光强计计设计报告

照度计的设计照度计的设计 摘要摘要 在现实运用中 照度的测量是很常见的 本文设计了一种成本低 易携的数显照度计 本系统是以单片机 ATMEGA16 为核心部件的测量系统 它包括信号采集 信号放大 A D 转 换 LED 显示 键盘等部分 首先 本文选用了光谱响应范围宽 响应时间短 光电转换 效率高 PN 结面积大的的硅光电池作为照度计的光电转换的探头 并把它做成一个单独的 光探头 并加了以劝滤光器和余弦修正器 与机身分离 更加适应余弦定律 提高了测量 的精度和范围 其次 本文重点做了以下工作 1 光电转换前置放大电路的设计 为了提高照度计的 测量准确度 确保光电间的线性关系 本设计把运算放大器接成电流电压变换器的形式 一方面可得到零负载效应 另一方面 短路电流通过反馈电阻变成电压量 实际效果相当于 流过一个负载电阻形成的压降 2 A D 转换电路的设计 由于可见光照射硅光电池时产生 的光电流范围太大 使用了 10 位 A D 转换的精度 3 显示电路的设计 本系统选用 led 数 码管显示模块 降低了成本 通过实验测试 本系统设计合理 其测量范围 分辨率 光谱响应误差基本上达到了 设计的要求 关键词 硅光电池 A D 转换 单片机 照度计的工作原理照度计的工作原理 2 1光度学中的基本量光度学中的基本量 在光辐射测量中 与能量有关的量有两类 一是物理的 即客观的 叫做辐射度学量 简称 为辐射量 另一类是生理的 即主观的 叫做光度学量 简称光度量 前者表示某辐射源客 观上发射出的辐射能的大小 后者表示人的视觉系统主观上感受到的那部分辐射能的强度 1 光通量 luminous flux 光源在单位时间内发出的光量称为光通量 在光度学中 光通量是从辐射通量导出的 量 它明确地定义为能够被人眼视觉系统所感受到的那部分辐射功率的大小的量度 单位 是流明 inmen 符号为 lm 表达式为 2 1 2 光亮度 luminanee L 一个面光源 除了可以用发光强度来描述它在某一个方向上的发光能力之外 还要知道它 每一单位面积在这个方向上的发光能力 以便比较两种不同类型光源的明亮程度 这就要 用到亮度这个概念 它表示每单位面积上的发光强度 即 2 2 光亮度的单位为坎德拉第每平方米 cd mZ 式 2 2 中的面积 应该理解为一个面 在观察方向上的正投影面积 因此 若观察方向与该面的法线夹角为 0 时 上式将变为 2 3 所以 光源的光亮度可定义为 在表面一点处的面元在给定方向上的发光强度除以该面元在 垂直于给定方向的平面上的正投影面积 由于 2 4 故有 式 2 5 是光亮度的较通用的定义式 由该式可知 亮度不仅可用来描述一个发光面 而且 可以用来描述光路中的任意一个截面 如一个透镜的有效面积 一个光阑所截的面积或一 个象的面积等 此外 还可以用亮度来描述一束光 光束的亮度等于这个光束所包含的光 通量除以这束光的横截面和这束光的立体角 2 光照度 luminanee 3 在光接收面上一点处的光照度等于照射在包括该点在内的一个面元上的光通量 除以该面元的面积 ds 即 2 6 EV照度 光通量 面积 单位是 勒克斯 lux 符号为 lx 当 llm 光通量匀地照射 在的面积上时 这个面上的光照度就等于 llx 即单位面积上接收到的 光通量 2 2 照度计的工作原理 照度计 lulllinometer 又称勒克斯计或光强计 是用来测量某一被照射平面上光通量多少的 一种光度量仪表 检测的物理量是光通量 是光度测量中用得最多的仪器之一 2 2 1 照度测量的方法 照度计的测量原理较简单 整个探测器所接收的光通量除以探测器的面积 即为所测的照 度 即 由于照度与人眼的光谱光视效率有关 因此 照度计的光探头的相对光谱灵敏度必须与人 眼的光谱光视效率一致 由于一般的光接收器的相对光谱灵敏度与人眼的光谱光视效率相 差远 所以光探头要用 滤光器进行匹配 另外 