段接上正電源，其它端接地或懸空，那么b和c段發(fā)光，此時，數(shù)碼管顯示將顯示數(shù)字“1” 。而將a、b、d、e和g段都接上正電源，其它引腳懸空，此時數(shù)碼管將顯示“2” 。 供電電路由于采用的是 LED 數(shù)碼管用為顯示方式，正常工作時，系統(tǒng)工作電流約為 3045mA，為保證系統(tǒng)統(tǒng)計的可靠以及正常工作，系統(tǒng)的供電方式主要交流 5V，同時為調(diào)試系統(tǒng)方便，供電方式考慮由 USB 口供電。在放大和峰值保持部分的電路供電分別需要+12V，以及+112V 的供電方式，我選用自制電源模塊來提供電源。這樣可以有效地保證了兩部分電路的基本電源供電的要求。 報警輸出電路為提高課題設(shè)計的實用性，課題所設(shè)計所需報警輸出提供開關(guān)量信號及聲響信號兩種方式。方式一：報警信號由單片機 端口輸出，繼電器輸出，可驅(qū)動較大的負載，電路由電阻R三極管 BG繼電器 JDQ 組成，當測量值低于設(shè)定的報警值時繼電器吸合，測量值高于設(shè)定的報警值時，繼電器斷開。方式二：報警信號由單片機 口輸出，提供聲響報警信號，電路由電阻 R三極管 BG蜂鳴器 BY 組成，當測量值低于事先設(shè)定的報警值時，蜂鳴器發(fā)出“滴、滴、滴”報警聲響信號，測量值高于設(shè)定的報警值時，停止發(fā)出報警聲響。 脈沖光纖激光器光功率計的設(shè)計與研究16第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件在這次課題的研究中，對于程序部分的設(shè)計是重點。其中包括 keil 編譯環(huán)境以及 ARM 編程方法的學習、利用脈寬調(diào)制器（PWM）對步進電機脈沖的控制與算法、利用計時器（ Timer）和 GPIO端口對電動機正反向的控制以及利用外部中斷的按鍵控制。系統(tǒng)軟件流程圖如圖 所示。開始數(shù)碼管顯示A/D 轉(zhuǎn)換功率檢測復(fù)位信號光功率檢測系統(tǒng)初始化功率10N Y 圖 整體流程圖系統(tǒng)初始化開始時，單片機開始工作，由光電探測器采集到的激光信號，通過系統(tǒng)的濾波電路，放大電路，峰值保持電路的作用輸出一個放大 50 倍的直流電壓信號，該直流信號通過 A/D0804 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的作用，將模擬信號轉(zhuǎn)換為單片機可以識別的數(shù)字信號，在進行光功率檢測的過程中，如果功率值超過 10W，則功率檢測發(fā)出復(fù)位信號，單片機復(fù)位。在 LED 數(shù)碼管上顯示的初始值。并且系統(tǒng)中事先設(shè)定的報警系統(tǒng)將會啟動，蜂鳴器會發(fā)出“滴.. 滴”的響聲。如果功率值小于 10W，則通過 A/D 轉(zhuǎn)換，單片機的識別，LED 數(shù)碼管上將會顯示測定的功率值。在激光打標機進行打標的時候，需要設(shè)定激光器發(fā)出的功率值的大小。功率計檢測與顯示在光纖激光器打標機上只是其中的一個部分，它的作用主要是可以明確打標機發(fā)出功率的大小，以及工業(yè)上所需打標的具體需要。在打標的過程中，可以非常直觀的觀察到打標的效果如何，以便出現(xiàn)問題時能夠及時作出調(diào)整。 基于 Keil 軟件編程本系統(tǒng)選用STC89C52單片機，軟件程序的調(diào)試是在Keil開發(fā)環(huán)境下進行的。Keil Software公司推出的μVision3是一款可用于多種8051MCU的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，該IDE同時也是PK51及其它開發(fā)套件的一個重要組件。