基于Si光电池得照度计设计与调试毕业论文.pdf

武汉理工大学光电技术课程设计说明书 1 基于 si 光电池的照度计设计与调试 1 技术指标技术指标 通过 si 光电池、51 单片机和一些必要的芯片，设计并调试出一种可以测量光照度的照 度计。要求系统测量范围为 0-200lx，测量精度达到 1lx；设计光电池输出信号处理电路， 要求可以控制处理后的电压幅度； 设计照度计硬件电路系统，要求系统各个模块能够正 常工作；设计照度计软件控制系统，要求系统整体工作稳定；给设计系统定标，要求测量 结果误差在 1%以内。 2 设计方案及其比较设计方案及其比较 简单的说一下光照计的设计思路。本次设计采用的光电转换核心器件是硅光电池，硅 光电池是一种不需要加偏置就能把光能直接转换为电能的结型光电器件，具有测量光的功 能。测量光电池在不加偏置的情况下，将光信号转换为电信号，此时具有线性范围宽，灵 敏度高等很好的性能。 硅光电池的基本特性包括： 光电池的短路电流sc与入射光照成正比， 开路电压与入射光照度记得对数成正比。当光电池的负载很小的时候，光电流和照度满 足很好的线性关系，并且有很宽的线性范围；此外一定负载条件下光照越弱，其线性关系 越好。 光电池的这些特性，是实际应用中测量照度的基本原理。但这些都是硅光电池的普遍 的基本的特性，实际应用中我们还需要对所用的光电池进行一些必要的测量。以确定实际 所用到的光电池的基本特性，为更好的设计电路，提供依据。在设计电路之前，我对光电 池进行了光电池的照度电流特性的实验。实验原理图见下图 1 所示。 图 1 光电池的照度电流特性的实验原理图 武汉理工大学光电技术课程设计说明书 2 实验过程就是电流表接在光电池两端，把光电池和标准照度计的接收传感器放在同一 受光面上。测量不同光照条件下的短路电流。实验数据记录见下表 1 所示。 表 1 光电池的照度电流特性的实验记录表 光照度（lx） 短路电流（ua） 光照度（lx） 短路电流（ua） 0 0.00 3.7 0.06 5.4 0.08 8.3 0.12 12.8 0.20 22.7 0.35 36.0 0.56 50.2 0.78 80.7 1.23 100.4 1.55 123.8 1.93 150.4 2.31 178.3 2.71 199.0 3.08 220.6 3.38 247.5 3.82 数据通过 matlab 的多项式曲线拟合函数处理得到光电池的照度电流特性曲线如 下图 2 所示。光电流和光照度之间满足的一次线性关系式：e = 0.0154 sc 0.0008。 图 2 光电池的照度电流特性曲线 武汉理工大学光电技术课程设计说明书 3 分析特性曲线可以发现课程设计中使用到的光电池的性能和光电技术课本上的光 电池有很大的差别。短路电流只有 ua 级别，而书上的光电池是 ma 级。所以在使用过程 中需要根据实际情况而定。光电流和光照度有着很好的线性关系，原始数据和一阶线性曲 线完美匹配。 了解到实际使用的光电池的性能参数，下一步就是设计光照计方案。整体方案的思路 大同小异，区别只在前置光电转化电路，系统框图如图 3 所示。 图 3 系统硬件原理框图 2.1 方案一方案一 2.1.1 光电转化电路设计光电转化电路设计 硅光电池工作在线性电流放大区时，负载电阻很小，其输出电流和光照有较好的线性 关系。线性电流放大区也称作短路电流放大区。根据光电池这一特性，在光电池的两端接 上一个阻值较小的精密电阻 r，由于电阻很小近似看作光电池短路。流经 r 的电流近似等 光电转换 a/d 模数转换 单片机数据处理 数码管显示 光信号变 电信号 电信号放大 电信号输入 电压数值到 照度值转换 武汉理工大学光电技术课程设计说明书 4 于短路电流sc，电阻 r 上的电压值近似等于= sc 。这样就实现了电流到电压的转 换。然后再将得到的电压值进行多次放大，得到 ad 采样可以识别的电压范围即可。电路 原理图如下图 4 所示。其中硅光电池等效为电流源。 图 4 “方案一”光电转换及放大电路原理图 2.1.2 a/d 数模转换数模转换 将放大的电压信号送到 pcf8591 组成的 a/d 转换电路，pcf8591 输入输出的地址、控 制和数据信号都是通过双线双向的2总线以串行的方式进行传输，很容易控制。