光投射在光探头上的响应 要符合余 弦法则 因此 光探头还要有余弦修正器 一个照度计是由带滤光器的光电传感器及电 子放大和读数系统所组成 过去广泛采用硒光电池为探测器 这是因为它的光谱灵敏度比 其他探测器更接近人眼的光谱光视效率的缘故 但由于硅光电元件的灵敏度 稳定性和 寿命均较硒光电池为高 故近年来多采用硅光电池或硅光电二极管代替硒光电池作照度计 的探测器件 为了提高照度计的测量准确度 光探头输出的光电流需先进行放大 再由读数显示器 读数 为确保光电间的线性关系 应使外电路的负载为零 用运算放大器接成电流电压变 换器的形式 一方面可得到零负载效应 另一方面 短路电流通过反馈电阻变成电压量 实 际效果相当于流过一个负载电阻形成的压降 照度计应有较大的线性响应范围 使之可在较大照度范围内测量 选用线性范围大的 接收器和增加光电流放大倍数 即可达到此目的 环境温度对照度计的测量结果有影响 特别是实测时的环境温度与标定时的环境温 度相差较大 如寒冷的冬天或酷热的夏天 的情况下 影响更为显著 在照度计中 不仅是 光电池 与光电池相接的外电路 表头电阻等 均随温度而变化 因此 可通过对外电路 表头等的选择 使光电池的温度影响得到部分补偿 在对照度计进行温度修正时 应对照 度计的各部件作统一考虑 湿度对照度计也有影响 为此 要求照度计的光探头有较好的 密封性能 长期不用的照度计 最好能间隔一段时间通一次电 接收器容易老化 因接收 器老化会直接影响到照度计的测量精确度 缩短照度计的使用寿命 此外 照度计还应有 一定的响应速度 以适应变化的照度测量 由于光电传感器所产生的光电流正比于所接收 的光通量 测量时须将照度计的光敏表面与被测照度的表面重合 并尽量垂直于光的照射 方向 所以读数系统可直接指示出所测的照度值 3 1 系统硬件总体设计方案系统硬件总体设计方案 本系统的硬件电路总体设计思想是 以单片机 ATMEGA16 为核心的中央处理器 辅以外围模 拟 数字电路功能模块 实现从光电传感器传来的信号测量到最后的显示输出 测量控制 部分是整个系统的核心部分 是整个系统的主要功能完成部分 10 系统硬件原理框图如图 3 1 所示 图 3 1 系统硬件原理框图 3 2 光电传感器的选型光电传感器的选型 目前 光电检测技术中常用到的一些光电检测器件有光电倍增管 雪崩二极管 光电二极 管 光电三极管 PIN 光敏电阻 光敏电池以及 CCD 阵列等一些半导体器件 通过比较只 有硅光电池是最理想的选择 它不需要外加电源就能直接把光能转换成电能 而且光电流 和照度成线性 它的光谱灵敏度与人眼的灵敏度较为接近 它的响应时间短 性能稳定 光谱 范围宽 频率特性好 转换效率高 能耐高温辐射等优点 故选择硅光电池作为此系统的 光电检测器件 3 2 1 硅光电池的工作原理硅光电池的工作原理 硅光电池是一种利用光生伏特效应制成的光电转换器件 通过将光信号转变为电信号来检 测待测量 光电池工作原理 当光照射 P 一 N 结时 原子受激发而产生电子一空穴对 由 于电子和空穴分别向两极移动而产生电动势 两极接入电路就能产生电流了 11 硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件 它的结构很简单 核心部分是 一个大面积的 PN 结如图 3 2 图 3 2 硅光电池结构示意图 硅光电池响应时间短 10 一 10 一 S 光电池转换效率高 目前转换效率高达 27 50 0 的硅光电池已经研制成功 若有 lm2 的这种光电池 在足够的阳光照射下 可以 产生 100 多瓦的电能 硅光电池主要有两个方面的应用 即作为电源和作为光电检测器件的应用 硅光电池 作为测量元件使用时 应当作电流源 不宜作电压源 3 2 2 硅光电池的基本特性与参数硅光电池的基本特性与参数 硅光电池在光照下产生的电流随光强的增大而增大 当接受的光强度一定时 可看作 恒流源 在 P 