光電數字測量儀的制作方法

專利名稱：光電數字測量儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種可用于可見光、近紅外光測量的光電數字測量儀。屬于傳感器 技術和實驗技術領域。
背景技術：
光電傳感器是將光信號轉換成電信號的一種器件，可用于檢測直接由光強度變 化引起的非電量，如光強、光照度等，光電傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠等特 點，它的物理基礎是光電效應，在現代測量與控制系統中的應用非常廣泛。光電數字測 量儀，是利用光電傳感器得到光電信號，通過采樣和處理電路，將光電信號經模/數轉 換后輸入單片機，再經單片機計算和處理后顯示輸出的一種光電實驗儀器。光電數字測量儀是面向高等院校、職業技術學校和其他專業機構進行物理、自 動化等相應專業的課程教學和科研的重要設備之一。隨教學的發展，高校的實驗教學不僅要求實驗設備能夠提供原理性演示性的實 驗項目，同時也要求能進行進一步量化的創新性實驗，培養學生創新的思維和動手能 力，另一方面要求實驗設備要貼近社會生產實踐，為社會培養應用性人才和工程技術人 員，而現有的傳感器實驗多只能提供原理性和演示性的傳感器特性的實驗項目，尚不能 對得到的測量數據作更進一步的處理。還沒有能同時進行可見光和近紅處光的光強、光 電特性測量和實驗研究的實驗儀器。

發明內容
本光電數字測量儀針對現有實驗儀器所存在的缺點，提出一種寬光譜測量范圍 的、能將光電傳感器的光電信號經采樣和單片機處理、最后顯示輸出的光電數字測量 儀，能滿足高等院校等教學科研單位光電實驗的教學要求。光電數字測量儀主機內含有信號的采樣和處理電路、AT89C52單片機和穩定的 電源，從光電傳感器得到的光電信號，通過采樣和處理電路，信號經MAXl 107進行模/ 數轉換后輸入單片機，再經單片機計算和處理，由MAX7219驅動后顯示輸出。本光電數字測量儀所采用的光電傳感器OPT301是一塊具有高靈敏度的光電集成 電路，內含光電二極管和一個精密FET輸入運放的器件，它性能穩定，光譜范圍寬，從 而使得傳感器的輸出電流和輸入光的光照度是準確的線性關系，而該傳感器的工作電壓 范圍寬，暗電流小，耗電省。它有一個入射光接收窗口，以便其內的光電二極管接收入 射的可見光和近紅外光光譜，光電二極管工作在零偏壓，具有很低的漏電流，其光響應 的波長范圍300nm llOOnm。光電測量儀的單片機采用ATMEL公司的低電壓、高性能的8位單片機 AT89C52,片內含SkB的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256B的隨機存取數據存 儲器(RAM)，它有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出(I/O)端口，同時內含2個外中 斷口，3個16位可編程定時計數器，1個全雙工串行通信口，AT89C52可在線編寫。特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發成本。顯示驅動器采用MAX7219芯片，MAX7219是高性能的多位LED顯示驅動器，
其接口采用當前流行的同步串行外設接口 SPI，可與單片機方便連接并可同時驅動8位 LED。MAX7219內部還具有15X8位RAM功能控制寄存器，可方便尋址，對每位數字 可單獨控制及刷新，無需重寫整個顯示器。顯示器的亮度可數字控制。光電數字測量儀采用無頻閃的直流電燈作為可見光發光光源，從而得到更為穩 定的光強，同時也可通過更換OD系列大功率紅外發光管來作為紅外光發光光源，工作時 照明光路是置與暗筒中進行的，消除了雜散光對實驗的影響。光學暗筒的結構一端是 裝有光電傳感器的安裝蓋，通過屏蔽連接導線將光電信號引入測量儀主機電路，另一端 是裝有直流電燈的可沿暗筒中心軸作定向移動的圓柱形金屬桿，上面標有刻度，可以調 節并讀取光源與光電傳感器元件的距離，改變它們之間的相對照度。學生通過本光電數字測量儀可掌握光電傳感器的工作原理和基本特性，掌握光 電傳感器的檢測原理和方法。可測量光電傳感器的可見光的光照特性和光電特性曲線。 同時也可完成光電傳感器的紅外光的光照特性和光電特性曲線。通過光源與傳感器間距 離的調節，可完成光強與距離的關系曲線。


