低功耗紫外光能量计的研究与设计
发布时间：2019-09-05 14:54
【摘要】：为解决传统紫外光能量计所存在的功耗大、成本高、精度低以及设计复杂等问题,提出一种基于双补偿机制的电流积分型低功耗紫外能量检测方案。该方案利用低功耗单片机实现对紫外光能量的计算;紫外光电探测器输出的电流通过电流积分模块转换为方波脉冲;放电补偿电路和环境光补偿电路对电流积分模块进行误差校正,提高检测精度;主控制器对脉冲数进行统计,计算能量大小;充分利用低功耗模式优化显示程序,显示程序不使用芯片驱动,而是采用微处理器直接驱动,使显示程序的功耗进一步降低。实验证明:该方案功耗不超过165μW,对紫外光能量值的检测误差小于1%,电路复杂度低,使用芯片成本低,具有很强的续航能力和很高的实用价值。
【图文】：
）＋ｋＣＥ。（２）当ＵＣ＞Ｕｔｈ（Ｕｔｈ为施密特触发器阈值）时，施密特触发器输出反转，使得单稳态触发器收到上升沿触发信号，从而输出一个固定时长的高电平脉冲，同时启动放电回路，放电脉冲过后，电容再次进入充电状态，如此反复。由（２）式可知，当ＵＣ和Ｕ（０）固定时，电容每次从初始态充电至Ｕｔｈ所接收光能量Ｅ相同，因此通过统计充电的次数即可计算出ＵＶ能量的数值。３能量检测实现方案３．１系统结构低功耗ＵＶ能量检测系统的原理如图１所示，主要由ＵＶ光电探测器、电流积分模块、补偿电路、低功耗单片机（ＭＳＰ４３０，ＴＩ，美国）［１２］、段码液晶（ＬＣＤ）和驱动电路组成。ＵＶ光电探测器输出的电流信号经电流积分模块转换为脉宽与电流信号强度成正比的脉冲信号，补偿电路则用于对转换过程的误差进行补偿。低功耗ＭＳＰ４３０单片机通过对接收到的脉冲信号进行分析，可以计算出接收到的ＵＶ能量，，并通过段码ＬＣＤ将结果显示出来。图１系统原理框图Ｆｉｇ．１Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ３．２电流积分模块电流积分模块整体电路如图２所示，ＵＶ光电二极管Ｄ２输出电流给电容Ｃ１充电，使Ａ点电压逐渐上升，当ＵＡ＞Ｕｔｈ时，Ｂ点由低电平变为高电平，触发单稳态触发器，使其在Ｃ点输出固定时间（此时间由Ｒ３、Ｃ３设置）的高电平触发信号启动放电回路，电容放电后电路恢复为初始状态，继续充电。由于电流大小决定电容充电速度，所以电流的大小与输出脉冲的周期有对应关系，从而实现电流积分。１０１２０２－２
，（８）式中Ｐａｃｔ为光电二极管接收到的总光功率，Ｐｓｉｇ为被测ＵＶ功率，Ｐｅｎｖ为环境中的干扰光功率。同时ＵＶ光电二极管自身的暗电流也会附加到输出中，即：Ｉ２＝Ｉｐｈ＋Ｉｄ＝ｋＰａｃｔ＋Ｉｄ，（９）式中Ｉ２为光电二极管的输出电流，Ｉｐｈ为光生电流，Ｉｄ为暗电流。所以环境光补偿电路可用于排除此类因素对精度的影响。环境光补偿电路如图２中虚线框（ｂ）所示，Ｄ１只接收环境光，与三极管构成镜像电流源，其等效电路如图４所示，其值为Ｉ１＝ｋＰｅｎｖ＋Ｉｄ，（１０）式中Ｉ１为Ｄ１的输出电流，Ｄ２为ＵＶ检测入口，输出电流为Ｉ２＝ｋＰｓｉｇ＋ｋＰｅｎｖ＋Ｉｄ，（１１）则增加该补偿后最终输出电流和紫外光功率成线性关系，即最终输出电流为Ｉｏｕｔ＝Ｉ２－Ｉ１＝ｋＰｓｉｇ。（１２）图４环境光消除等效电路Ｆｉｇ．４Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｏｆａｍｂｉｅｎｔｌｉｇｈｔｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ３．５段码ＬＣＤ驱动电路设计检测结果使用６位８字段码ＬＣＤ显示。为进一步降低显示功耗，设计了由单片机直接驱动段码ＬＣＤ的电路，而不使用通用的段码ＬＣＤ驱动芯片［１３］。整体驱动电路如图５（ａ）所示，驱动方式采用１／４复用，１／３偏压。但单片机单个输入输出（ＩＯ）口无法输出４种电压，因此采用两个ＩＯ口串联１，２ＭΩ电阻分压来共同实现，实现原理如图５（ｂ）所示。ＩＯ１、ＩＯ２取值为００、０１、１０、１１分别对应０、１／
【作者单位】： 苏州科技大学虚拟现实智能交互及应用技术重点实验室;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所;中国白城兵器试验中心;