一 N 结为理想状态下可用图 3 3 表示的等效电路来考虑 图 3 3 理想状态下的硅光电池等效电 在光照射下 当硅光电池接通负载并达到稳定状态后 流入负载的电流 IR和负载两端的电 压 VR关系 式中 I 为硅光电池 P N 结的反向饱和电流 IR为稳定状态下的负载电流 IL为硅光电池在 光照下产生的恒定电流 气为稳定状态下的负载电压 q 为电子电荷 1 6 10 19 K 为玻尔兹曼 常数 l 38 10 23J K T 一绝对温度 根据上式作出硅光电池的伏安特性曲线 如图 3 4 所示 图 3 4 硅光电池伏安特性曲线 曲线与电流轴和电压轴的和交点分别定义为光电池的短路电流ISC和开路电压 VOC 硅光电 池的 VOC一般为 0 45 o 6V 最大不超过 0 756V 因为它不能大于 PN 结热平衡时的接触电 势差 l3 在电阻负载时 负载线为一直线 其斜率由负载电阻的大小决定 负载线与伏安 特性曲线的交点M VR IR 称为负载工作点 负载电阻从光电池获得的功率为PR IR V 相当于图中矩形的面积 能使矩形面积最大负载电阻称为最佳电阻 能从光电池获得最大 输出功率 一般应选在特性曲线的转弯处 最佳负载从光电池获得的最大输出功率一般为 0 8VOCISC VOC IOC的数值可以由伏安特性方程求得 当光电池处于短路状态时 则 当光电池处于开路状态时则 在室温下 所以 在光电池的实际等效电路中还应考虑硅片内部阻抗和电极阻抗构成的串联阻抗 RS以及因结 内部不完整性而引起的并联阻抗 RsH 图 3 5 为实际的硅光电池等效电路示意图 在实际电路中 负载电流 I 和负载电压气的关系为 将式 3 3 移项并以 e 为底取对数得 目前硅光电池的并联电阻一般都很大 所以在计算 VOC和 ISC时 RSH可以认为无穷大 则 外电路短路时 外电路开路时 负载上得到的功率 为 若入射光功率为 W 负载功率为 PR 则定义硅光电池的光电转换效率为 在负载功率最大 PMAX时 对应最大的光电转换效率 式中 FF VRIR VOCISC 称为填充因子 又称曲线因子 在理想状态下最大预计在 0 8 以上 但是由于 RH RSH的影响而有所下降 一般取该值为 0 7 0 75 硅光电池在不同的光强照射 下可以产生不同的光电流和光生电动势 14 硅光电池的光照特性曲线如图 3 6 所示 从曲线可以看出 短路电流和照度成线性 开路电压与入射光功率近似成对数关系 一开始随光照度急剧上升 当照度在 ZOO01x 时就趋于饱和了 最大开路电压约为 0 6V 总小于半导体材料的势垒电压 而与硅光电池面积大小无关 因此增大硅光电池的面积只 能得到大的光电流 而不能提高光生电动势的值 硅光电池的光谱特性 15 光谱特性指在入射光的能量保持一定的情况下 硅光电池的 光电灵敏度与入射光波长之间的关系 图 3 7 为硅光电池 白炽灯光的光谱分布曲线 硅 光电池的温度特性 环境温度的变化对硅光电池响应度和暗电流有较大的影响 这是由于光吸收系数与温度有关 硅光电池的开路电压 短路电流随温度变化 其中 VOC 以 20mV 的负温度系数变化 Isc以 2 10 3A 的正温度系数变化 硅光电池正常工作的 环境温度范围为一 40 125 16 硅光电池的响应时间 响应时间表示硅光电池对于突变光照的反映速度 响 RL 可 用上升时间 t 下降时间 t 了表示 tr tf2 2Cj RL RS RS一般比 RL小得多 所以 tr tf2 2 Cj RL RL通常取决于外电路的需要 不能任意减小 Cj与光敏面积成正比 与偏置电压和基片材料电阻率的平方根成反比 17 3 3 光电转换与信号前置放大模块光电转换与信号前置放大模块 一个线性度好 稳定度高的光电转换与信号放大电路对于整个测试系统是至关重要的 它直接影响整个系统的测量精度 灵敏度 稳定性及系统的测试速度等指标 18 光电检测 