【《光照度测量系统设计》7900字（论文）】

PAGE6光照度测量系统设计摘要随着科学技术的不断发展，农业工业等对生产环境的要求越来越严格，不仅对温度湿度要求变得更加苛刻，目前对光照度也要求有越来越严格。在成本控制愈发精打细算的今天，不仅仅对光照度测量的精度有要求，在成本控制方面也需要非常优秀。这就需要一款维护成本低，使用寿命长，能耗低，测量稳定的光照度检测系统。在功能上，应对不同需求，为测量不同光照度，需要自动调节的量程。不但能应对静态光源，动态光源也需要同样的的测量。首先说明思路（1）对于前置电路和放大电路的设计，对应各种使用条件选择合适的探测传感器，因为探测传感器的电信号电压较低，我们无法直接使用，就需要设计前置放大电路，对测量的小电流进行放大（2）量程的调节。我们的使用过程中，对光照的测量范围十分广泛，应该满足日常的使用需求，对0lx~2000lx进行划分量程，利用cd4051来实现功能，在使用中切换不同的量程。(3)对于动态光的检测和测量，使用动态增益法和量程切换控制法来完成，来实现对动态峰值光源的测量。（4）利用数码管的方式来显示光照度数字显示，使用矩阵式键盘来实现基础的操作。关键词：单片机；光照度；自动量程转换；光电转换。 目录 第1章绪论 11.1研究目的和意义 11.2国外研究现状 11.3国内研究现状及发展趋势 2第2章光照度检测的理论基础和测量原理 32.1光照度的基本概念 32.2光照度测量设计方法和标定 4第3章光照度测量系统的总体方案设计 63.1系统的总体设计 63.2硬件的选型 63.2.1传感器器件的选择 63.2.2A/D转换器件的选择 73.2.3模拟开关的选择 93.2.4微处理器的选择 103.3硬件电路系统的设计 103.3.1电流转化电压电路 103.3.2A/D转换电路的设计 113.3.3显示模块的设计 11第4章光照度测量系统的仿真 n4.1keil编程 n4.2Proteus仿真 n结论 n参考文献 n附录 n第1章绪论1.1研究目的和意义生活处处离不开光照，光照的应用在各个领域都十分广泛。随着科技的不断发展，人们对光的认识越来越深入，光照度的检测已经有了很快的发展同时也越来越先进，特别是在计算机迅猛发展的今天，光照度的检测也慢慢提高到一个很高的地位。与我们的生活联系紧密不但在学习生活中应用广泛，在农业，制造业，以及交通运输中，光照度的的检测应用愈发重要[1]，需求更是越来越明显。在学习生活中，经济水平的提高，我们对光照度的需求也不同以往了，如今更加关注青少年在家庭学习中光照对眼睛的刺激。在农业上，大规模使用大棚种植，其中光照度有着十分关键的作用[2]，光照强度对生物的光合作用影响很大。可通过照度计来测量不同的植物需要不同的光照，因此在现代化农业大棚中需要安装光照度检测设备[3]，从而光照度检测变成增加产量的一个关键因素；在制造业当中，光照度检测的应用非常重要，在很多生产加工时，对光环境的要求非常严苛，想要控制光照强度就需要光照度的检测，并且在精度方面也有很高的要求。不能发生传感器在使用过程中质量出现大的波动，影响生产安全和生产秩序。在交通运输中，车辆的灯光光照强度就有国际标准，所对应的光照度的检测也需要更加准确，更加严格[4]。现如今，科技水平不断提高，光照度检测也应该有所发展，新材料的应用，新的设计思路等等[5]。目前市场上所出售的设备大都存在一些问题耐久度，精度，使用便利性，功耗等方面依然有欠缺。所以应该设计一款，耐久度高，测量精准，便于携带，续航时间久，环保无污染，经济性更优秀的产品。1.2国外研究现状进入电气工业社会，电气设备的大量使用，关于光照度检测的应用开始出现，有一些检测设备也纷纷走向成熟。电灯出现之后，为了提高照明效率，由此产生的光照度的研究[6]。