除增加了源代碼、功能導航器、模板編輯以及改進的搜索功能外，μVision3還提供了一個配置向?qū)Чδ?，加速了啟動代碼和配置文件的生成。此外其內(nèi)置的仿真器可模擬目標MCU，包括指令集、片上外圍設(shè)備及外部信號等。μVision3提供邏輯分析器，可監(jiān)控基于MCU I/O引腳和外設(shè)狀態(tài)變化下的程序變量。μVision3提供對多種最新的8051類微處理器的支持，包括AnalogDevices的ADuC83x和脈沖光纖激光器光功率計的設(shè)計與研究17ADuC84x，以及Infineon的XC866等。Keil μVision系列是一個非常優(yōu)秀的編譯器，得到廣大單片機設(shè)計者的廣泛使用。其主要特點如下：? 具有 Windows 風格的可視化操作界面，界面友好，使用極為方便。? 支持匯編語言、C51 語言及混合編程等多種方式的單片機設(shè)計。? 集成了非常全面的單片機支持，能夠完成 51 系列單片機及和 51 系列兼容的絕大部分類型單片機的程序設(shè)計和仿真。? 集成了豐富的庫函數(shù)，以及完善的編譯鏈接工具。? 提供了并口、串口、A/D、D/A、定時器/計數(shù)器及中斷等資源的硬件仿真能力，能夠幫助用戶模擬實際硬件的執(zhí)行效果。? 可以與多款外部仿真器聯(lián)合使用，提供了強大的在線仿真調(diào)試能力。? 內(nèi)嵌 RTX51 Tiny 和 RTX51 FULL 內(nèi)核，提供了簡單而強大的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)支持。? 在一個開發(fā)界面中支持多個項目的程序設(shè)計。? 支持多級代碼優(yōu)化，最大限度地幫助用戶精簡代碼體積。? 由于 Keil μVision3 具有最廣泛的用戶群，因此相應(yīng)的代碼資源非常豐富，讀者可以輕松地找到各類編程資源以加速學習和開發(fā)過程。 軟件控制主程序課題通過軟件設(shè)置A/D0804的工作條件，同時完成對單片機的控制，將激光信號的電壓值轉(zhuǎn)化為功率值顯示在數(shù)碼管上，超出功率設(shè)定的上限值報警系統(tǒng)啟動。開始讀取 0804 輸出數(shù)據(jù)設(shè)置 0804 工作條件算出百、十、位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成功率值結(jié)束報警 顯示斷碼轉(zhuǎn)換功率上限NY圖 主程序流程圖 根據(jù)電路的硬件設(shè)計 A/D 轉(zhuǎn)換的程序。程序采用單片機的定時器產(chǎn)生一個時鐘，作為A/DC0804 的 CLK 時鐘。并讀取 A/D 的值，同時轉(zhuǎn)換為十進制，后送到 LED 顯示。單片機 C 語言編譯軟件用著名 Keil C51 編譯器，Keil C51 是德國 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機脈沖光纖激光器光功率計的設(shè)計與研究18C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用，本次 ADC 程序就是基于 Keil C 編寫出來的?？偟?C 語言程序如下所示，由 LED 顯示模塊，進制轉(zhuǎn)換模塊，ADC 模塊，主函數(shù)構(gòu)成。