电路就是采用光电检测方法把调制到光载波上的有用信号解调出来 实现光信号到电信号 的转换 因光纤末端输出的光信号通常是很微弱的 转换后的电信号也非常微小 由于背 景噪声 电路噪声 元器件噪声的影响 要做到精确测量有较大难度 因此 这就要求光检测器在所用光源的发射波长范围内具有高响应度 小的附加噪声 快的响应速率且具有能处理所需要的数据率的足够带宽 19 另外 与探测器相连的前置放 大电路也应当设计合理 必须有信号频率范围所需的带宽 高稳定性和小增益误差 以获 得大的动态范围和高的信噪比 3 3 1 电路的设计电路的设计 光电池的光探测方式有两种结构 一是光电导模式 二是光电伏模式 在光电导模式下 需给硅光电池加反向偏置电压 光电流与偏压 负载电阻几乎无关 在很大的动态范围内 在光电伏模式下 光电流和照度成线性特性 所以硅光电池一般工作于光伏模式下 由 3 1 式可知 当 VR 0 时 硅光电池在零偏压时 输出电流与光照成线性关系 此时的输出电路电流为 其中 S 为光电池的灵敏度 E 为光照度 短路电流与光照成正比 这时的硅光电池的光电 线性最好 20 因此 为获得好的线性 就应使硅光电池工作在零偏压状态 目前 好的办法是采用运算放大器作电流一电压变换器 其原理如图 3 8 所示 为了分析方便起见 我们忽略了引线电阻 R 的影响 由于运算放大器的开环增益很大 106 107 而输出的线性范围受到电源电压的限制 不超过电源电压 因为 运放的同向端 和反向端的电位很接近 可以看成同电位 所以认为硅光电池的输出等效是短路的 即 RL 0 这样硅光电池工作在零偏压状态 可以使线性范围达到最大限度 21 RSH在负载电阻 RL等于零的条件下 它上面是几乎不流过电流的 RSH的影响可以通过将图 3 8 的恒流源画 法改为图 3 9 所示的恒压源画法来分析 这里 RSH成了恒压源的内阻 我们知道 任何运算放大器都存在失调电流 温度偏移和等 效噪声电压 设它们的总和为 U1 由此引起的输出漂移为 为使 U 小 就要求 RF RSH 如果 RSH越大 则由上式可知输出漂移就越小 仪器的稳 定性就越好 22l 在 RSH一定的情况下 采用 RF小的电路可使放大器零点漂移小 但这又限 制了放大倍数 不利于微弱电流的检测 所以我们选用运放选用高精度自稳零斩波集成运 算放大器 ICL765O 它内部含两个放大器 一个用于放大 另一个专用于补偿漂移 图 3 10 所示为硅光电池和运放的等效电路图 从图中可以看出 硅光电池的负载电阻 RL就 是运算放大器的输入阻抗 ZI 设运放的开环增益为 AV 则运放的输入阻抗 为 由于开环增益 AV很大 所以 即硅光电池负载电阻 RL 0 相当于硅光电池工作时处 于短路状态 而当硅光电池工作在近短路状态时 输出光电流与输入光照度成线性关系 所以我们采用的前置放大电路具有低漂移 宽线性的特点 23 由于噪声和反馈电阻的影响 所以要对电路进行改进 改进后的光电转换前置放大电路如图 3 11 所示 这种反馈电路可使探测器对输入的光功率具有高的分辨率和大的测量范围 并能减小 电路噪声 前置放大器的输入端是硅光电池的输出 可视为光强调制的电流源 经高阻抗 运算放大器的 I V 转换后 给出与光强成正比的电压输出 因为工作于短路方式 此电路 大大降低 PN 结正向电流 即结电流 带来的影响 并使硅光电池得到最佳的信噪比 被放大 的信号只与光强成正比 24 由图可知 转换电阻 RF越大 I V 转换效率越高 但是 RF过大 会使放大器产生自激 运放选用高精度自稳零斩波集成运算放大器 ICL7650 是一种高精 度 低漂移 高输入阻抗的集成运放 它利用动态较零原理 内含两个放大器 一个用于放 大 另一个专用于补偿漂移 消除了 CMOS 器件固有的失调和漂移 对微弱信号来讲是个较 理想的前置放大器 电阻 R 采用了温度系数小的精密电阻 从而保证了电流一电压转换放 大电路的稳定性 25 