国外科技工作者针对光照进行测量，尤其是科技发展速度快的国家，对光照的研究也愈加深入。早在1727年在《关于光分度的光学实验》中鲍吉儿对光度量做出了相关解释。1760年约翰·亨利克·兰伯特，在物理学名著《光度学》，建立了一套关于光度学的系统，确定了各个概念的数学关系，使用特殊火焰灯做了基准参照。1879年，确定了以铂点黑体的原型的光强基准[7]。1920年，诞生了以人眼受到的刺激制作出来的目视光度仪。新材料的出现和科学水平的的提高[8]，到了20世纪，人们开始使用光电转换。真空光电管和硒光电池的应用，从而发生质变，1920年到1962年，检测方法从迅速淘汰目视法而转向光电转换。光谱光效率函数是国际照明委员会CIE的总结推荐并且到了社会的公认。1933年，国际计量委员会的下属部门光度咨询部门负责确定参考光度。因此，采用铂点黑体作为光度标准，真空中的充气钨丝灯作为传递标准[9]。随后产生了比如曝光表、照度计等各种简单的测量设备。电科技的进步，以及计算机水平的提高，材料更加丰富，进入二十一世纪，光照度的检测发展迅速，各种标准越来越严格，检测的应用也是越来越广泛。光照度的检测应用大量新型材料，新技术，同时也在向智能化，电子化方向发展，数据更加准确，甚至可以自动传输。模拟电子开始转向数字技术的方向发展。以美国为首的西方国家生产的光照度检测设备依旧占在市场中占很大一部分，其中日本，德国对科研设备的创新发展提供重点支持。在光照度检测领域一直保持很高的竞争力。1.3国内研究现状及发展趋势以前我国在光照度检测方面起步晚，基础差，落后于许多发达国家。在早期光照度应用上，只能进口外国产品和技术引进。随着我国教育水平的提高，不断地涌现出许多人才，为我国光电转换方面做出巨大的努力。从技术到材料都有了较大突破，我们国家的水平也越来越高，不断地赶超世界一流国家的步伐，已经具备自主研发，自主生产的能力。在各个领域都用上了自主生产的光照度检测系统[10]。目前我国对光照度检测设备的需求越来越旺盛，同时也提出更高的要求。新时期光照度检测也不仅限于单一的功能，可以测量光照和太阳辐射或着光量子等。发展趋势1）趋于微型化、集成化。近年来新材料的普及，微电子技术的成熟使得集成化和微型化成为大的趋势。越发集成化的系统，可以加入更多的功能，为不同的消费团体带来更加便利的使用效果。微型化的发展使得更加方便携带，大大减少使用所需的空间，使用场景更加多元。2)数据的无线传输化。使用场景的多元化使得测量变得更加多变，受限于人工成本和效率，数据传输利用无线传输会更加方便，随时都能测量数据。万物互联会因为数据的无线传输而变得早日实现。3）光照度的检测会逐渐向智能化方向发展。越发智能化带来更轻松的使用方式，数据采集更加准确，量程更宽，灵敏度更高，检测速度更快等。第2章光照度检测的理论基础和测量原理2.1光照度的基本概念光照度是一种物理量，我们肉眼所能感受的光叫可见光，有很多我们肉眼看不到的光，比如红外线和紫外线，390nm-780nm这个区间我们可以用肉眼看到

，此外就需要专业的仪器来检测光。在可视光中，我们对一些绿光感受更加强烈，对蓝色光就不如绿色光更加敏感。果国际照明委员会的实验中，总结了人眼对自然光可视效率的结果，将人眼对自然界各种波长划分不同感受区间，也就是相对灵敏度。也就是光谱光视效率V（λ），如图2-1。图2-1光谱光视效率图由此可以发现波长在550nm时到达峰值，在波长是550nm时，光对人眼的刺激最为明显。所以在390nm-780nm的可见光谱区域是肉眼所能看到的可见光区域。光通量光通量是指肉眼所能感觉到的辐出度（辐射功率），它就是单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。