pcf8591 是八位的 a/d 转换器，分辨率为 0.004v，具有 256 级可以变化的范围，操作电压的范围 2.5v-6v，各方面工作特点都很符合照度计电路的采样。a/d 采样电路如下图 5 所示。 图 5 a/d 模数转换电路 武汉理工大学光电技术课程设计说明书 5 模拟信号从 ain0 输入，a0，a1，a2 接地，pcf8591 的寻址地址设为 000h，pcf8591 的2接口， scl 和 sda 分别接单片机的 p2.1 和 p2.0。 vref 接 vcc 参考电压设置为 5v， 分辨率为5 256= 0.02v。 2.1.3 单片机数据处理系统单片机数据处理系统 选用51单片机作为控制系统来处理a/d转化器采样到的数字信号。 p2.1和p2.0模拟2 通信，从 pcf8591 中读取数据，在单片机中进行运算。将实际测量得到的电压数值，通过 一定的运算关系转化为光照度值。电路连接图如下图 6 所示。 图 6 单片机和 a/d 转化器连接电路图 2.1.4 光照度的显示光照度的显示 数据显示采用数码管，因为测量的精度范围是 1lx，不存在小数点的问题，所以照度计 的显示使用四位的数码管完全可行。 并且数码管还具有成本小、 功耗低、 操作简单的优点。 单片机驱动能力有限还需要一个锁存器，采用 74ls573。用锁存器作为数码管的段选控制 位，p1.0-p1.3 作为数码管对应的位选控制位。显示模块的电路图连接方法如下图 7 所示。 武汉理工大学光电技术课程设计说明书 6 图 7 显示模块电路原理图 2.2 方案二方案二 2.2.1 光电转换电路设计光电转换电路设计 利用晶体管的放大原理，将晶体管和光电池组合在一起，作为电流/电压转换的第二种 方法。光电池的阳极接在 npn 型晶体管的基极，阴极接地，晶体管发射基通过一个小电 阻 r 接地， 集电极接 vcc， 发射极电压为输出的电压信号。 假如晶体管的放大倍数为， 那 么= (1 + ) sc ，这样也实现了电流到电压的转换。电路连接图如下图 8 所示。 图 8 “方案二”光电转换及放大电路原理图 武汉理工大学光电技术课程设计说明书 7 不同的方案只是光电转换电路设计不同，方案二的 a/d 转换模块、单片机信号处理模 块、还有照度值显示模块在此不再赘述，读者可以参阅前文。 2.3 方案三方案三 方案三巧妙地运用到了 lm358 运放和光电池实现了光电流到电压高效的稳定的转换。 电路原理图如下图 9 所示。 图 9“方案三”光电转换及放大电路原理图 如图 9 所示，光电池的阳极和阴极直接和运放的输入端相连接，根据运放“虚短”的 特点，我们可以知道这给光电池提供了一个非常好的短路电流放大区的工作环境。再根据 运放“虚断”的特点，我们知道此时的光电池短路电流sc全部流经 r4 到地，一级运放的 输出电压01= sc 4，然后一级放大的输出电压01通过 lm358 集成的另一个运放输入 端正极输入，进行二级放大。根据运放的相关知识二级放大的倍数2= 1 + (56)。所 以，经过两级放大之后的输出电压out= sc 4 1 + (56)。从输出电压的公式可 以看出调节4，5，6可以很方便的调节电流转换电压的放大倍数。 方案三的 a/d 转换模块、单片机信号处理模块、还有照度值显示模块在此不再赘述， 读者可以参阅前文。 2.4 方案比较方案比较 三种方案的差别只在于光电转换放大电路的设计。在此我们结合实际应用中选用的光 电池特性和 a/d 采样芯片的特点来对三种方案进行分析比较。 前面做实验得到光电池的短 武汉理工大学光电技术课程设计说明书 8 路电流大约是在 0 到 3ua 之间。pcf8591 是八位的 a/d 转换器，分辨率为 0.004v，具有 256 级可以变化的范围，操作电压的范围 2.5v-6v。所以光电池的电流变化被检测到，至少 要有a = 2.5v 3ua = 8.3 105的放大倍数。 方案一中，电流转换电压过程中，为了不破坏光电池的光照线性特点，负载电阻要求 非常小，所以前级的电流电压转换电路电流的放大倍数就很小。为了达到十万级别的放大 倍数，就必需增大后面运放电路的放大倍数。即便是达到了放大倍数的要求，和方案三相 比，光电池的负载并不是小到为零。而方案三中因为运放“虚短虚断”的特性使得光电池 工作状态就是短路的。