改进后的光电检测电路在放大器的输出和检测电路的输出之间加一个 RC 滤波电路 这样就限制了放大器输出信号的带宽 滤掉经过放大的噪声和放大器本身的噪声 该电路 具有较高的信噪比 芯片 pcb 原理图 3 3 2 运放选型运放选型 由于影响微电流测量灵敏度的首要因素是运放偏置电流 其次是噪声电压和零点漂移要实 现微电流测量 运算放大器的输入须满足 输入阻抗 反馈电阻 偏置电流 被测电流 失调电 压及漂移小 增益与共模抑制比高 噪声小 JCL7650 是采用 COMS 工艺集成的斩波稳零高精 度运放 输入电阻为 1012欧姆 偏置电流 25 时为 1 5pA 输入失调电压为 1uV 失调电 压温度系数为 0 01uV 共模抑制比为 13OdB 所以本系统采用它做为运放 ATmega16 单片机单片机 Atmega16 单片机介绍 ATmega16 是基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器 由于其先进的 指令集以及单时钟周期指令执行时间 ATmega16 的数据吞吐率高达 1 MIPS MHz 从而可 以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾 ATmega16 AVR 内核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器 所有的寄存器都直接 与运算逻单元 ALU 相连接 使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄 存器 这种结构大大提高了代码效率 并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的数 据吞吐率 2 1 1 ATmega16 单片机特性单片机特性 u 高性能 低功耗的 8 位 AVR 微处理器 l 先进的 RISC 结构 l 8 路 10 位 ADC 8 个单端通道 2 个具有可编程增益 1x 10 x 或 200 x 的差分通 道 l 131 条指令 l 大多数指令执行时间为单个时钟周期 l 32 个 8 位通用工作寄存器 l 全静态工作 l 工作于 16MHz 时性能高达 16MIPS l 只需两个时钟周期的硬件乘法器 l 非易失性程序和数据存储器 l 16K 字节的系统内可编程 Flash 擦写寿命 10 000 次 l 具有独立锁定位的可选 Boot 代码区 通过片上 Boot 程序实现系统内编程 真正的 同时读写操作 l 512 字节的 EEPROM 擦写寿命 100 000 次 l 1K 字节的片内 SRAM 等等 芯片引脚图和外围电路 A D 转换电路 模数转换器 ADC 是现代测控中非常重要的环节 它一般分为串行模数转换器和并行 模数转换器 后者虽然传输速度快 但引脚多 体积大 占用单片机口线多 而串行 ADC 的 传输速率也可以做的很高 并且具有体积小 功耗低 占用单片机口线少等优点 因此 串行 ADC 的应用越来越广泛 在 A D 转换器件中 首先要搞清楚关于 A D 转换器的指标概念 转换时间 A D 转换器完成 一次转换所需要的时间为 A D 转换时间 转换时间与 A D 转换原理密切相关 双积分 ADC 转换慢 而逐次比较式 ADC 比较快 分辨率 ADC 的分辨率是指使所能分辨的输入模拟量最 小值 也就是使输出数字量最 LSB 最低有效位 发生由 1 0 或 0 1 变化时输入模拟量最 值 分辨率也用倍数表示 例如 10 位 ADC 的分辨率就是 10 位 或者说分辨率为为 Vox 2 10 本设计使用的是本设计使用的是 ATmega16 单片机内置的单片机内置的 0 位位 ADC 8 个单端通道 个单端通道 2 个具有可编程个具有可编程 增益 增益 1x 10 x 或或 200 x 的差分通道的 