符号为Φ(或Φr)。单位为流明（lm）。∅=Km∅eλKV（λ）Vλ可视光效率函数，∅eλ光谱辐射能通量。V发光强度光度学中的简称是光强或光度。它是建立在人类肉眼基础之上的标准。定义坎德拉是发出540x10^12Hz频率的光在单色辐射源给定方向上的发光强度，该方向上的辐射强度为1/683W/sr[11]。I=d∅dΩ图2-2点光源的发光强度坎德拉（cd）是发光强度的单位，（lm）是光通量单位为流明，(sr)是立体角单位。3.光亮度光亮度又称为发光率，它表示物体发光表面的亮度，符号为L。也就是光源在垂直其光传输方向的平面上的正投影单位表面积单位立体角内发出的光通量。L=dIdS∙cosθdI为该面沿该方向的发光强度。单位是坎德拉每平方米(cd/㎡)或尼特。4.照度光照强度是指单位为一的面积上所能接受的可见光的光通量。简称为照度[12]

。用来表示光照的强弱，还用来表示物体表面被照亮的程度。E=dϕds单位勒克斯（Lux或lx）。1克勒斯是被光照单位一平米的面积和光源保持一米距离的1烛火光强度竖直受到的光通量。5.发出射度发出射度是指与发光体的表面距离到达一定数值的点，这个点的一个单位面积面积光通量和单位面积的比值一般用符号M表示，单位为流明每平方米(lm/m2)。[13]M=d∅dS2.2光照度测量设计方法和标定1.光照度系统测量方法通过器件测得的物理量为物理量，由人眼观测得到的光度量为生理量[14]通常用来描述光照时，用物理量或者生理量。用光辐射能量强度的大小来描述光照时，是更加纯粹的物理客观量（利用仪器元件等测量），用光度量来表达光照时，是从人眼角度出发进行观测（标准光度观察者），更加偏向于生理量。随着元件测量的更加快速准确的测出被测量，物理量光度测量法更加占据主导其中二者还存在一定联系，在人眼角度中，辐射参量Xeλ，与光度参量XXvλ=KmV(λKmVλ=Xvλ在现实测量当中，点光源位光源的大小远小于到光源表面距离的情况下，用点光源的距离平方的反比定律。正好在此次光照度测量系统的设计中，光源和距探测器之间的距离差距比较大时，采用此定律。具体为dϕ=I∙dΩ=IdAl其中dΩ假设点光源的发光强度为I时，到点光源的相距为l的地方有一处面dA与光线垂直，根据定义，所以照度为E=I当受光面不与点光源垂直，夹角为α时，于是上式变成E=Icosαl22.光照度测量系统的标定测量系统的校准就是传感器的校准，传感器的标定是通过标准仪器和专业设备来实现的[15]，首先明确传感器的输入输出关系，然后对新的传感器进行技术测量，对传感器测量出来的数据与标准仪器测得的数据进行反复对比测试。通过标准仪器测得的数据并且将数据放入被校准传感器输入端，之后与传感器的输出数据进行对比，从而对传感器进行校准标定。传感器的运行稳定性至关重要，特别是使用过程当中。对传感器的校准标定需要用到误差更小一级的标准仪器，并且还要经常对传感器进行定期检查和校准。第三章光照度测量系统的总体方案设计3.1系统的总体设计在本文中，对整个系统做一个分析如图2-2首先对光源进行信号采集，通过传感器获得微弱的电信号。如果传感器测得的电压信号比较小，的电流和电压都比较低，故加入放大电路，对输出电信号进行放大。在0.000lx-2000lx范围产生的电流范围太大,所以将照度的范围划分成四个区间,微处理器控制模拟开关CD4051来实现不同范围区间之间的转换。把信号从模拟量转化为数字量，并且把数字量传输给单片机，这就需要单片机控制电路，需要单片机进行控制。最后显示电路显示光照度数值。图3-1系统总体流程3.2硬件的选型在整个电路中，硬件十分重要，不同的元器件会有不同的接线方式，会对电路的影响很大，所以先通过分析选定各个型号，为电路设计打好基础。再对硬件电路进行设计。