張波++裴東興+

文章編號： 10055630(2014)02010403

收稿日期： 20131219

摘要： 針對某型號手機帶手電筒閃光的特點,設(shè)計了一種光源閃動頻率測試系統(tǒng)。利用小面積PIN光電二極管對光源閃動的信息進行捕捉,設(shè)計了光電轉(zhuǎn)換電路對光信號進行識別和轉(zhuǎn)換,采用滯回比較器對信號進行整形。通過對手電筒30 Hz閃動模式實際測量表明:該系統(tǒng)性能可靠且測量精度高,有一定的實用價值。

關(guān)鍵詞： 光源閃動頻率; 光電轉(zhuǎn)換; 滯回比較器

中圖分類號： TN 29文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.02.003

Design of a testing system for light flashing frequency

ZHANG Bo1,2, PEI Dongxing1,2

(1.National Defense Key Laboratory of Electronic Measurement Technology,

North University of China, Taiyuan 030051, China;

2.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement (MOE),

North University of China, Taiyuan 030051, China)

Abstract： A testing system for light flashing frequency was designed for flashlight shining features of some mobile phones. Small area PIN photodiode was used to catch light flashing message; photoelectric conversion circuit was designed to recognize and convert the optical signal; hysteretic comparator was to shape the signal. By actually measuring 30 Hz flashing mode of flashlight, the results showed that the system had characteristics of reliability and high accuracy and had some practical values.

Key words： light flashing frequency; photoelectric conversion; hysteretic comparator

引言光源的頻閃測試在軍事、工業(yè)生產(chǎn)以及日常生活等領(lǐng)域有著重要的作用,例如:通過對彈丸經(jīng)過激光光幕時引起的光信號變化進行捕捉,可以獲取射頻武器的射擊頻率［1］;利用光電編碼器對光電信號進行計數(shù)可以測量電機轉(zhuǎn)動的速度［2］;通過對照明燈閃爍快慢的測量可以辨別護眼燈的真?zhèn)我约百|(zhì)量的好壞等。設(shè)計一種低成本、高性能的頻閃測試系統(tǒng)對于現(xiàn)實生活有著重要意義。針對待測對象的特點,本文以AT89C52單片機作為數(shù)據(jù)處理的核心設(shè)計了一種光源閃動頻率測試系統(tǒng),對某型號手機所帶的手電筒30 Hz閃動模式進行實際測量,驗證了設(shè)計的正確性。圖1光源閃動頻率測試系統(tǒng)工作原理圖

Fig.1The diagram of test system for

light flashing frequency1系統(tǒng)工作原理光源閃動頻率測試系統(tǒng)采用光電檢測技術(shù),利用單片機對光電信號進行處理并對測試結(jié)果進行實時顯示,系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。測試系統(tǒng)由待測光源、光電探頭、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號整形模塊、電源模塊以及數(shù)據(jù)處理與顯示模塊六部分組成。光電探頭用于捕捉待測光源的閃動信息,光電轉(zhuǎn)換模塊則將光信息轉(zhuǎn)換成電信號,信號整形模塊對前端輸入的電信號進行整形降噪,最終通過單片機處理,利用數(shù)碼管進行顯示。系統(tǒng)整體設(shè)計包含硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分,光電探頭選用大面積PIN光電二極管,用于保證對待測光信號的有效接收;光電轉(zhuǎn)換模塊包括光電前置放大和主放大兩部分,其器件的選擇以及電路的設(shè)計應(yīng)考慮噪聲小、靈敏度高且響應(yīng)速度快等;信號整形模塊采用滯回比較器電路,閾值的取值應(yīng)能夠有效濾除外界光源擾動的干擾。光學儀器第36卷