的差分通道的 A D 转换器 转换器 LED 数码管显示部分数码管显示部分 LED 数码管实际上是由七个发光管组成 8 字形构成的 加上小数点就是 8 个 这些段分别 由字母 a b c d e f g dp 来表示 当数码管特定的段加上电压后 这些特定的段就会发亮 以形成我们眼睛看到的 2 个 8 数码管 字样了 如 显示一个 2 字 那么应当是 a 亮 b 亮 g 亮 e 亮 d 亮 f 不亮 c 不亮 dp 不亮 LED 数码管有一般亮和超亮等不同之分 也有 0 5 寸 1 寸等不同的尺寸 小尺寸数码管 的显示笔画常用一个发光二极管组成 而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成 一般情况下 单个发光二极管的管压降为 1 8V 左右 电流不超过 30mA 发光二极管的阳 极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管 发光二极管的阴极连接到一起连接到电 源负极的称为共阴数码管 常用 LED 数码管显示的数字和字符是 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 本设计使用动态显示驱动本设计使用动态显示驱动 LED 数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一 动态驱动是 将所有数码管的 8 个显示笔划 a b c d e f g dp 的同名端连在一起 另外为每个数码管的公 共极 COM 增加位选通控制电路 位选通由各自独立的 I O 线控制 当单片机输出字形码时 所有数码管都接收到相同的字形码 但究竟是那个数码管会显示出字形 取决于单片机对 位选通 COM 端电路的控制 所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开 该位就显 示出字形 没有选通的数码管就不会亮 通过分时轮流控制各个数码管的的 COM 端 就使 各个数码管轮流受控显示 这就是动态驱动 在轮流显示过程中 每位数码管的点亮时间 为 1 2ms 由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应 尽管实际上各位数码管并非 同时点亮 但只要扫描的速度足够快 给人的印象就是一组稳定的显示数据 不会有闪烁 感 动态显示的效果和静态显示是一样的 能够节省大量的 I O 端口 而且功耗更低 数码管显示电路 3 8 键盘接口电路键盘接口电路 在单片机应用系统中 为了实现人机对话功能 键盘是必须的输入设备之一 它能 随时发出各种控制命令和进行数据输入以及报告应用系统的运行状态与运行结果 根据键 盘的产生式可将键盘分为编码键盘和非编码键盘两种形式 编码键盘是通过一个电路来识 别闭合键的键码 非编码键盘是通过软件来识别键码 编码键盘的成本比较高 因而在单 片机应用系统中 一般采用非编码键盘 本系统针对按键较少而且 ATMEGA16 单片机仍有 足够的 I O 口 所以本系统采用的是独立联接式非编码键盘 3 8 1 键盘工作原理键盘工作原理 键盘实质上是一组按键开关的集合 一般利用单触点瞬间接通式按键 或使用电容 电感 式无触点单线通断键 因而对键盘输入的处理包括一下几个方面 1 识键 即判断是否有键闭合 若有 则进一步译键 若无 则等待键入或转而做别的工作 在非编码键盘的设计中 识键的工作一般由程序完成 通过读入键盘输入口的状态 经过 比较分析 以确定是否有键按下 对于独立式按键来说 采取逐条工 0 口线查询的方式实 现对按键物理位置的确定 2 消抖 由于机械触点的弹性作用 一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接 通 在断开时也不会一下子断开 因而在闭合及