基于嵌入式系統(tǒng)的光電探測綜合實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

郭守靖，田 馨，陳晶田

(華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074)

基于嵌入式系統(tǒng)的光電探測綜合實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

郭守靖，田 馨，陳晶田

(華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074)

光電探測器是光電探測系統(tǒng)的核心器件，其特性參數(shù)在光電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。該文針對當(dāng)前許多高校開設(shè)了與光電器件相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程，但教學(xué)中的光電探測器特性參數(shù)測量裝置的精度不高、使用不便等問題，設(shè)計(jì)完成了一種基于嵌入式系統(tǒng)、可精密控制的綜合實(shí)驗(yàn)裝置，并詳細(xì)介紹了軟、硬件的設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，該裝置運(yùn)行穩(wěn)定，可測試不同光電探測器的常用特性參數(shù)，而且更好地滿足了實(shí)驗(yàn)者對精確性和實(shí)驗(yàn)教學(xué)便捷性的要求。

光電探測器；嵌入式；分層函數(shù)；一體化

光電探測系統(tǒng)在航空攝影、戰(zhàn)場偵察、成像制導(dǎo)等諸多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[1]。光電探測是通過光電變換和信號(hào)處理等方式得到待測的物理信息的過程[2]，光電探測器在其中起著非常重要的作用，故其特性參數(shù)在實(shí)際光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要著重考慮?；诖?，本文開發(fā)了一套測試光電探測器特性參數(shù)一體化實(shí)驗(yàn)裝置。

光電探測器件中，光電池和光電管均是利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制作的器件，光電池不加偏壓就能將光能轉(zhuǎn)換成電能；而光電管、光敏電阻需要在外加電壓條件下工作。實(shí)際中主要考慮光伏探測器的伏安特性、開路電壓、短路電流、光譜特性等性質(zhì)。

本實(shí)驗(yàn)裝置采用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對裝置精密控制，通過按鍵調(diào)節(jié)提高分辨率，使得數(shù)據(jù)更加精密穩(wěn)定，性能優(yōu)于一般教學(xué)儀器。除此之外，基于嵌入式系統(tǒng)的光電探測綜合實(shí)驗(yàn)裝置由硬件模塊和軟件模塊兩個(gè)主模塊組成，由于主要以學(xué)生為主體設(shè)計(jì)制作，所以應(yīng)該更適用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)。

1 硬件模塊

裝置外殼采用了黑色亞克力材料，具有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)。1)暗室效果好，黑色的外殼能降低外界光源的干擾；2)結(jié)實(shí)耐用，亞克力材質(zhì)強(qiáng)度高，不易損壞，適合學(xué)生使用；3)成本低廉，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

主控面板采用傾斜設(shè)計(jì)，便于實(shí)驗(yàn)者觀測數(shù)據(jù)、調(diào)節(jié)控制等操作。

硬件模塊主要包含內(nèi)外兩部分：裝置外部主要有單片機(jī)主控板模塊、電壓和電流顯示器模塊、顏色傳感顯示模塊、調(diào)制信號(hào)輸出模塊；裝置內(nèi)部包括光源模塊、探測器測試模塊和電源模塊。如圖1所示。

探測器測試模塊：包括便于更換測試對象的可插拔IC座和RGB三色探測器。電源模塊采用5V、12V雙輸出電源供電。

主控模塊：本儀器采用的是STC公司生產(chǎn)的89C52RC芯片，通過1-P04和2-P03控制光伏探測器測試開關(guān)切換電路和INC-P00、UD-P01及CS-P02控制電壓調(diào)節(jié)電路。

主控模塊的原理圖如圖2所示。

圖2 單片機(jī)主控模塊

開關(guān)模塊：采用CD4066芯片，其原理圖如圖3 所示。CD4066 的每個(gè)封裝內(nèi)部有4個(gè)獨(dú)立的模擬開關(guān)。CD4066的引出端排列與CC4016一致，但具有比較低的導(dǎo)通阻抗。與單通道開關(guān)相比，具有輸入信號(hào)電壓穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)需要切換電路時(shí),撥動(dòng)開關(guān)則對應(yīng)測試電路的指示燈亮起。這樣設(shè)計(jì)避免了接線的過程，使實(shí)驗(yàn)更加穩(wěn)定可靠。

輸出電壓控制模塊：該模塊的電路原理圖如圖4所示，它包含了粗調(diào)和精調(diào)兩個(gè)部分，以實(shí)現(xiàn)精密控制的功能。粗調(diào)部分采用了X9511芯片。X9511為數(shù)字電位器，帶有32個(gè)滑動(dòng)抽頭點(diǎn)。該芯片通過改變電阻來改變分壓，在本實(shí)驗(yàn)裝置中，供電電壓為5 V，故精度為5 V/32格=0.156 V/格。精調(diào)部分采用了X9C102數(shù)字電位器，其精度為1 kΩ/100格。粗調(diào)與精調(diào)結(jié)合，保證數(shù)據(jù)變化更加精確。