第2期張波，等：光源閃動頻率測試系統(tǒng)設(shè)計

2硬件電路設(shè)計

2.1光電轉(zhuǎn)換電路光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)響應(yīng)的靈敏度、信號幅值、噪聲大小及抗干擾能力強弱等性能參數(shù)［3］,是硬件電路設(shè)計的核心,其中前置放大電路又是光電轉(zhuǎn)換電路的核心。圖2前置放大電路原理圖

Fig.2Preamplifier circuit

schematic前置放大電路用于將光電探頭接收到的光信息轉(zhuǎn)換成便于處理的電壓信號,其基本工作原理如圖2所示。光電二極管在受到光照時,會產(chǎn)生一個與照度成正比的小電流［4］。光電二極管有兩種工作模式:零偏置的光伏模式和反偏置的光導模式［5］。光導模式時外加偏壓使得耗盡區(qū)的寬度增大,響應(yīng)度增大,結(jié)電容變小,但與此同時引進了暗電流,也就引入了輸入噪聲。光伏模式時光電二極管以精確的線性狀態(tài)工作,同時也具有較高的切換速度,考慮到系統(tǒng)工作的可靠性和精確性,故選用其光伏模式。光電探頭通過反饋電阻R1與運算放大器連接,當其接收光照發(fā)生變化時產(chǎn)生與之對應(yīng)的光電流變化,通過反饋電阻產(chǎn)生壓降,從而實現(xiàn)光到電壓的轉(zhuǎn)換。在實際測試環(huán)境中,光電探頭接收的不只是待測光源,還包括各種環(huán)境光,例如太陽光。為了避免因強烈的環(huán)境光影響造成系統(tǒng)飽和,增加系統(tǒng)測試的裕度,在運算放大器的同相輸入端添加負直流偏置電壓VCC1。電容C1與反饋電阻并聯(lián)構(gòu)成低通濾波器,其截止頻率越小測試系統(tǒng)的輸出信噪比越好,但是截止頻率過小會使高頻閃的待測信號產(chǎn)生飽和失真。電路末端的電容C2和電阻R1串聯(lián)形成高通濾波器,用于濾除包括環(huán)境光在內(nèi)的直流分量。前置放大電路的輸入輸出關(guān)系式為Uo=R1*Δi,其中R1為反饋電阻,Δi為光電探頭接收到頻閃信號,Uo為輸出電壓。光電探頭應(yīng)優(yōu)先選擇結(jié)電容小、內(nèi)阻大的光電二極管,用于減少溫度升高給測試造成的干擾。前置放大電路輸出的是毫伏級的電壓,需要通過主放大電路進一步放大以供后續(xù)處理。主放大電路基本工作原理如圖3所示,其輸入輸出關(guān)系式為U2=-(U1R4)/R3。

2.2信號整形電路信號整形電路采用滯回電壓比較器將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字化形式,合理設(shè)置上下兩個閾值可以有效防止外界噪聲的干擾,供單片機電路處理,其工作原理圖如圖4所示。R8為限流電阻,穩(wěn)壓二極管用于限幅產(chǎn)生高低電平,基準電壓VCC2實現(xiàn)閾值電壓的水平搬移,R6與R7的比例關(guān)系直接影響到兩閾值電壓的差值,即測試系統(tǒng)的抗干擾能力。其關(guān)系式如下:UT1=R7R6+R7VCC2

UT2=R7R6+R7VCC2+R7R6+R7UZ(1)其中,UT2和UT1為閾值的上限和下限,UZ為穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓。當輸入電壓Ui上升至大于上限閾值電壓時輸出Uo變?yōu)榈碗娖?當輸入電壓Ui下降至小于下限閾值電壓時輸出Uo變?yōu)楦唠娖健?/p>

