低功耗紫外光能量計的研究與設(shè)計
發(fā)布時間：2019-09-05 14:54
【摘要】：為解決傳統(tǒng)紫外光能量計所存在的功耗大、成本高、精度低以及設(shè)計復雜等問題,提出一種基于雙補償機制的電流積分型低功耗紫外能量檢測方案。該方案利用低功耗單片機實現(xiàn)對紫外光能量的計算;紫外光電探測器輸出的電流通過電流積分模塊轉(zhuǎn)換為方波脈沖;放電補償電路和環(huán)境光補償電路對電流積分模塊進行誤差校正,提高檢測精度;主控制器對脈沖數(shù)進行統(tǒng)計,計算能量大小;充分利用低功耗模式優(yōu)化顯示程序,顯示程序不使用芯片驅(qū)動,而是采用微處理器直接驅(qū)動,使顯示程序的功耗進一步降低。實驗證明:該方案功耗不超過165μW,對紫外光能量值的檢測誤差小于1%,電路復雜度低,使用芯片成本低,具有很強的續(xù)航能力和很高的實用價值。
【圖文】：
）＋ｋＣＥ。（２）當ＵＣ＞Ｕｔｈ（Ｕｔｈ為施密特觸發(fā)器閾值）時，施密特觸發(fā)器輸出反轉(zhuǎn)，使得單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器收到上升沿觸發(fā)信號，從而輸出一個固定時長的高電平脈沖，同時啟動放電回路，放電脈沖過后，電容再次進入充電狀態(tài)，如此反復。由（２）式可知，當ＵＣ和Ｕ（０）固定時，電容每次從初始態(tài)充電至Ｕｔｈ所接收光能量Ｅ相同，因此通過統(tǒng)計充電的次數(shù)即可計算出ＵＶ能量的數(shù)值。３能量檢測實現(xiàn)方案３．１系統(tǒng)結(jié)構(gòu)低功耗ＵＶ能量檢測系統(tǒng)的原理如圖１所示，主要由ＵＶ光電探測器、電流積分模塊、補償電路、低功耗單片機（ＭＳＰ４３０，ＴＩ，美國）［１２］、段碼液晶（ＬＣＤ）和驅(qū)動電路組成。ＵＶ光電探測器輸出的電流信號經(jīng)電流積分模塊轉(zhuǎn)換為脈寬與電流信號強度成正比的脈沖信號，補償電路則用于對轉(zhuǎn)換過程的誤差進行補償。低功耗ＭＳＰ４３０單片機通過對接收到的脈沖信號進行分析，可以計算出接收到的ＵＶ能量，，并通過段碼ＬＣＤ將結(jié)果顯示出來。圖１系統(tǒng)原理框圖Ｆｉｇ．１Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ３．２電流積分模塊電流積分模塊整體電路如圖２所示，ＵＶ光電二極管Ｄ２輸出電流給電容Ｃ１充電，使Ａ點電壓逐漸上升，當ＵＡ＞Ｕｔｈ時，Ｂ點由低電平變?yōu)楦唠娖�，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，使其在Ｃ點輸出固定時間（此時間由Ｒ３、Ｃ３設(shè)置）的高電平觸發(fā)信號啟動放電回路，電容放電后電路恢復為初始狀態(tài)，繼續(xù)充電。由于電流大小決定電容充電速度，所以電流的大小與輸出脈沖的周期有對應關(guān)系，從而實現(xiàn)電流積分。１０１２０２－２
，（８）式中Ｐａｃｔ為光電二極管接收到的總光功率，Ｐｓｉｇ為被測ＵＶ功率，Ｐｅｎｖ為環(huán)境中的干擾光功率。同時ＵＶ光電二極管自身的暗電流也會附加到輸出中，即：Ｉ２＝Ｉｐｈ＋Ｉｄ＝ｋＰａｃｔ＋Ｉｄ，（９）式中Ｉ２為光電二極管的輸出電流，Ｉｐｈ為光生電流，Ｉｄ為暗電流。所以環(huán)境光補償電路可用于排除此類因素對精度的影響。環(huán)境光補償電路如圖２中虛線框（ｂ）所示，Ｄ１只接收環(huán)境光，與三極管構(gòu)成鏡像電流源，其等效電路如圖４所示，其值為Ｉ１＝ｋＰｅｎｖ＋Ｉｄ，（１０）式中Ｉ１為Ｄ１的輸出電流，Ｄ２為ＵＶ檢測入口，輸出電流為Ｉ２＝ｋＰｓｉｇ＋ｋＰｅｎｖ＋Ｉｄ，（１１）則增加該補償后最終輸出電流和紫外光功率成線性關(guān)系，即最終輸出電流為Ｉｏｕｔ＝Ｉ２－Ｉ１＝ｋＰｓｉｇ。（１２）圖４環(huán)境光消除等效電路Ｆｉｇ．４Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｏｆａｍｂｉｅｎｔｌｉｇｈｔｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ３．５段碼ＬＣＤ驅(qū)動電路設(shè)計檢測結(jié)果使用６位８字段碼ＬＣＤ顯示。為進一步降低顯示功耗，設(shè)計了由單片機直接驅(qū)動段碼ＬＣＤ的電路，而不使用通用的段碼ＬＣＤ驅(qū)動芯片［１３］。整體驅(qū)動電路如圖５（ａ）所示，驅(qū)動方式采用１／４復用，１／３偏壓。但單片機單個輸入輸出（ＩＯ）口無法輸出４種電壓，因此采用兩個ＩＯ口串聯(lián)１，２ＭΩ電阻分壓來共同實現(xiàn)，實現(xiàn)原理如圖５（ｂ）所示。ＩＯ１、ＩＯ２取值為００、０１、１０、１１分別對應０、１／
【作者單位】： 蘇州科技大學虛擬現(xiàn)實智能交互及應用技術(shù)重點實驗室;中國科學院長春光學精密機械與物理研究所;中國白城兵器試驗中心;