方案二中虽然较方案一中有了晶体管倍的放大倍数，但是晶体管 受温度影响较大，且不同的晶体管不定，很难测量，导致处理电压值和照度值之间关系 的时候，出现很多不确定的因素。因此考虑到放大倍数以及照度计的精确稳定性能，最终 的实现方案选择方案三。 3 实现方案实现方案 前面的方案分析中很详细的写到了每一种方案的特点，包括实现方案。所以在此不对 实现方案的各个模块做详细的分析。最终实现方案的完整的电路原理图如下图 10 所示。 图 10 实现方案原理图 如图 10 所示，在一定光照条件下，光电池上微弱的短路电流通过 lm358 运放两级放 大转换为大小相当可观的稳定的电压信号， 模拟电压信号通过 pcf8591 a/d 转换器转换成 武汉理工大学光电技术课程设计说明书 9 为与电压值对应的数字信号。在单片机中，通过对电压值数字信号做相应的处理，得到与 之对应的照度值信号。最后通过四位数码管显示当前的照度值。 3.1 使用使用器件及其功能器件及其功能 实现方案中用到的主要器件见下表 2。 表 2 电路元件清单 名称 数量 名称 数量 单片机开发板 1 块 硅光电池 1 个 pcf8591 1 片 lm358 1 片 74ls573 1 片 10uf 贴片电容 1 个 104 贴片电阻 1 个 204 贴片电阻 1 个 102 贴片电阻 1 个 杜邦线 若干 所用到的元件很多，在这里主要介绍一下初次用到的 pcf8591 a/d 转换芯片。查阅百 度百科的资料可知“pcf8591 是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit cmos 数据获取 器件。pcf8591 具有 4 个模拟输入、1 个模拟输出和 1 个串行 ic 总线接口。pcf8591 的 3 个地址引脚 a0, a1 和 a2 可用于硬件地址编程。在 pcf8591 器件上输入输出的地址、控 制和数据信号都是通过双线双向 i2c 总线以串行的方式进行传输。 ” pcf8591 的最大转化 速率由 i2c 总线的最大速率决定。如下图 11，图 12 所示是 pcf8591 的内部框图和引脚功 能图。 图 11 pcf8591 内部框图 武汉理工大学光电技术课程设计说明书 10 图 12 pcf8591 引脚及其功能图 3.2 运放运放电路制作电路制作 考虑到学院发的板子调节电阻不太方便，运放电路杜邦线使用过多容易造成干扰。于 是就自己用万用板和贴片元件做了一个放大倍数固定的为2 107的放大电路。 如下图 13， 图 14 所示。 图 13 运放背面示意图 图 14 运放正面示意图 武汉理工大学光电技术课程设计说明书 11 3.3 硬件连线图硬件连线图 将自己做的运放板子安置在开发板上一点都不觉得突兀。按照实现方案电路原理图用 杜邦线连接各个模块。实物图如下图 15 所示。 图 15 实物图 4 调试过程及结论调试过程及结论 4.1 电压值电压值照度值转换参数的确定照度值转换参数的确定 调试的方法是通过测量不同光照度下的运放输出电压值，运用数据处理软件 matlab 拟合电压和照度值的方程。实验数据见下表 3。 表 3 照度电压数据记录 照度（lx） 电压（v） 照度（lx） 电压（v） 照度（lx） 电压（v） 19.5 1.328 20.5 1.336 21.6 1.342 22.7 1.348 23.5 1.353 24.7 1.359 武汉理工大学光电技术课程设计说明书 12 续表 3 照度（lx） 电压（v） 照度（lx） 电压（v） 照度（lx） 电压（v） 25.6 1.365 26.7 1.371 28.1 1.380 28.8 1.385 29.5 1.389 30.0 1.393 30.5 1.397 31.1 1.401 31.9 1.407 32.9 1.413 33.6 1.418 34.5 1.424 35.4 1.431 36.6 1.439 37.6 1.446 38.5 1.452 39.8 1.461 41.0 1.468 42.3 1.477 43.7 1.486 45.3 1.496 46.5 1.504 48.0 1.513 50.1 1.528 52.5 1.542 53.8 1.550 56.3 1.566 