硬件電路系統(tǒng)搭建完畢后，需要進行軟件的編寫，兩部分結(jié)合起來進行光纖激光器光功率計檢測與顯示的整體調(diào)試，本系統(tǒng)采用的是STC89C52單片機，通過在Keil開發(fā)環(huán)境下對其進行軟件的編程，在整個系統(tǒng)開始時，需要設(shè)置A/D0804數(shù)模轉(zhuǎn)換的工作條件，在A/D0804芯片接收到信號時，A/D進行信號的選擇，控制芯片的啟動和結(jié)果的讀取。如果功率值超出事先設(shè)定的功率10W時，系統(tǒng)檢測到功率值復(fù)位的信號，那么數(shù)碼管上顯示的功率值將為0W，系統(tǒng)復(fù)位。且設(shè)定的報警系統(tǒng)將會啟動，蜂鳴器發(fā)出警報，如果檢測到的功率值始終小于10W，那么數(shù)碼管上將會顯示檢測到的功率值。在數(shù)碼管的編程中，設(shè)定顯示第一位小數(shù)點，這樣做的目的是數(shù)碼管顯示的數(shù)值不會超過10W。由于課題的硬件部分只是進行實驗，而非工業(yè)所用，所以應(yīng)盡量減小功率的顯示數(shù)值，這樣可以更好的保證芯片不會因為電壓過大而損壞。并且系統(tǒng)中設(shè)定的報警系統(tǒng)也可以起到很好的保護作用，當功率值過大，超過所承受的范圍，那么系統(tǒng)將會報警。這時通過切斷電壓信號，保護系統(tǒng)中硬件的芯片。軟件部分編寫完成后，最主要的是進行系統(tǒng)的調(diào)試，因為系統(tǒng)需要完成硬件和軟件的綜合調(diào)試，在調(diào)試的過程中，軟件還需要進行完善，以便符合總體的設(shè)計要求。在軟件調(diào)試的過程中，如果功率檢測復(fù)位信號不能工作，即時系統(tǒng)斷電那么硬件電路中也會有少量電壓存在，這時只能通過手動進行放電，所以功率的檢測復(fù)位環(huán)節(jié)在軟件的編程過程中是值得注意的環(huán)節(jié)。課題設(shè)計的光功率計檢測與顯示系統(tǒng)中，在激光功率的測量上完成了即時測量、微延遲顯示，和時段平均測量值的計算和顯示延遲，并將時段光功率數(shù)據(jù)存儲在設(shè)計好的擴展存儲空間中。通過這樣的設(shè)計完成了一個高效多能的光功率檢測顯示系統(tǒng)，達到了一個采集系統(tǒng)的標準。在芯片選擇中，系統(tǒng)選擇了簡單易用、產(chǎn)量化的芯片，除單片機外有5個IC，2個外設(shè)，因此價格相對低廉，因為除了單片機外，其他芯片體積較小，所以整體制版體積較小，而且要求供電電壓低可以達到簡便易用的效果。在實時測量中，因為采用了顯示延遲，能使使用者較方便地讀出測量量。系統(tǒng)提供了外存儲設(shè)備，可擴展性好，測量循環(huán)周期長，可以測量較長時間的平均值，能在實際應(yīng)用中使用。因為電路較簡單，復(fù)位采用了上電自動復(fù)位方式，出現(xiàn)問題可以斷電重啟，方便簡單。從峰值保持電路的輸出端輸出的電壓信號，接入 ADC0804 的模擬輸入端，由于 LED 數(shù)碼管顯示的功率值和采樣電壓差距比較大，分辨率低，線性度較差等，有待改進。也深刻的認識到理論和實踐總是有差距的，需要我們不斷地去改進和縮小。 脈沖光纖激光器光功率計的設(shè)計與研究19第五章 系統(tǒng)試驗與調(diào)試 實驗平臺搭建 根 據(jù) 系 統(tǒng) 設(shè) 計 的 構(gòu) 想 ， 初 步 完 成 課 題 所 需 的 系 統(tǒng) 調(diào) 試 平 臺 的 實 物 圖 ， 通 過 設(shè) 計 系 統(tǒng) 電 路 圖 ，完 成 對 電 路 圖 的 仿 真 ， 搭 建 焊 接 實 物 電 路 圖 ， 編 寫 單 片 機 軟 件 程 序 ， 以 及 后 期 對 該 系 統(tǒng) 電 路 圖 進行 調(diào) 試 處 理 ， 最 終 得 到 完 整 的 實 物 平 臺 的 搭 建 ， 實 物 調(diào) 試 平 臺 如 圖 所 示 。