圖3主放大電路原理圖

Fig.3Main amplifier circuit schematic圖4滯回比較器原理圖

Fig.4Hysteretic comparator schematic

圖5數(shù)據(jù)處理與顯示電路原理圖

Fig.5Data processing and display

circuit schematic

圖6主程序及外部中斷子程序流程圖

Fig.6The main program and external

interrupt subroutine flowchart

2.3數(shù)據(jù)處理與顯示電路數(shù)據(jù)處理與顯示電路［6］由AT89C52單片機最小系統(tǒng)、譯碼器74HC138、鎖存器74HC573以及數(shù)碼管組成,其原理框圖如圖5所示。單片機的外部中斷引腳P3.2口用于對信號整形電路輸出的方波信號進行檢測,從而獲取光源閃動次數(shù),通過定時器中斷計時來計算閃動頻率,利用P0口向鎖存器輸出段選信號,利用P2.0、P2.1和P2.2向譯碼器輸出位選信號。3軟件設(shè)計測試系統(tǒng)的程序編寫采用C語言模塊化設(shè)計,編程效率高且可讀性強［7］,其主程序流程圖以及中斷處理子程序流程圖如圖6所示。系統(tǒng)復位之后進入主程序初始化,主要工作為設(shè)置定時器0工作方式、裝定時器初值、關(guān)閉定時中斷、設(shè)置外部中斷0觸發(fā)方式,開外部中斷等。測試之前令數(shù)碼管顯示“”,表明處于待測試狀態(tài),初始化完成之后進入循環(huán)顯示。系統(tǒng)通過P3.2口即外部中斷0觸發(fā)輸入端對信號進行檢測,光源每閃動一次產(chǎn)生的下降沿用于觸發(fā)外部中斷,利用閃動次數(shù)加1對其閃動計數(shù)。當?shù)谝粋€閃動信號到來時開啟定時中斷,定時未完成直接返回,定時完成則利用閃動次數(shù)與定時時間的比例計算閃頻。4實測數(shù)據(jù)利用該設(shè)計系統(tǒng)對某型號手機所帶的手電筒30 Hz閃動模式進行10次實際測量,結(jié)果平均為1 782次/min,最大值1 783次/min,最小值1 781次/min。手電筒閃動次數(shù)測量值與手機實際標稱值基本相符。該設(shè)計系統(tǒng)對信號發(fā)生器產(chǎn)生的30 Hz方波進行測量,結(jié)果平均為1 800次/min。

5結(jié)論針對待測光源閃動的特點,利用小面積光電二極管對其閃動信號進行捕捉,設(shè)計光電轉(zhuǎn)換電路和信號整形電路對獲得的光信號進行轉(zhuǎn)換和整形,最終通過單片機處理,利用數(shù)碼管顯示其閃動頻率。實際測試結(jié)果表明:該系統(tǒng)達到預期目的,且成本低,性能可靠,有一定實用價值,可為相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究提供參考依據(jù)。參考文獻：

［1］郭凱.基于虛擬儀器技術(shù)的彈丸初速與射擊頻率測試系統(tǒng)研究與實現(xiàn)［J］.儀器儀表學報,2007,28(S8):282285.

［2］王朕,劉學峰,劉陵順.基于AT89C51的電機轉(zhuǎn)速測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.四川兵工學報,2009,30(5):1921.

［3］王斌,趙冬娥.帶光電直流補償?shù)募す鉁y速靶系統(tǒng)設(shè)計［J］.彈箭與制導學報,2009,29(5):235238.

［4］宋濤,張斌,羅倩倩.光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計與優(yōu)化［J］.電路與控制,2010,25(6):4648.

［5］劉衛(wèi)東,劉延冰,劉建國.檢測微弱光信號的PIN光電檢測電路的設(shè)計［J］.電測與儀表,1999,36(4):2830.

［6］劉輝.小型化彈丸速度測試系統(tǒng)［J］.光學儀器,2009,31(3):1417.