58.5 1.579 59.4 1.585 60.5 1.592 61.2 1.596 62.2 1.602 63.2 1.609 64.5 1.618 65.6 1.625 67.5 1.637 68.5 1.643 70.4 1.656 72.3 1.670 73.8 1.628 75.1 1.691 76.9 1.705 78.3 1.730 80.5 1.730 82.4 1.743 84.2 1.756 87.2 1.775 88.7 1.786 90.5 1.799 92.5 1.812 94.2 1.823 94.5 1.825 95.8 1.832 96.9 1.839 98.2 1.848 99.8 1.859 101.1 1.868 102.2 1.877 103.0 1.882 104.3 1.890 105.2 1.897 106.8 1.909 108.6 1.922 109.3 1.924 110.5 1.932 111.1 1.942 112.4 1.948 115.0 1.961 116.3 1.970 117.5 1.978 119.3 1.991 121.0 2.01 124.4 2.03 125.4 2.03 128.1 2.05 130.6 2.07 132.8 2.08 134.3 2.09 武汉理工大学光电技术课程设计说明书 13 续表 3 照度（lx） 电压（v） 照度（lx） 电压（v） 照度（lx） 电压（v） 136.2 2.11 137.2 2.11 138.7 2.12 141.4 2.14 144.1 2.16 145.9 2.17 149.5 2.19 151.0 2.20 152.9 2.21 154.1 2.22 154.7 2.23 156.1 2.24 157.1 2.25 158.5 2.25 159.6 2.26 162.1 2.28 164.3 2.29 165.2 2.30 165.2 2.32 169.0 2.34 172.5 2.35 175.4 2.37 177.0 2.38 181.8 2.41 182.9 2.42 186.1 2.43 186.8 2.44 187.1 2.44 190.1 2.47 193.4 2.47 195.2 2.48 199.6 2.49 使用数据处理软件 matlab，处理数据，画出照度值和电压的关系曲线得到的结果如 下图 16 所示。 图 16 照度值电压关系曲线图 武汉理工大学光电技术课程设计说明书 14 看到这条曲线，我的心情非常的高兴！一条完美的曲线，感谢老师把照度计借给我使 用，谢谢老师。经过一个早上的测试我，测量了将近 120 组数据，数据的处理结果完美的 印证了“光电池在短路电流放大区，有非常好的线性关系”通过多项式方程拟合结果如下 图 17 所示。 图 17 照度值电压拟合方程曲线和原始数据曲线对比图 通过数据处理软件 matlab 拟合测量数据， 得到的照度数值和运放输出电压的一次方 程：e = 150.3010u 179.5873。这个式子是整个照度计的核心算式。是单片机数据处理 的重要依据。pcf8591 a/d 转换芯片会将模拟的电压信号转化为 0 到 256 中的一个数字 ，其转换关系满足5= 256，结合照度值电压拟合方程可知： e = 150.3010 179.5873 (1) e = (0.02 ) 150.3 179.6 (2) e 3 180 (3) 所以由(3)式可以得出，当可以确定的值的时候，照度值也就确定了，而需要说明的 是正是由 a/d 模数转换芯片从模拟信号转换来的。所以单片机中电压值到照度值转 换的关键代码应该这样写： num= read_add(0x40); /获取值 武汉理工大学光电技术课程设计说明书 15 a=num*3-180; /计算照度值 4.2 实验误差测量实验误差测量 通过大量的数据测量，得到符合实际的电压值照度值转换函数之后，添加到程序中 去，到此为止整个照度计制作调试完毕。实验误差测量数值记录如下表 4 所示。 