【基金】：江蘇省建設(shè)系統(tǒng)科技項目(2016ZD87) 江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃(KYZZ16_0480) 蘇州市科技發(fā)展計劃(重點實驗室)(SZS201609) 蘇州科技大學研究生創(chuàng)新項目(SKCX16_043)
【分類號】：TN23
本文編號：2532282
【圖文】：
）＋ｋＣＥ。（２）當ＵＣ＞Ｕｔｈ（Ｕｔｈ為施密特觸發(fā)器閾值）時，施密特觸發(fā)器輸出反轉(zhuǎn)，使得單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器收到上升沿觸發(fā)信號，從而輸出一個固定時長的高電平脈沖，同時啟動放電回路，放電脈沖過后，電容再次進入充電狀態(tài)，如此反復。由（２）式可知，當ＵＣ和Ｕ（０）固定時，電容每次從初始態(tài)充電至Ｕｔｈ所接收光能量Ｅ相同，因此通過統(tǒng)計充電的次數(shù)即可計算出ＵＶ能量的數(shù)值。３能量檢測實現(xiàn)方案３．１系統(tǒng)結(jié)構(gòu)低功耗ＵＶ能量檢測系統(tǒng)的原理如圖１所示，主要由ＵＶ光電探測器、電流積分模塊、補償電路、低功耗單片機（ＭＳＰ４３０，ＴＩ，美國）［１２］、段碼液晶（ＬＣＤ）和驅(qū)動電路組成。ＵＶ光電探測器輸出的電流信號經(jīng)電流積分模塊轉(zhuǎn)換為脈寬與電流信號強度成正比的脈沖信號，補償電路則用于對轉(zhuǎn)換過程的誤差進行補償。低功耗ＭＳＰ４３０單片機通過對接收到的脈沖信號進行分析，可以計算出接收到的ＵＶ能量，，并通過段碼ＬＣＤ將結(jié)果顯示出來。圖１系統(tǒng)原理框圖Ｆｉｇ．１Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ３．２電流積分模塊電流積分模塊整體電路如圖２所示，ＵＶ光電二極管Ｄ２輸出電流給電容Ｃ１充電，使Ａ點電壓逐漸上升，當ＵＡ＞Ｕｔｈ時，Ｂ點由低電平變?yōu)楦唠娖�，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，使其在Ｃ點輸出固定時間（此時間由Ｒ３、Ｃ３設(shè)置）的高電平觸發(fā)信號啟動放電回路，電容放電后電路恢復為初始狀態(tài)，繼續(xù)充電。由于電流大小決定電容充電速度，所以電流的大小與輸出脈沖的周期有對應關(guān)系，從而實現(xiàn)電流積分。１０１２０２－２
，（８）式中Ｐａｃｔ為光電二極管接收到的總光功率，Ｐｓｉｇ為被測ＵＶ功率，Ｐｅｎｖ為環(huán)境中的干擾光功率。同時ＵＶ光電二極管自身的暗電流也會附加到輸出中，即：Ｉ２＝Ｉｐｈ＋Ｉｄ＝ｋＰａｃｔ＋Ｉｄ，（９）式中Ｉ２為光電二極管的輸出電流，Ｉｐｈ為光生電流，Ｉｄ為暗電流。所以環(huán)境光補償電路可用于排除此類因素對精度的影響。環(huán)境光補償電路如圖２中虛線框（ｂ）所示，Ｄ１只接收環(huán)境光，與三極管構(gòu)成鏡像電流源，其等效電路如圖４所示，其值為Ｉ１＝ｋＰｅｎｖ＋Ｉｄ，（１０）式中Ｉ１為Ｄ１的輸出電流，Ｄ２為ＵＶ檢測入口，輸出電流為Ｉ２＝ｋＰｓｉｇ＋ｋＰｅｎｖ＋Ｉｄ，（１１）則增加該補償后最終輸出電流和紫外光功率成線性關(guān)系，即最終輸出電流為Ｉｏｕｔ＝Ｉ２－Ｉ１＝ｋＰｓｉｇ。（１２）圖４環(huán)境光消除等效電路Ｆｉｇ．４Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｏｆａｍｂｉｅｎｔｌｉｇｈｔｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ３．５段碼ＬＣＤ驅(qū)動電路設(shè)計檢測結(jié)果使用６位８字段碼ＬＣＤ顯示。為進一步降低顯示功耗，設(shè)計了由單片機直接驅(qū)動段碼ＬＣＤ的電路，而不使用通用的段碼ＬＣＤ驅(qū)動芯片［１３］。整體驅(qū)動電路如圖５（ａ）所示，驅(qū)動方式采用１／４復用，１／３偏壓。但單片機單個輸入輸出（ＩＯ）口無法輸出４種電壓，因此采用兩個ＩＯ口串聯(lián)１，２ＭΩ電阻分壓來共同實現(xiàn)，實現(xiàn)原理如圖５（ｂ）所示。ＩＯ１、ＩＯ２取值為００、０１、１０、１１分別對應０、１／
【作者單位】： 蘇州科技大學虛擬現(xiàn)實智能交互及應用技術(shù)重點實驗室;中國科學院長春光學精密機械與物理研究所;中國白城兵器試驗中心;
【基金】：江蘇省建設(shè)系統(tǒng)科技項目(2016ZD87) 江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃(KYZZ16_0480) 蘇州市科技發(fā)展計劃(重點實驗室)(SZS201609) 蘇州科技大學研究生創(chuàng)新項目(SKCX16_043)
【分類號】：TN23
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本文編號：2532282
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