专利名称：光电数字测量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可用于可见光、近红外光测量的光电数字测量仪。属于传感器 技术和实验技术领域。
背景技术：
光电传感器是将光信号转换成电信号的一种器件，可用于检测直接由光强度变 化引起的非电量，如光强、光照度等，光电传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特 点，它的物理基础是光电效应，在现代测量与控制系统中的应用非常广泛。光电数字测 量仪，是利用光电传感器得到光电信号，通过采样和处理电路，将光电信号经模/数转 换后输入单片机，再经单片机计算和处理后显示输出的一种光电实验仪器。光电数字测量仪是面向高等院校、职业技术学校和其他专业机构进行物理、自 动化等相应专业的课程教学和科研的重要设备之一。随教学的发展，高校的实验教学不仅要求实验设备能够提供原理性演示性的实 验项目，同时也要求能进行进一步量化的创新性实验，培养学生创新的思维和动手能 力，另一方面要求实验设备要贴近社会生产实践，为社会培养应用性人才和工程技术人 员，而现有的传感器实验多只能提供原理性和演示性的传感器特性的实验项目，尚不能 对得到的测量数据作更进一步的处理。还没有能同时进行可见光和近红处光的光强、光 电特性测量和实验研究的实验仪器。
发明内容
本光电数字测量仪针对现有实验仪器所存在的缺点，提出一种宽光谱测量范围 的、能将光电传感器的光电信号经采样和单片机处理、最后显示输出的光电数字测量 仪，能满足高等院校等教学科研单位光电实验的教学要求。光电数字测量仪主机内含有信号的采样和处理电路、AT89C52单片机和稳定的 电源，从光电传感器得到的光电信号，通过采样和处理电路，信号经MAXl 107进行模/ 数转换后输入单片机，再经单片机计算和处理，由MAX7219驱动后显示输出。本光电数字测量仪所采用的光电传感器OPT301是一块具有高灵敏度的光电集成 电路，内含光电二极管和一个精密FET输入运放的器件，它性能稳定，光谱范围宽，从 而使得传感器的输出电流和输入光的光照度是准确的线性关系，而该传感器的工作电压 范围宽，暗电流小，耗电省。它有一个入射光接收窗口，以便其内的光电二极管接收入 射的可见光和近红外光光谱，光电二极管工作在零偏压，具有很低的漏电流，其光响应 的波长范围300nm llOOnm。光电测量仪的单片机采用ATMEL公司的低电压、高性能的8位单片机 AT89C52,片内含SkB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256B的随机存取数据存 储器(RAM)，它有40个引脚，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中 断口，3个16位可编程定时计数器，1个全双工串行通信口，AT89C52可在线编写。特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。显示驱动器采用MAX7219芯片，MAX7219是高性能的多位LED显示驱动器，
其接口采用当前流行的同步串行外设接口 SPI，可与单片机方便连接并可同时驱动8位 LED。MAX7219内部还具有15X8位RAM功能控制寄存器，可方便寻址，对每位数字 可单独控制及刷新，无需重写整个显示器。显示器的亮度可数字控制。光电数字测量仪采用无频闪的直流电灯作为可见光发光光源，从而得到更为稳 定的光强，同时也可通过更换OD系列大功率红外发光管来作为红外光发光光源，工作时 照明光路是置与暗筒中进行的，消除了杂散光对实验的影响。光学暗筒的结构一端是 装有光电传感器的安装盖，通过屏蔽连接导线将光电信号引入测量仪主机电路，另一端 是装有直流电灯的可沿暗筒中心轴作定向移动的圆柱形金属杆，上面标有刻度，可以调 节并读取光源与光电传感器元件的距离，改变它们之间的相对照度。学生通过本光电数字测量仪可掌握光电传感器的工作原理和基本特性，掌握光 电传感器的检测原理和方法。可测量光电传感器的可见光的光照特性和光电特性曲线。 同时也可完成光电传感器的红外光的光照特性和光电特性曲线。通过光源与传感器间距 离的调节，可完成光强与距离的关系曲线。
图1是光电数字测量仪主机，图1中1是光电数字测量仪主机，3是四位数显电 流表，4是六位数显照度输出，5是电源指示，6是电压调节旋钮，7是传感器电源输出插 孔，8是光电源调节旋钮，9是光电源输出插孔，10是外接输出口，11是光电传感器的信 号输入口。图2是光学暗筒，图2中2是光学暗筒，12是光电传感器，13是光源，14是固 定底座，15是圆柱形轴向刻度尺，16是光源接线，17是光电传感器电源接线，18是光电 传感器信号输出线。图3是OPT301的内部电路4是光电传感器的信号输出电路图5是光电信号的采集与处理电路图6是基本的I/O电路图