［7］郭天祥.新概念51單片機C語言教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社,2009:202

圖3主放大電路原理圖

Fig.3Main amplifier circuit schematic圖4滯回比較器原理圖

Fig.4Hysteretic comparator schematic

圖5數(shù)據(jù)處理與顯示電路原理圖

Fig.5Data processing and display

circuit schematic

圖6主程序及外部中斷子程序流程圖

Fig.6The main program and external

interrupt subroutine flowchart

2.3數(shù)據(jù)處理與顯示電路數(shù)據(jù)處理與顯示電路［6］由AT89C52單片機最小系統(tǒng)、譯碼器74HC138、鎖存器74HC573以及數(shù)碼管組成,其原理框圖如圖5所示。單片機的外部中斷引腳P3.2口用于對信號整形電路輸出的方波信號進行檢測,從而獲取光源閃動次數(shù),通過定時器中斷計時來計算閃動頻率,利用P0口向鎖存器輸出段選信號,利用P2.0、P2.1和P2.2向譯碼器輸出位選信號。3軟件設(shè)計測試系統(tǒng)的程序編寫采用C語言模塊化設(shè)計,編程效率高且可讀性強［7］,其主程序流程圖以及中斷處理子程序流程圖如圖6所示。系統(tǒng)復位之后進入主程序初始化,主要工作為設(shè)置定時器0工作方式、裝定時器初值、關(guān)閉定時中斷、設(shè)置外部中斷0觸發(fā)方式,開外部中斷等。測試之前令數(shù)碼管顯示“”,表明處于待測試狀態(tài),初始化完成之后進入循環(huán)顯示。系統(tǒng)通過P3.2口即外部中斷0觸發(fā)輸入端對信號進行檢測,光源每閃動一次產(chǎn)生的下降沿用于觸發(fā)外部中斷,利用閃動次數(shù)加1對其閃動計數(shù)。當?shù)谝粋€閃動信號到來時開啟定時中斷,定時未完成直接返回,定時完成則利用閃動次數(shù)與定時時間的比例計算閃頻。4實測數(shù)據(jù)利用該設(shè)計系統(tǒng)對某型號手機所帶的手電筒30 Hz閃動模式進行10次實際測量,結(jié)果平均為1 782次/min,最大值1 783次/min,最小值1 781次/min。手電筒閃動次數(shù)測量值與手機實際標稱值基本相符。該設(shè)計系統(tǒng)對信號發(fā)生器產(chǎn)生的30 Hz方波進行測量,結(jié)果平均為1 800次/min。

5結(jié)論針對待測光源閃動的特點,利用小面積光電二極管對其閃動信號進行捕捉,設(shè)計光電轉(zhuǎn)換電路和信號整形電路對獲得的光信號進行轉(zhuǎn)換和整形,最終通過單片機處理,利用數(shù)碼管顯示其閃動頻率。實際測試結(jié)果表明:該系統(tǒng)達到預期目的,且成本低,性能可靠,有一定實用價值,可為相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究提供參考依據(jù)。參考文獻：

［1］郭凱.基于虛擬儀器技術(shù)的彈丸初速與射擊頻率測試系統(tǒng)研究與實現(xiàn)［J］.儀器儀表學報,2007,28(S8):282285.

［2］王朕,劉學峰,劉陵順.基于AT89C51的電機轉(zhuǎn)速測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.四川兵工學報,2009,30(5):1921.

［3］王斌,趙冬娥.帶光電直流補償?shù)募す鉁y速靶系統(tǒng)設(shè)計［J］.彈箭與制導學報,2009,29(5):235238.

［4］宋濤,張斌,羅倩倩.光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計與優(yōu)化［J］.電路與控制,2010,25(6):4648.

［5］劉衛(wèi)東,劉延冰,劉建國.檢測微弱光信號的PIN光電檢測電路的設(shè)計［J］.電測與儀表,1999,36(4):2830.

［6］劉輝.小型化彈丸速度測試系統(tǒng)［J］.光學儀器,2009,31(3):1417.