3.2.1感器的器件选择在整个测量系统中最重要的就是传感器的选择，光传感器的作用就是将光信号转化为电信号，是光照度测量系统做重要的部件之一[16]。在光电转化的传感器中大概有光电池，光敏二极管还有集成的光照芯片[17]。光敏电阻有可以承受较大的工作电流，灵敏度高，使用便利和测量区间更广的优点。但是光敏电阻响应的时间久、频率特性比较差、当强光作用时效果不好、容易受外界温度影响、在开关当中应用广泛，据此并不宜作为本系统的测量元件光敏二极管的输出信号小、对温度的变化更加敏感[18]集成芯片的成本较高，同时测量范围较小。硅光电池探测器的使用寿命更长，测量范围大，使用方便，经济适用，在实际使用过程中硅光电池慢慢走向主导位置，开始成为光照度测量使用频繁的传感器之一。使用陶瓷封装，暗电流较小。感光面积变大，传感器发出的光电流也会变大。图3-2硅光电池考虑到本系统主要针对可见光进行测量，同时硅光电池具备更线性的特点，在各个方面表表现最为均衡[19]，与其他传感器对比更加有优势，本次测量系统使用硅光电池作为本次设计的传感器。3.2.2A/D转换器件的选择本次设计使用ADC0809作为A/D转换器件。逐次逼近类型集成度很高，分辨率高，线性度好，成本低转换效率很快，产生噪音比较低，在1~100μs以内，抗干扰能力强。8位分辨率，用于快速变化信号输入测量和检测等领域非常适合。ADC0809内部有八个输入通道，并且可以同时接入信号。。ADC0809内部结构如图3-3。图3-3ADC0809内部结构图优点是在电路上不用放大，滤波等整理电路，只需要调整输出输出信号进行转换就可以获得很好的分辨率。斩波稳定性主要减少噪音和输入电压对运算放大电路的影响，将输入信号和输入方波耦合，调成高频，理想条件下可以消除直流失调并且消除低频噪音。其中adc0809含有28个引脚，如图3-4所示。各引脚功能如下。IN0～IN7：8路模拟信号的输入端口。2-1～2-8：8位数字数字信号的输出端口。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入，挑选8路模拟输入其中一路输入。ALE：地址锁存启用的信号，当作输入高电平时作用。START：启动脉冲的输入端，有正脉冲输入时，就会启动。上升沿复位，下降沿启动。脉冲宽度不低于100ms。EOC：是一个输出速出转换结束的信号的端口，结束时输出高电平。其余时间为低电平。OE：当输出高电平时表示数据可以被允许输出。只有在转换结束的时候，在OE端输个高电平三态门打开输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基准电压。Vcc：电源，一般为＋5V。GND：接地端。图3-4ADC0809的各个引脚3.2.3模拟开关的选择CD4051的简介本次设计选用CD4051微处理器作为模拟开关，来进行照度范围的区分。由于光照度在0.0001lx~2000lx之间，信号跨越幅度比较大，为了方便测量，使小电流面面对大的负载，大电流面对较小的反馈电阻，如此便不超过A/D的量程，大电阻和小电阻的切换由CD4051来实现。输入端有三个，分别是ABC，和一个禁止输入端(1NH),当这个输入端为1时，所有输入输出端截至，当这个输入端为0时，ABC选取一个对应的通道，来对应不同的反馈电电阻[20]。不同的输入量，通过定义不同的输入通道，就可以实现匹配反馈电阻和自动切换量程[20]。CD4051的引脚如图3-5，引脚功能见表3-1.图3-5CD4051引脚图表3.1CD4051引脚功能引脚号符号功能124512131415IN/OUT输入/输出端91011ABC地址端3OUT/IN公共输入/输出端6INH禁止端7VEE负电压端8VSS数字信号接地端16VDD电源3.2.4微处理器的选择在本次设计中，A/D转换电路精确度要求比较高，需要选用较高处理速度的微处理器，在经济方面考虑，高性能微处理器性价比很低，AT89C52是一个电压低，性能高，应用最为广泛的单片机之一。