【基金】：江苏省建设系统科技项目(2016ZD87) 江苏省普通高校研究生科研创新计划(KYZZ16_0480) 苏州市科技发展计划(重点实验室)(SZS201609) 苏州科技大学研究生创新项目(SKCX16_043)
【分类号】：TN23
本文编号：2532282
【图文】：
）＋ｋＣＥ。（２）当ＵＣ＞Ｕｔｈ（Ｕｔｈ为施密特触发器阈值）时，施密特触发器输出反转，使得单稳态触发器收到上升沿触发信号，从而输出一个固定时长的高电平脉冲，同时启动放电回路，放电脉冲过后，电容再次进入充电状态，如此反复。由（２）式可知，当ＵＣ和Ｕ（０）固定时，电容每次从初始态充电至Ｕｔｈ所接收光能量Ｅ相同，因此通过统计充电的次数即可计算出ＵＶ能量的数值。３能量检测实现方案３．１系统结构低功耗ＵＶ能量检测系统的原理如图１所示，主要由ＵＶ光电探测器、电流积分模块、补偿电路、低功耗单片机（ＭＳＰ４３０，ＴＩ，美国）［１２］、段码液晶（ＬＣＤ）和驱动电路组成。ＵＶ光电探测器输出的电流信号经电流积分模块转换为脉宽与电流信号强度成正比的脉冲信号，补偿电路则用于对转换过程的误差进行补偿。低功耗ＭＳＰ４３０单片机通过对接收到的脉冲信号进行分析，可以计算出接收到的ＵＶ能量，，并通过段码ＬＣＤ将结果显示出来。图１系统原理框图Ｆｉｇ．１Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ３．２电流积分模块电流积分模块整体电路如图２所示，ＵＶ光电二极管Ｄ２输出电流给电容Ｃ１充电，使Ａ点电压逐渐上升，当ＵＡ＞Ｕｔｈ时，Ｂ点由低电平变为高电平，触发单稳态触发器，使其在Ｃ点输出固定时间（此时间由Ｒ３、Ｃ３设置）的高电平触发信号启动放电回路，电容放电后电路恢复为初始状态，继续充电。由于电流大小决定电容充电速度，所以电流的大小与输出脉冲的周期有对应关系，从而实现电流积分。１０１２０２－２
，（８）式中Ｐａｃｔ为光电二极管接收到的总光功率，Ｐｓｉｇ为被测ＵＶ功率，Ｐｅｎｖ为环境中的干扰光功率。同时ＵＶ光电二极管自身的暗电流也会附加到输出中，即：Ｉ２＝Ｉｐｈ＋Ｉｄ＝ｋＰａｃｔ＋Ｉｄ，（９）式中Ｉ２为光电二极管的输出电流，Ｉｐｈ为光生电流，Ｉｄ为暗电流。所以环境光补偿电路可用于排除此类因素对精度的影响。环境光补偿电路如图２中虚线框（ｂ）所示，Ｄ１只接收环境光，与三极管构成镜像电流源，其等效电路如图４所示，其值为Ｉ１＝ｋＰｅｎｖ＋Ｉｄ，（１０）式中Ｉ１为Ｄ１的输出电流，Ｄ２为ＵＶ检测入口，输出电流为Ｉ２＝ｋＰｓｉｇ＋ｋＰｅｎｖ＋Ｉｄ，（１１）则增加该补偿后最终输出电流和紫外光功率成线性关系，即最终输出电流为Ｉｏｕｔ＝Ｉ２－Ｉ１＝ｋＰｓｉｇ。（１２）图４环境光消除等效电路Ｆｉｇ．４Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｏｆａｍｂｉｅｎｔｌｉｇｈｔｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ３．５段码ＬＣＤ驱动电路设计检测结果使用６位８字段码ＬＣＤ显示。为进一步降低显示功耗，设计了由单片机直接驱动段码ＬＣＤ的电路，而不使用通用的段码ＬＣＤ驱动芯片［１３］。整体驱动电路如图５（ａ）所示，驱动方式采用１／４复用，１／３偏压。但单片机单个输入输出（ＩＯ）口无法输出４种电压，因此采用两个ＩＯ口串联１，２ＭΩ电阻分压来共同实现，实现原理如图５（ｂ）所示。ＩＯ１、ＩＯ２取值为００、０１、１０、１１分别对应０、１／
【作者单位】： 苏州科技大学虚拟现实智能交互及应用技术重点实验室;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所;中国白城兵器试验中心;
【基金】：江苏省建设系统科技项目(2016ZD87) 江苏省普通高校研究生科研创新计划(KYZZ16_0480) 苏州市科技发展计划(重点实验室)(SZS201609) 苏州科技大学研究生创新项目(SKCX16_043)
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