圖 系 統(tǒng) 調(diào) 試 平 臺 實 物 圖 實驗調(diào)試及分析 信號的濾波 激 光 光 電 探 測 器 是 由 激 光 器 發(fā) 出 的 頻 率 為 20kHz200kHz 的 激 光 信 號 ， 我 將 調(diào) 試 中 采 集 激 光信 號 以 及 放 大 濾 波 環(huán) 節(jié) 的 結(jié) 果 記 錄 下 來 作 為 參 考 依 據(jù) ， 在 畢 業(yè) 設(shè) 計 的 演 示 中 ， 由 于 沒 有 激 光 信 號的 發(fā) 射 裝 置 ， 所 以 需 要 通 過 信 號 發(fā) 生 器 模 擬 激 光 信 號 的 頻 率 、 輸 出 電 壓 ， 完 成 對 激 光 功 率 的 顯 示 ，因 為 激 光 信 號 的 輸 出 電 壓 和 顯 示 的 功 率 是 呈 線 性 的 關(guān) 系 ， 如 輸 入 1V 電 壓 ， 顯 示 功 率 為 1W。 輸入 電 壓 為 3V， 顯 示 功 率 為 3W， 在 編 寫 程 序 的 過 程 中 ， 設(shè) 定 輸 入 電 壓 和 輸 出 功 率 的 線 性 關(guān) 系 ， 在功 率 顯 示 中 可 以 很 好 的 顯 示 。 系 統(tǒng) 帶 通 濾 波 電 路 濾 波 后 的 的 效 果 如 圖 所 示 。圖 信 號 的 濾 波 效 果 圖 信號的放大 對前面采集到的激光信號濾波后，該電壓信號還是比較微弱的，所以為了達到設(shè)計的基本要求還需要對濾波后的微弱信號進行放大，從課題的實際需要出發(fā)，需要將電壓信號放大 50 倍。綜上考慮在放大這一環(huán)節(jié)，我設(shè)計了兩套放大電路的方案。第一套方案：是直接通過一級放大，直接將電壓信號放大 50 倍。效果沒有達到預(yù)期效果。第二套方案：是通過兩級放大將電壓信號放大 50 倍，通過實際的實驗操作證明，第一套方案脈沖光纖激光器光功率計的設(shè)計與研究20直接放大 50 倍，效果不是十分顯著，放大倍數(shù)達不到理論要求的倍數(shù)，經(jīng)過驗證，第二套方案的可行性更加準確穩(wěn)定，所以棄用第一套方案，經(jīng)過篩選選擇第二套方案進行放大，這里需要的元件包括：精密運放 OPA234，主要阻值為 1k，5k，10k 的電阻及 103 電容，導線若干根據(jù)放大濾波電路的要求進行放大濾波電路的設(shè)計與連接。在調(diào)試過程中通過第二套方案放大 50 倍之后的效果如圖 所示。 信號的放大效果圖 信號的峰值保持當信號發(fā)生器輸入頻率為20kHz，輸入電壓為20mV時，經(jīng)過放大50倍之后，電壓值為1V，波形圖如1通道波形所示，將該電壓值通過系統(tǒng)的峰值保持電路后的波形圖如2通道所示，峰值保持電路將交流信號轉(zhuǎn)化為直流信號，使直流信號一直保持在交流信號的峰峰值，峰值保持電路可以跟隨輸入信號的不斷變化，將最大值記憶下來，通過它可以使輸入信號一直保持直流和峰峰值的穩(wěn)定狀態(tài)，以便單片機進行識別。 峰值保持電路效果圖 單片機處理及顯示部分該部分主要包括AD0804的數(shù)模轉(zhuǎn)換，單片機的軟件編程，數(shù)碼管的顯示以及報警系統(tǒng)的設(shè)置等幾部分，當光電探測器采集的激光信號經(jīng)過濾波放大，峰值保持后將穩(wěn)定的直流信號輸送給AD0804的輸入端，經(jīng)過單片機的內(nèi)部識別轉(zhuǎn)化為功率值顯示在數(shù)碼管上。 單片機及顯示部分實物圖脈沖光纖激光器光功率計的設(shè)計與研究21 系統(tǒng)整