光源模塊：采用了3種光源設(shè)計(jì)，滿足不同的實(shí)驗(yàn)需要，豐富了拓展實(shí)踐的條件。1)全彩LED光源完成除時(shí)間響應(yīng)特性以外的所有特性測試。全彩LED的光譜如圖5(a)所示。2)儀器中選用功率為10 W的鹵素?zé)?，特點(diǎn)是亮度容易控制，顯色性較好(Ra=100)，發(fā)光波段包含紅外波段，適用于紅外光電器件的實(shí)驗(yàn)，鹵素?zé)艄庾V如圖5(b)所示。為使整個(gè)光室內(nèi)發(fā)光均勻，加入了菲涅爾透鏡(焦距為5 mm 直徑90 mm)，當(dāng)光源位于菲涅爾透鏡的焦平面上時(shí)，透射光為平行光。3)高亮LED光源主要用于完成對光電探測器的時(shí)間響應(yīng)特性測試。信號(hào)源由調(diào)制信號(hào)輸出模塊提供，工作電壓為2.5 V，高亮LED光譜如圖5(c)所示。

圖3 開關(guān)模塊

圖4 輸出電壓控制模塊

(a)全彩LED

(b)鹵素?zé)?/p>

(c)高亮LED圖5 光源模塊

2 軟件模塊

軟件系統(tǒng)采用分層函數(shù)設(shè)計(jì)，便于日后升級與維護(hù)，同時(shí)增加了程序的可讀性。3個(gè)函數(shù)塊相互獨(dú)立，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。單片機(jī)P0端口與按鍵及數(shù)字電位器控制接口相連，節(jié)省出P1、P2、P3接口，有利于日后升級及擴(kuò)展，同時(shí)方便PCB布線，增加面板的美觀程度。

軟件函數(shù)部分主要由3個(gè)基本函數(shù)組成，分別為電路切換函數(shù)、按鍵掃描函數(shù)和數(shù)字電位器控制函數(shù)。當(dāng)程序啟動(dòng)時(shí)，電路切換函數(shù)開始檢測按鍵1是否按下，若檢測到按鍵信號(hào)，則將電路置于相應(yīng)的狀態(tài)，每按下一次按鍵，便切換一次狀態(tài)。進(jìn)入相應(yīng)狀態(tài)后，按鍵掃描函數(shù)開始掃描，若檢測到相應(yīng)按鍵，便調(diào)用相應(yīng)的數(shù)字電位器控制函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖6所示。

圖6 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

3 測試結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)室儀器包括電壓表、電流表、實(shí)體電阻、萬用表、暗室、照度計(jì)以及滑動(dòng)變阻器?；谇度胧较到y(tǒng)的光電探測綜合實(shí)驗(yàn)裝置在對其改進(jìn)后完成了以下實(shí)驗(yàn)對比。

由本設(shè)計(jì)測試的硅光電池的伏安特性測試結(jié)果如圖7(a)所示，由實(shí)驗(yàn)室其他實(shí)驗(yàn)儀器測試出的結(jié)果如圖7(b)所示。對比可知，兩曲線反映的光電池物理特性一致，在電流變化較快的區(qū)間內(nèi)，本儀器可以輸出分辨率更高的電壓，且對應(yīng)電流精度高，可以采集到較多數(shù)據(jù)，曲線更加光滑，對光電池伏安特性的變化描述更加精確。

(a)實(shí)測硅光電池的伏安特性

(b)其他儀器測試的光電池伏安特性圖7 硅光電池伏安特性測試

光電管的特性測試分為光電二極管和光電三極管的伏安特性與光照特性。由本設(shè)計(jì)實(shí)測的光電二極管的伏安特性和光照的關(guān)系如圖8(a)所示，由其他儀器測試的結(jié)果對比曲線如圖8(b)所示，基于嵌入式系統(tǒng)的光電探測綜合實(shí)驗(yàn)裝置的對比橫軸的分度為0.2 V/格，而其他儀器分度約為2 V/格，由此可知本設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)的精度明顯更高，測出的數(shù)據(jù)因而更加精確。

除上述兩項(xiàng)測試外，本裝置同時(shí)還可以完成：光電三極管的伏安特性及光照特性、光電二極管的頻率響應(yīng)特性、硅光電池的光電特性、硅光電池的負(fù)載特性、光敏電阻的伏安特性、設(shè)計(jì)照明燈的光電控制電路、搭建LED伏安特性測試電路及測量LED的發(fā)光光譜等測試及實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)束語

基于嵌入式系統(tǒng)的光電探測器綜合實(shí)驗(yàn)裝置是在“華中科技大學(xué)光電信息學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新基金”項(xiàng)目資助下完成的。我們將所學(xué)的嵌入式系統(tǒng)和實(shí)

(a)光電二極管伏安特性

(b)其他儀器測試的光電二極管伏安特性圖8 光電二極管伏安特性測試

驗(yàn)教學(xué)儀器等知識(shí)相結(jié)合，設(shè)計(jì)制作完成了具有精密控制、調(diào)節(jié)簡易、測試環(huán)境穩(wěn)定、測試種類豐富等優(yōu)良性能的實(shí)驗(yàn)裝置。

由于所學(xué)知識(shí)和提供經(jīng)費(fèi)有限，我們設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置仍有許多可以改進(jìn)及豐富的空間，日后會(huì)做更多的研究與探索。

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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

華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2014年12月5日)。

郭守靖(1995-)，男，本科，光學(xué)與電子信息工程專業(yè)。

陳晶田，工程師，主要從事光電子教學(xué)實(shí)驗(yàn)和光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的研究， cjt@mail.hust.edu.cn

TN206

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.039