［7］郭天祥.新概念51單片機C語言教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社,2009:202

圖3主放大電路原理圖

Fig.3Main amplifier circuit schematic圖4滯回比較器原理圖

Fig.4Hysteretic comparator schematic

圖5數(shù)據(jù)處理與顯示電路原理圖

Fig.5Data processing and display

circuit schematic

圖6主程序及外部中斷子程序流程圖

Fig.6The main program and external

interrupt subroutine flowchart

2.3數(shù)據(jù)處理與顯示電路數(shù)據(jù)處理與顯示電路［6］由AT89C52單片機最小系統(tǒng)、譯碼器74HC138、鎖存器74HC573以及數(shù)碼管組成,其原理框圖如圖5所示。單片機的外部中斷引腳P3.2口用于對信號整形電路輸出的方波信號進行檢測,從而獲取光源閃動次數(shù),通過定時器中斷計時來計算閃動頻率,利用P0口向鎖存器輸出段選信號,利用P2.0、P2.1和P2.2向譯碼器輸出位選信號。3軟件設(shè)計測試系統(tǒng)的程序編寫采用C語言模塊化設(shè)計,編程效率高且可讀性強［7］,其主程序流程圖以及中斷處理子程序流程圖如圖6所示。系統(tǒng)復位之后進入主程序初始化,主要工作為設(shè)置定時器0工作方式、裝定時器初值、關(guān)閉定時中斷、設(shè)置外部中斷0觸發(fā)方式,開外部中斷等。測試之前令數(shù)碼管顯示“”,表明處于待測試狀態(tài),初始化完成之后進入循環(huán)顯示。系統(tǒng)通過P3.2口即外部中斷0觸發(fā)輸入端對信號進行檢測,光源每閃動一次產(chǎn)生的下降沿用于觸發(fā)外部中斷,利用閃動次數(shù)加1對其閃動計數(shù)。當?shù)谝粋€閃動信號到來時開啟定時中斷,定時未完成直接返回,定時完成則利用閃動次數(shù)與定時時間的比例計算閃頻。4實測數(shù)據(jù)利用該設(shè)計系統(tǒng)對某型號手機所帶的手電筒30 Hz閃動模式進行10次實際測量,結(jié)果平均為1 782次/min,最大值1 783次/min,最小值1 781次/min。手電筒閃動次數(shù)測量值與手機實際標稱值基本相符。該設(shè)計系統(tǒng)對信號發(fā)生器產(chǎn)生的30 Hz方波進行測量,結(jié)果平均為1 800次/min。

5結(jié)論針對待測光源閃動的特點,利用小面積光電二極管對其閃動信號進行捕捉,設(shè)計光電轉(zhuǎn)換電路和信號整形電路對獲得的光信號進行轉(zhuǎn)換和整形,最終通過單片機處理,利用數(shù)碼管顯示其閃動頻率。實際測試結(jié)果表明:該系統(tǒng)達到預期目的,且成本低,性能可靠,有一定實用價值,可為相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究提供參考依據(jù)。參考文獻：

［1］郭凱.基于虛擬儀器技術(shù)的彈丸初速與射擊頻率測試系統(tǒng)研究與實現(xiàn)［J］.儀器儀表學報,2007,28(S8):282285.

［2］王朕,劉學峰,劉陵順.基于AT89C51的電機轉(zhuǎn)速測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.四川兵工學報,2009,30(5):1921.

［3］王斌,趙冬娥.帶光電直流補償?shù)募す鉁y速靶系統(tǒng)設(shè)計［J］.彈箭與制導學報,2009,29(5):235238.

［4］宋濤,張斌,羅倩倩.光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計與優(yōu)化［J］.電路與控制,2010,25(6):4648.

［5］劉衛(wèi)東,劉延冰,劉建國.檢測微弱光信號的PIN光電檢測電路的設(shè)計［J］.電測與儀表,1999,36(4):2830.

［6］劉輝.小型化彈丸速度測試系統(tǒng)［J］.光學儀器,2009,31(3):1417.

［7］郭天祥.新概念51單片機C語言教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社,2009:202