圖1是光電數字測量儀主機，圖1中1是光電數字測量儀主機，3是四位數顯電 流表，4是六位數顯照度輸出，5是電源指示，6是電壓調節旋鈕，7是傳感器電源輸出插 孔，8是光電源調節旋鈕，9是光電源輸出插孔，10是外接輸出口，11是光電傳感器的信 號輸入口。圖2是光學暗筒，圖2中2是光學暗筒，12是光電傳感器，13是光源，14是固 定底座，15是圓柱形軸向刻度尺，16是光源接線，17是光電傳感器電源接線，18是光電 傳感器信號輸出線。圖3是OPT301的內部電路4是光電傳感器的信號輸出電路圖5是光電信號的采集與處理電路圖6是基本的I/O電路圖
具體實施例方式本光電數字測量儀包含光電數字測量儀主機1和光學暗筒2兩大部分，在光電數 字測量儀主機1中包括信號采樣和處理電路、單片機和穩定的電源，以及一組四位數顯 的電流表3和一組六位的光照度輸出4，面板上有光電傳感器的電源輸出7和光源的電源 輸出9及傳感器的信號輸入口 11。光學暗筒2內含有光電集成電路12和可更換光源13 及可調整光源與光電傳感器距離的沿軸定向移動的圓柱形刻度尺15。光電數字測量儀主機1的傳感器電源輸出7與光學暗筒2中的17端通過導線相 接，并由電壓調節旋鈕6調節，輸入傳感器所需電源。主機1上的電源輸出端9與光學 暗筒中的16端通過導線相接，并由光電源調節旋鈕8調節，輸入發光光源所需電源，光 學暗筒中的18端輸出的光電傳感器信號，通過屏蔽導線輸入到光電數字測量儀主機1中
4的11信號輸入口。而光學暗筒2的左右兩端都是經螺紋連接并進行密閉的，旋開后可以 方便地更換不同的光源和進行后期的維護。 光電數字測量儀的光電集成芯片采用OPT301，單片機采用AT89C52，積分電路 采用LM308，模/數轉換器采用MAXl 107，OPT301的1腳接正電源，3腳接負電源， 8腳接地，電源與地之間分別接有濾波電容Cl和C2，OPT301的8腳接地，4、5腳間接 有一電阻R1，其5腳輸出的光電信號通過電阻R2耦合連接到積分電路放大器LM308的 輸入端2腳，LM308的電源與地之間分別接有濾波電容C6、C3，其3腳接地，1、8腳 間接有一電容C4，其輸出端6腳連接MAX1107的2腳輸入端，在LM308的輸出端與輸 入端之間并聯連接有積分電阻R3、R4和電容C5，MAX1107的1、8腳接入+5V電源， 在電源與地之間接有濾波電容C7，同時它3、4腳接地，其輸出的10、9、7腳分別連接 AT89C52的P1.0，P1.1禾Π P1.2端口，AT89C52的31腳接高電平，其輸出I/O端Ρ0.0 Ρ0.8連接總線通訊控制器SJA1000的數據端口 ADO AD7，SJA1000的9、10腳接時鐘， 8腳接地，其時鐘輸出端7腳連接單片機的時鐘輸入端19，使兩者時鐘同步，SJA1000和 AT89C52中斷接口互相連接，SJA1000的15、21腳接地，其CS腳連接AT89C52的28 腳，SJA1000的18、22腳接電源，電源串聯電阻R12、R13接地，R13對地的分壓接入 其20腳。AT89C52的17、18和19腳分別接入顯示驅動ΜΑΧ7219的1、12和13腳的 DIN、LOAD禾Π CLK端，ΜΑΧ7219的4腳和9腳接地，19腳接入+5V電壓，其2、3、 5、8、10腳的DIGO到DIG5端各自與六位數碼管的陰極相連，其14 17、20 23端 的SEGA SEGG和DP端作為數碼顯示管的7段驅動和小數點驅動。
權利要求
1.一種光電數字測量儀，包含光電數字測量儀主機(1)和光學暗筒(2)，光學暗筒 (2)內含有光電集成電路(12)和可更換的光源(13)及可軸向調整距離的光源支架(15)， 光電數字測量儀主機(1)內包括信號采樣和處理電路、單片機和穩定的電源，以及一組 四位數顯的電流表(3)和一組六位的光照度輸出(4)，面板上有光電傳感器的電源輸出 (7)和光源的電源輸出(9)及傳感器的信號輸入口(11)。從光電傳感器(12)得到的光電 信號，通過采樣和處理電路，信號經模/數轉換后輸入單片機，經單片機計算和處理后 顯示輸出。
2.根據權利要求1所述的光電數字測量儀，其特征是其光電傳感器采用了高靈敏 度的光電集成芯片OPT301，能進行可見光和近紅外光的光照和光電特性測量。
3.根據權利要求1所述的光電數字測量儀，其特征是在光電數字測量儀主機(1) 內采用了單片機AT89C52進行信號的處理和計算，采用了 LM308進行信號積分，通過 MAXl 107進行信號的A/D模數轉換，SJA1000進行信號控制和通訊，并經MAX7219驅 動后顯示輸出。
4.根據權利要求1所述的光電數字測量儀，其特征是光學暗筒是一段圓柱形封閉 的鋁筒，筒中左側固定有光電集成芯片OPT301，暗筒中有可更換的光源，可分別選用普 通鎢絲直流電燈和高功率紅外發光管。并將發光光源安裝在一根可沿暗筒軸向移動的圓 柱形金屬桿上，在金屬桿上標有精確的刻度，可以進行調節并讀取光源與光電傳感元件 的距離。
5.根據權利要求1、2和3所述的光電數字測量儀，其特征是在光電數字測量儀主 機(1)上有一組六位數顯的光照度輸出(4)，另有一組四位數顯的電流表(3)，可準確測 量光強和電流值。
6.根據權利要求1和4所述的光電數字測量儀，其特征是光學暗筒(2)的左右端都 是經螺紋連接進行密閉的，可方便更換光源和后期的維護。
全文摘要
一種光電數字測量儀，包含光電數字測量儀主機和光學暗筒，光學暗筒內含有光電集成電路和可更換的光源及可軸向調整距離的光源支架，光電數字測量儀主機內包括信號的采樣和處理電路、單片機和穩定的電源，以及一組四位數顯的電流表和一組六位的光照度輸出，面板上有傳感器和光源的電源輸出端和傳感器的信號輸入口。從光電傳感器得到的光電信號，通過采樣和處理電路，信號經模/數轉換后輸入單片機，經單片機計算和處理后顯示輸出。本光電數字測量儀能進行可見光和近紅外光的光照特性和光電特性測量，適合于高等及大中專院校的物理、自動化等相關專業的教學實驗和科研。該儀器結構合理，實驗測量結果準確，數據穩定，利于應用和推廣。
文檔編號G01J1/08GK102012265SQ20091016775
公開日2011年4月13日 申請日期2009年9月25日 優先權日2009年9月25日
發明者汪建 申請人:汪建