具体实施例方式本光电数字测量仪包含光电数字测量仪主机1和光学暗筒2两大部分，在光电数 字测量仪主机1中包括信号采样和处理电路、单片机和稳定的电源，以及一组四位数显 的电流表3和一组六位的光照度输出4，面板上有光电传感器的电源输出7和光源的电源 输出9及传感器的信号输入口 11。光学暗筒2内含有光电集成电路12和可更换光源13 及可调整光源与光电传感器距离的沿轴定向移动的圆柱形刻度尺15。光电数字测量仪主机1的传感器电源输出7与光学暗筒2中的17端通过导线相 接，并由电压调节旋钮6调节，输入传感器所需电源。主机1上的电源输出端9与光学 暗筒中的16端通过导线相接，并由光电源调节旋钮8调节，输入发光光源所需电源，光 学暗筒中的18端输出的光电传感器信号，通过屏蔽导线输入到光电数字测量仪主机1中
4的11信号输入口。而光学暗筒2的左右两端都是经螺纹连接并进行密闭的，旋开后可以 方便地更换不同的光源和进行后期的维护。 光电数字测量仪的光电集成芯片采用OPT301，单片机采用AT89C52，积分电路 采用LM308，模/数转换器采用MAXl 107，OPT301的1脚接正电源，3脚接负电源， 8脚接地，电源与地之间分别接有滤波电容Cl和C2，OPT301的8脚接地，4、5脚间接 有一电阻R1，其5脚输出的光电信号通过电阻R2耦合连接到积分电路放大器LM308的 输入端2脚，LM308的电源与地之间分别接有滤波电容C6、C3，其3脚接地，1、8脚 间接有一电容C4，其输出端6脚连接MAX1107的2脚输入端，在LM308的输出端与输 入端之间并联连接有积分电阻R3、R4和电容C5，MAX1107的1、8脚接入+5V电源， 在电源与地之间接有滤波电容C7，同时它3、4脚接地，其输出的10、9、7脚分别连接 AT89C52的P1.0，P1.1禾Π P1.2端口，AT89C52的31脚接高电平，其输出I/O端Ρ0.0 Ρ0.8连接总线通讯控制器SJA1000的数据端口 ADO AD7，SJA1000的9、10脚接时钟， 8脚接地，其时钟输出端7脚连接单片机的时钟输入端19，使两者时钟同步，SJA1000和 AT89C52中断接口互相连接，SJA1000的15、21脚接地，其CS脚连接AT89C52的28 脚，SJA1000的18、22脚接电源，电源串联电阻R12、R13接地，R13对地的分压接入 其20脚。AT89C52的17、18和19脚分别接入显示驱动ΜΑΧ7219的1、12和13脚的 DIN、LOAD禾Π CLK端，ΜΑΧ7219的4脚和9脚接地，19脚接入+5V电压，其2、3、 5、8、10脚的DIGO到DIG5端各自与六位数码管的阴极相连，其14 17、20 23端 的SEGA SEGG和DP端作为数码显示管的7段驱动和小数点驱动。
权利要求
1.一种光电数字测量仪，包含光电数字测量仪主机(1)和光学暗筒(2)，光学暗筒 (2)内含有光电集成电路(12)和可更换的光源(13)及可轴向调整距离的光源支架(15)， 光电数字测量仪主机(1)内包括信号采样和处理电路、单片机和稳定的电源，以及一组 四位数显的电流表(3)和一组六位的光照度输出(4)，面板上有光电传感器的电源输出 (7)和光源的电源输出(9)及传感器的信号输入口(11)。从光电传感器(12)得到的光电 信号，通过采样和处理电路，信号经模/数转换后输入单片机，经单片机计算和处理后 显示输出。
2.根据权利要求1所述的光电数字测量仪，其特征是其光电传感器采用了高灵敏 度的光电集成芯片OPT301，能进行可见光和近红外光的光照和光电特性测量。
3.根据权利要求1所述的光电数字测量仪，其特征是在光电数字测量仪主机(1) 内采用了单片机AT89C52进行信号的处理和计算，采用了 LM308进行信号积分，通过 MAXl 107进行信号的A/D模数转换，SJA1000进行信号控制和通讯，并经MAX7219驱 动后显示输出。
4.根据权利要求1所述的光电数字测量仪，其特征是光学暗筒是一段圆柱形封闭 的铝筒，筒中左侧固定有光电集成芯片OPT301，暗筒中有可更换的光源，可分别选用普 通钨丝直流电灯和高功率红外发光管。并将发光光源安装在一根可沿暗筒轴向移动的圆 柱形金属杆上，在金属杆上标有精确的刻度，可以进行调节并读取光源与光电传感元件 的距离。
5.根据权利要求1、2和3所述的光电数字测量仪，其特征是在光电数字测量仪主 机(1)上有一组六位数显的光照度输出(4)，另有一组四位数显的电流表(3)，可准确测 量光强和电流值。
6.根据权利要求1和4所述的光电数字测量仪，其特征是光学暗筒(2)的左右端都 是经螺纹连接进行密闭的，可方便更换光源和后期的维护。
全文摘要
一种光电数字测量仪，包含光电数字测量仪主机和光学暗筒，光学暗筒内含有光电集成电路和可更换的光源及可轴向调整距离的光源支架，光电数字测量仪主机内包括信号的采样和处理电路、单片机和稳定的电源，以及一组四位数显的电流表和一组六位的光照度输出，面板上有传感器和光源的电源输出端和传感器的信号输入口。从光电传感器得到的光电信号，通过采样和处理电路，信号经模/数转换后输入单片机，经单片机计算和处理后显示输出。本光电数字测量仪能进行可见光和近红外光的光照特性和光电特性测量，适合于高等及大中专院校的物理、自动化等相关专业的教学实验和科研。该仪器结构合理，实验测量结果准确，数据稳定，利于应用和推广。
文档编号G01J1/08GK102012265SQ20091016775
公开日2011年4月13日 申请日期2009年9月25日 优先权日2009年9月25日
发明者汪建 申请人:汪建