表 4 实验数据测量记录 标准照度值（lx） 测量照度值（lx） 误差 标准照度值（lx） 测量照度值（lx） 误差 10.5 11 4.8% 24.3 24 2.9% 44.5 46 3.4% 67.2 68 1.2% 113.7 115 1.14% 167.8 167 0.4% 平均误差 2.3% 通过实验测试分析数据可以得出自己设计的照度计基本上达到了任务的要求。误差在 1lx之间，平均误差只有 2.3%，并且分析规律可知随着光照的增强误差在减小，这说明系 统的误差可能是在（3）式 的“约等于”造成的，具体确切的原因还有待进一步的验证。 5 心得体会心得体会 这次课程设计可能是我花费时间最久，花费心思最多，付出最多的一次课程设计。完 成任务的过程中遇到了很多的问题。但最终都是靠自己慢慢摸索解决了，这其中所收获的 东西，我觉得远远超过了一个课程设计所要求的。 感受有很多，一个一个慢慢说。首先感受最大的就是，理论知识和实际应用之间有很 长的距离。就比如说一开始设计照度计的电流转化换电压前置放大电路的时候，直接参考 光电技术课本上的光电池的基本特性来设计电路，出现的结果就是理论上放大电压应 该有 v 的数量级，但是实际上连 mv 都达不到。最后的解决办法就是自己对所选光电池进 行基本特性参数的测量，找出实际应用中所选光电池的光电特性。在现在看来，自己之前 做的测量光电池短路电流和光照度的关系实验，是非常的有必要。 当我认真地对光电池的性能进行测量之后，心里就踏实了很多。选择做光电池照度计 的同学很多，在做的过程中，大家基本上都是网上找来代码，然后挤在一个照度计下面进 武汉理工大学光电技术课程设计说明书 16 行数据的测量，但是我想说，标准照度计的探测面和光电池都不在同一个位置，室内环境 的照度至少都有 80lx，在这样的环境下又能测出来什么数据呢。是根本没有办法读出来准 确的数值，想要找出之间的关系，又怎么可能呢。但是我们学过大学物理实验的同学还是 没有考虑到这么一点。很多同学都说，最后的拟合结果照度值和电压值并不是线性的。这 一点我一直坚信它错了，因为从理论上分析，光电池的短路电流和光照度是呈一次函数线 性关系的。如果出现不是线性的测量结果，那我只能说你的光电池的负载可能有点大。 实际上我的光照度计很早就做了出来， 在室内光照单一、 弱光照的环境下测量的结果， 数码管显示很稳定。但是每次到照度可调的台灯下面去测试，就会出现数码管的数字乱跳 动无法准确读数的问题。然后我就不断地修改代码，然后再去调试，但是显示不稳定的问 题总是解决不了。出现这样问题的原因我认为是标准照度计的探测器和光电池还是有很大 的不同的。标准照度计可以测量复杂环境下混合光照度值，但是光电池用来做光测量器件 的时候，最好是测量单一的稳定的光照。比如说用锂电池驱动的 led 灯。调试过程老师提 供的光照可调的台灯它的频率是 50hz。 我认为这是我的照度计在那样的环境下出现问题的 主要原因。 还有就是不要为了完成一个任务而去完成它。要让你做的事有意义。在这里我谢谢陈 老师的支持。每次我都是要求最多的一个人“老师把电路原理图发我一份吧” “老师照度 计借我用一下吧” “老师给我换一个腿长一点的光电池吧”但老师还是不厌其烦的给我支 持。谢谢老师。最后有一点小小的建议，就是希望院里可以出点资金多买几块照度表。我 设计了一个照度计的调试系统用 cad 画了三维立体图如下图 18 所示。 图 18 照度计的调试系统三维示意图 武汉理工大学光电技术课程设计说明书 17 简单的介绍一下这个装置，如图 18 所示 1 表示导轨，2 表示带有直流电源供电的照度 均匀的 led 光源的滑块，3 表示受光屏。将硅光电池和照度计探测器放在受光屏相对的同 一水平位置，通过移动滑块，来改变光照度。 6 参考文献参考文献 1杨应平.胡昌奎.胡靖华.光电技术.北京:机械工业出版社, 2014. 2吴友宇.伍时和.凌玲.模拟电子技术.北京:清华大学出版社, 2010 7 附录附录 7.1matlab 程序程序 y=19.5,22.7,25.6,28.8,30.5,32.9,35.4,39.8,43.7,48.0,53.8,58.5,60.5,63.2,67.5,72.3,76.9,82.4,88. 7,94.2,96.9,101.1,104.3,108.6,111.1,116.3,121.0,128.1,132.8,137.2,144.1,151.0,154.7,158.5,164. 3,169.0,177.0,186.1