基于AT89C51芯片控制的激光功率计的设计

田 东

(西安邮电大学 计算机学院， 陕西 西安 710121)

基于AT89C51芯片控制的激光功率计的设计

田 东

(西安邮电大学 计算机学院， 陕西 西安 710121)

为实时检测氦氖激光器的输出功率，设计一种基于AT89C51单片机作为控制平台的激光功率检测系统。该系统包括光电传感、信号处理，输出与显示模块，选用硅光电二极管作为光电转换传感探头，实现光信号的采集，在AT89C51单片机系统的控制下，对所采集信号进行处理，实现对波长为633nm激光器的激光输出功率的实时检测。测试结果表明，该系统具有良好的线性响应特性。

光电传感；功率检测；实时显示;单片机

随着光电子技术产业的迅速发展，激光作为一种非常重要的光源，广泛的应用于大屏幕显示、照明、激光打印、激光医学、光信息处理等诸多等领域[1-2]。特别是在实际生产工艺环节中，对激光功率的输出稳定性要求尤为严格，例如在工业生产流水线上，利用激光散斑技术，对产品零件的外形进行实时监控，要求激光功率输出比较稳定，这就需要借助光功率计对激光器的功率输出进行实时监控，才能给处理平台提供可靠的检测数据。因此，激光功率计的研制具有非常重要的工程应用价值。目前，国内生产的光功率计，其光接收元件普遍采用光电型和光热型两类，基本能够满足小功率、快速响应和大功率、低速响应的激光功率检测，但价格一般比较昂贵。为此，本文选用价格低廉的AT89C51单片机和硅光电二极管作为控制和光电传感元件，设计出一种激光功率检测系统，能够实现对He-Ne激光器的输出功率进行实时检测和结果显示。

1 系统结构

激光功率检测系统分为三大模块。第一模块为光电传感探头的选择，获得具有高效光电转换效率的传感探头；第二模块为光电转换处理电路设计，实现光电信号转换、A/D、D/A信号转换、信号滤波处理等目的；第三模块是检测结果的输出与显示电路设计，实现结果的实时显示。系统总体设计如图1所示。

图1 系统总体设计框图

1.1 光电传感探头的选择

硅光电二极管的线性工作区位于可见光和近红外区域，且具有灵敏度高，响应速度快等特点[3-4]。因此，选择PIN型硅光电二极管作为光电传感探头，获取接收到的激光功率幅值。

1.2 光电转换处理电路的设计

激光功率检测系统的外围电路由信号处理电路和A/D转换电路两部分组成。

1.2.1 信号处理模块设计

采用多级电压放大电路和后级滤波电路共同作用的设计思路，完成所采集的光电流信号的检测，并选择具有高输入阻抗的CA3140作为运算放大器[5-6]，来搭建光电转换电路，如图2所示。

图2 光电转换电路原理

采用RC元件与运算放大器组成滤波电路，借助二阶低通和带通滤波器构成的后级滤波电路[7]，实现对信号的滤波处理。图3和图4分别为二阶有源低通滤波和有源带通滤波电路图。

图3 二阶有源低通滤波电路

图4 二阶有源带通滤波电路

1.2.2 A/D转换电路设计

利用光电传感探头实现光电信号转换，再借助电流/电压变换电路模块获得模拟电压信号，对获得模拟电压信号进行采样采集，最后通过A/D转换电路将电压模拟量转换为数字量。

电路设计如图5所示。

图5 A/D 转换电路

1.3 输出与显示电路的设计

采用数码管作为显示屏，实现对测量结果的实时显示，数码管显示电路如图6所示。

利用单片机作为核心控制平台，通过信号处理模块，A/D转换电路模块和显示电路模块，完成光信号的采集和显示。

图6 数码管显示电路

2 系统软件设计

将光电探头采集到的光信号变换成模拟电压信号，实现激光功率值的实时显示。软件部分总体上分为A/D转换模块和数码管显示模块两部分，其中A/D转换模块包括数据接收程序和数据处理程序两部分，采用C语言[8]完成程序的编写，系统软件设计结构如图7所示。

图7 系统软件总体结构

3 系统测试

为验证所设计的激光功率计的功率采集精度，选择在具有良好稳定性的精密光学平台上搭建测试平台。实验上使用He-Ne激光器(GY-10A)作为激光光源，输出激光波长为633nm；利用可调衰减器(偏振型)实时调节输出激光强度；利用分束镜(1∶1)获得两束强度相同的激光束，分别入射到标准功率计(TES-1335)和待测功率计的光强探测区域。整个测试过程中，在相同强度的激光激励下，测试次数均大于10次，然后将标准功率计所得结果进行平均处理，得到标准功率值，测试结果如图8所示。

根据测试结果可知，所设计的激光功率计的线性测试范围为0.5～1.8 klux。当光照度为1.8 klux时，所设计的功率计测量值与标准功率计所测结果相比，最大误差值为5.4%，小于6%的标准偏差值，具有较高的测试精度。因此，所设计的激光功率计具有很好的线性测试特性。

图8 激光输出功率与信号处理电路输出端电压值的关系图

4 结束语

采用硅光电二极管作为光电转换传感探头，选择AT89C51单片机系统作为控制平台，设计一种激光功率检测设备。通过与标准功率计的测量结果对比，所设计的功率检测系统具有线性响应良好的优点，能够实现对波长为633nm的激光功率的测量。

[1] 杨照金，王雷. 激光功率和能量计量技术的现状与展望[J].应用光学,2004,25(3):1-4.

[2] 董军，柴宝玉，田学彬. 液晶显示技术产业发展概述[J]. 西安邮电学院学报, 2012,17(3):102-104.

[3] 李秀梅，吴群勇，肖韶荣. 发光二极管的光电特性测试[J].物理实验, 2013,33(12)：1-3.

[4] 陆兆丹，宓现强，李铁军. 一种双单片机激光功率控制系统的软件抗干扰方法[J].应用激光, 2011,31(6):494-496.

[5] 刘建朝. 微弱激光功率计研究[D].天津:河北工业大学,2007：8-12.

[6] 柴钰. 单片机原理及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社,2009:45-123.

[7] 康华光. 电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,1999:155-189.

[8] 郭天祥. 51单片机C语言教程[M].北京:电子工业出版社,2009:56-69.

[责任编辑:祝剑]

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

陕西省自然科学基金资助项目(2012JM8044)

田东(1980-),男，硕士，讲师，从事嵌入式方面研究。E-mail: tiandong@xupt.edu.cn

TN27

A

2095-6533(2014)03-0091-04