基于AD7705及光电检测技术的激光功率检测系统设计

介绍利用单片机和AD7705 A/D转换器，结合光电检测技术，设计了一种在线激光功率检测系统。该系统具有原理简单、成本低廉、智能操作、方便实用、误差小、精度高的特点。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。由于与单片机结合，实现了智能检测过程，操作方便。系统的组成和原理设计要求测量波长范围宽(0.5 ~ 10 m)、性能稳定、响应快、工作环境适应性强，这对传感器的选择、A/D转换器和单片机的精度和速度都提出了严格的要求。经过方案论证，设计的系统原理如图1所示。该系统由光电传感器电路、A/D转换电路、单片机控制电路和显示电路组成。2.1信号采集电路系统的设计基于光电传感器电路。传感器的选择要考虑检测波长范围和功率，可以选择与待测波长对应的光电传感器。由于要求的波长范围为0.5 ~ 10微米，功率范围为0 ~ 100 W，一般的光电传感器无法满足要求。本文采用了一种“采样检测”的方法，即设计一种通用电路来测量某一波长的激光输出功率(本设计中为1.064微米)，只需改变传感器型号就可以测量其他波长范围的激光输出功率。2DU1系列硅光电二极管用作检测器。光电二极管受光照时，会产生与光照成正比的小电流，因此是一种线性特性好的光电传感器，不仅响应快、灵敏度高，而且噪声低、稳定可靠。实验中，光电传感器接收一部分光功率信号，将其测量结果与精确的激光功率计测量结果进行比较，得到比例系数，然后利用软件编程得到最终结果。该方法原理简单，测量方便，成本低廉，方便实用，误差小，精度高，可以大大降低对传感器的要求。光电二极管在电路中必须处于反向偏置状态，如图2所示。在该设计中，光电二极管反向偏置到AD7705的通道1，即引脚7和引脚8。同时光电二极管的环形电极接5 V的电压，偏置电阻为6.5k。2.2 A/D转换电路设计传感器的输出一般为毫伏级的微弱模拟信号，温度特性差，易受干扰。传统的电路设计方法是在A/D转换前增加一个或多个高精度放大器，不仅增加了成本和系统复杂度，还会造成外部低频(如工频)干扰和监控中的放大器漂移。本设计采用AD7705作为A/D转换器，满足了集成化、高精度、多功能、自动补偿和自动校准的发展要求。它集成了放大、滤波和A/D转换单元，只需连接一个晶体振荡器、一个精密参考源和少量去耦电容就能连续进行A/D转换。利用-转换技术，AD7705可以实现16位无错码传输，并且可以将从传感器接收到的微弱输入信号直接转换为串行数字信号输出。它是智能系统、微控制器系统和基于DSP的系统的理想产品。AD7705与89S51单片机的接口电路如图3所示。AD7705采用SPI/QSPI兼容型三线式串行接口，大大节省了I/O端口。第一种方法是将SCLK连接到AT89S51的P2端口中未使用的管脚，数据输入输出端DIN和DOUT连接到P2端口中另一个未使用的管脚。这种方法的代价是耗费大量时间，不适合时效性要求强的系统；本设计采用第二种方法，即通过监控硬件DRDY引脚的状态来判断数据寄存器是否更新。硬件DRDY引脚的输出与通信寄存器DRDY位同步。一旦DRDY引脚变为低电平，表示数据寄存器数据已经更新，可以读取。的输出引脚

AD7705的数据输入和输出引脚DIN和DOUT连接到RXD(P3)。o ),并连接到一个10上拉电阻。在这种连接模式下，AD7705的数据读取可以根据51系列单片机串口的工作模式0来完成。需要注意的是，在读写操作模式下，AT89S51的数据输出是LSB优先，而AD7705要的是MSB优先，所以在读写之前必须将数据反转。2.3数据处理和显示电路的设计数据处理和控制部分采用AT89S51单片机，是系统设计的核心。AT89S51是一款低功耗、高性能的CMOS 8位单片机，可通过在线编程(ISP)和传统方法进行编程。完全兼容MCS-51产品指令系统，性价比高，可灵活应用于各种控制领域。显示部分的设计采用四位数码管，扫描方式由程序控制。其中，选择PO端口作为网段；P1.0~Pl.3作为位置选择。3系统软件设计3.1基于Keil Cx51的软件设计思路程序设计思路是给AD7705上电/复位，配置AT89S51单片机的串行接口，然后初始化AD7705的通道1。注意，在读取和写入数据之前，必须调用重新排序子例程。查询DRDY引脚。如果是低电平，读取通道数据寄存器，将数据转换成电压值，然后调整显示子程序，调整延时，做电压转换成功率值的数据处理。返回，继续收集数据，查询DRDY，显示直到结束。主程序流程图如图4所示。3.2 AD7705的初始化配置和寄存器操作子程序在使用ad 7705之前，应先设置并初始化所有寄存器。系统需要确定AD7705芯片主要参数的具体设计：主时钟为FCLK=2.457 6 MHz，输入通道为单极性，数据更新速率为50 Hz。由于AD7705的输入基准电压等于5 V，负输入端接地，正输入端的最大输入幅度为l_3 V，因此增益可选择为4。设置参数后，将设置寄存器位MD1和MDO分别写入0和1，以完成系统自校准。在设置参数之前，先写一次通信寄存器，决定下一步是什么样的寄存器，什么样的操作内容，然后再写下一步的参数。初始化后，微控制器可以从模数转换器读取数据，读取数据前必须确定数据寄存器的状态。通过查询DRDY引脚，如果DRDY引脚为低电平，则数据已经转换，可以读取。AD7705的初始化配置和寄存器操作程序流程图如图5所示。A/D转换器的输出是十六进制数据，需要转换成电压值输出。通过V=5.0(数据输出/65 536.0)获得的电压值必须转换为功率显示。系统在不同激励电流下的输出电压是在Nd: YAG激光器上通过实验测得的，精密激光功率计LOGO检测的数据是实测的，两者线性关系为P=50V。A/D转换器子程序如下：4系统测试4.1测试结果通过将设计的产品与精密激光功率计的测量结果进行对比，发现系统具有较高的稳定性和准确性，误差很小。测量结果如表1所示。其中，功率值1为LOGO激光功率计测得的值；功率值2是设计设备的测量值。4.2错误分析在实际应用中，由于强电磁场、闪烁信号干扰或者系统中的软件错误都会导致接口丢失，一旦接口丢失，就无法正常读取数据。因此，在系统软件设计中要定期对系统界面进行复位。数据读取速率不得超过预设输出寄存器的更新速率。由于AD7705的分辨率太高，所需的噪声水平太低，因此必须注意接地和电路布线。结论通过以上讨论，介绍了在线激光功率检测系统的设计原理。它以AT89S51为测量控制核心，以C51为编程语言控制AD7705芯片的工作过程，以光电二极管为光电传感器。AD7705内置的数字滤波器可以有效抑制电源频率