基于嵌入式系统的光电探测综合实验装置设计

郭守靖，田 馨，陈晶田

(华中科技大学 光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074)

基于嵌入式系统的光电探测综合实验装置设计

郭守靖，田 馨，陈晶田

(华中科技大学 光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074)

光电探测器是光电探测系统的核心器件，其特性参数在光电系统的设计中至关重要。该文针对当前许多高校开设了与光电器件相关的实验课程，但教学中的光电探测器特性参数测量装置的精度不高、使用不便等问题，设计完成了一种基于嵌入式系统、可精密控制的综合实验装置，并详细介绍了软、硬件的设计。经实验测试，该装置运行稳定，可测试不同光电探测器的常用特性参数，而且更好地满足了实验者对精确性和实验教学便捷性的要求。

光电探测器；嵌入式；分层函数；一体化

光电探测系统在航空摄影、战场侦察、成像制导等诸多领域获得了广泛应用[1]。光电探测是通过光电变换和信号处理等方式得到待测的物理信息的过程[2]，光电探测器在其中起着非常重要的作用，故其特性参数在实际光电系统设计中需要着重考虑。基于此，本文开发了一套测试光电探测器特性参数一体化实验装置。

光电探测器件中，光电池和光电管均是利用半导体光伏效应制作的器件，光电池不加偏压就能将光能转换成电能；而光电管、光敏电阻需要在外加电压条件下工作。实际中主要考虑光伏探测器的伏安特性、开路电压、短路电流、光谱特性等性质。

本实验装置采用嵌入式系统实现对装置精密控制，通过按键调节提高分辨率，使得数据更加精密稳定，性能优于一般教学仪器。除此之外，基于嵌入式系统的光电探测综合实验装置由硬件模块和软件模块两个主模块组成，由于主要以学生为主体设计制作，所以应该更适用于学生实验。

1 硬件模块

装置外壳采用了黑色亚克力材料，具有以下3个优点。1)暗室效果好，黑色的外壳能降低外界光源的干扰；2)结实耐用，亚克力材质强度高，不易损坏，适合学生使用；3)成本低廉，经济环保。

主控面板采用倾斜设计，便于实验者观测数据、调节控制等操作。

硬件模块主要包含内外两部分：装置外部主要有单片机主控板模块、电压和电流显示器模块、颜色传感显示模块、调制信号输出模块；装置内部包括光源模块、探测器测试模块和电源模块。如图1所示。

探测器测试模块：包括便于更换测试对象的可插拔IC座和RGB三色探测器。电源模块采用5V、12V双输出电源供电。

主控模块：本仪器采用的是STC公司生产的89C52RC芯片，通过1-P04和2-P03控制光伏探测器测试开关切换电路和INC-P00、UD-P01及CS-P02控制电压调节电路。

主控模块的原理图如图2所示。

图2 单片机主控模块

开关模块：采用CD4066芯片，其原理图如图3 所示。CD4066 的每个封装内部有4个独立的模拟开关。CD4066的引出端排列与CC4016一致，但具有比较低的导通阻抗。与单通道开关相比，具有输入信号电压稳定的优点。当需要切换电路时,拨动开关则对应测试电路的指示灯亮起。这样设计避免了接线的过程，使实验更加稳定可靠。

输出电压控制模块：该模块的电路原理图如图4所示，它包含了粗调和精调两个部分，以实现精密控制的功能。粗调部分采用了X9511芯片。X9511为数字电位器，带有32个滑动抽头点。该芯片通过改变电阻来改变分压，在本实验装置中，供电电压为5 V，故精度为5 V/32格=0.156 V/格。精调部分采用了X9C102数字电位器，其精度为1 kΩ/100格。粗调与精调结合，保证数据变化更加精确。

光源模块：采用了3种光源设计，满足不同的实验需要，丰富了拓展实践的条件。1)全彩LED光源完成除时间响应特性以外的所有特性测试。全彩LED的光谱如图5(a)所示。2)仪器中选用功率为10 W的卤素灯，特点是亮度容易控制，显色性较好(Ra=100)，发光波段包含红外波段，适用于红外光电器件的实验，卤素灯光谱如图5(b)所示。为使整个光室内发光均匀，加入了菲涅尔透镜(焦距为5 mm 直径90 mm)，当光源位于菲涅尔透镜的焦平面上时，透射光为平行光。3)高亮LED光源主要用于完成对光电探测器的时间响应特性测试。信号源由调制信号输出模块提供，工作电压为2.5 V，高亮LED光谱如图5(c)所示。

图3 开关模块

图4 输出电压控制模块

(a)全彩LED

(b)卤素灯

(c)高亮LED图5 光源模块

2 软件模块

软件系统采用分层函数设计，便于日后升级与维护，同时增加了程序的可读性。3个函数块相互独立，增加了系统的稳定性。单片机P0端口与按键及数字电位器控制接口相连，节省出P1、P2、P3接口，有利于日后升级及扩展，同时方便PCB布线，增加面板的美观程度。

软件函数部分主要由3个基本函数组成，分别为电路切换函数、按键扫描函数和数字电位器控制函数。当程序启动时，电路切换函数开始检测按键1是否按下，若检测到按键信号，则将电路置于相应的状态，每按下一次按键，便切换一次状态。进入相应状态后，按键扫描函数开始扫描，若检测到相应按键，便调用相应的数字电位器控制函数，从而实现相应的功能。

软件系统总体设计框架如图6所示。

图6 软件系统总体设计框架

3 测试结果及分析

实验室仪器包括电压表、电流表、实体电阻、万用表、暗室、照度计以及滑动变阻器。基于嵌入式系统的光电探测综合实验装置在对其改进后完成了以下实验对比。

由本设计测试的硅光电池的伏安特性测试结果如图7(a)所示，由实验室其他实验仪器测试出的结果如图7(b)所示。对比可知，两曲线反映的光电池物理特性一致，在电流变化较快的区间内，本仪器可以输出分辨率更高的电压，且对应电流精度高，可以采集到较多数据，曲线更加光滑，对光电池伏安特性的变化描述更加精确。

(a)实测硅光电池的伏安特性

(b)其他仪器测试的光电池伏安特性图7 硅光电池伏安特性测试

光电管的特性测试分为光电二极管和光电三极管的伏安特性与光照特性。由本设计实测的光电二极管的伏安特性和光照的关系如图8(a)所示，由其他仪器测试的结果对比曲线如图8(b)所示，基于嵌入式系统的光电探测综合实验装置的对比横轴的分度为0.2 V/格，而其他仪器分度约为2 V/格，由此可知本设计调节的精度明显更高，测出的数据因而更加精确。

除上述两项测试外，本装置同时还可以完成：光电三极管的伏安特性及光照特性、光电二极管的频率响应特性、硅光电池的光电特性、硅光电池的负载特性、光敏电阻的伏安特性、设计照明灯的光电控制电路、搭建LED伏安特性测试电路及测量LED的发光光谱等测试及实验。

4 结束语

基于嵌入式系统的光电探测器综合实验装置是在“华中科技大学光电信息学院大学生创新基金”项目资助下完成的。我们将所学的嵌入式系统和实

(a)光电二极管伏安特性

(b)其他仪器测试的光电二极管伏安特性图8 光电二极管伏安特性测试

验教学仪器等知识相结合，设计制作完成了具有精密控制、调节简易、测试环境稳定、测试种类丰富等优良性能的实验装置。

由于所学知识和提供经费有限，我们设计的实验装置仍有许多可以改进及丰富的空间，日后会做更多的研究与探索。

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DesignforPhotoelectricDetectorCharacteristicMeasurementExperimentalInstrumentBasedonMCU

GUO Shoujing，TIAN Xin，CHEN Jingtian

(School of Optical and Electronic Information，Huazhong University of Science & Technology，Wuhan 430074，China)

The photoelectric detector is the essential device of the photoelectric detecting system.In this paper，many colleges and universities have set up experimental courses related to optoelectronic devices，but there are some problems existing in the courses，such as the photoelectric detector characteristics of the measurement device is not high accuracy，inconvenience and so on.This paper designs a comprehensive experimental device based on embedded system and precision control，and introduces the design of software and hardware in detail.Experiments show that the device is stable，it can test the common characteristics of different photodetector parameters，and better meet the experimenter of the accuracy and experimental teaching convenience requirements.

photoelectric detector；embedded system；hierarchical function；integration

2016-01-22；修改日期:2016-03-06

华中科技大学光学与电子信息学院大学生创新基金项目(2014年12月5日)。

郭守靖(1995-)，男，本科，光学与电子信息工程专业。

陈晶田，工程师，主要从事光电子教学实验和光电系统设计方面的研究， cjt@mail.hust.edu.cn

TN206

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.039