爱特梅尔公司采用新技术生产的先进器件,所以本次设计选用AT89C52作为本次设计的微处理器。AT89C52由复位电路和时钟电路构成。其中RAM为8kb，可编程的输入输出口有32个，还有三个16字节的计数器和8个中断，1个可编程端口。P0含有8位I/O接口,复用的地址总线口和外部拓展会用到数据总线，或者用于普通I/O口，八个TTL都可以通过一个输入输出口控[21]。P0口的作用是芯片进行编程和校验时对的数据进行输入或者输出。P1口内部有8位的通用型I/O端口，P1端口内部含有上拉电阻。P2端口和P3端口与P1端口内部结构大致相同，可以用作数据和外设的控制。AT89C52有两种编程方式，一是以常规的方法编程二是在线进行编程。3.3硬件电路系统的设计3.3.1电流转化电压电路由于硅光电池产生的电流比较小，并且容易受到外部信号的影响，无法直接进行分析和加工，这样会影响光照度检测系统对的正常工作，我们为了得到更加准确的信号，所以把低噪声的运放接在硅光二极管之后，它的作用就是对硅光二极管输出的电流信号转换成电压信号，并且进行放大。只有放大之后的信号可以被单片机处理和分析。利用运算放大电路对硅光二极管的输出电流放大。这样电流转化为电压的方式具有保持良好的线性度优势。图3-6电流电压转化电路图中，RL为硅光电池的负载，也上图中运放的输入阻抗ZI，假设运放开环增益为AZI=R因为开环增益大，ZI也就大约为零，也就是R3.3.2A/D转换电路的设计放大电路会将所有的信号进行放大，包括电路中的噪声，所以需要对噪声进行抑制。通常采用软件抑制和硬件抑制的方式对模拟信号进行滤波处理。经过滤波之后的信号准确，相对误差更理想。模拟信号经过放大和滤波，本质还是模拟信号并不能被单片机识别分析，需要进行模拟-数字信号的转化。处理A/D转换电路时，需要考虑很多因素，比如精度，输入信号的范围，还有数据位数等。ADC0809模块的八个输出端分别和单片机的八个P0口连接，ALE口于P1.3连接。OE端口接到P1.6。EOC接到单片机P2.4。时钟端口接到P1.4。启动端口于P1.5连接。3.3.3显示模块的设计本次设计选用LM016L液晶模块为显示器，高电平时RS选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。RW端口读写信号，高电平时读取，低电平时写入。E为使能端，下降沿使能。LM016L作为本次设计的显示模块，在电路里加入上拉电阻之后D1~D7直接到单片机输出端P0.1~P0.7。RS，RW，E，三个端口分别接入单片机P3.5~P3.7端口第四章光照度测量系统的仿真4.1.Proteus仿真在Proteus中进行原理图的绘制。在元件库中依次找到AT89C52芯片，CD4051控制器 ，ADC0808八位A/D转换器。将各个电路画在操作面板上。图4-1检测电路在如图4-1检测电路中因为proteus不能解决光源的问题，所以对传感器输出电压进行模拟，对D1（A）进行赋值，来模拟进行光照度电信号的采集。图4-2放大电路如图4-2放大电路采用LM358模块来作为整个放大电路，视觉效果更简单，效果也能兼得。输入信号在3口输入，2口输出。图4-3量程选择电路量程转换电路入4-3所示，在cd4051芯片的基础上增加四个电阻，来完成四个挡位区间的选择。图4-4模数转化电路模数转化在整个电路中比较简单，只需要连接adc0808的芯片记得完成仿真图4-5显示电路显示电路增加上拉电阻之后，编入程序，配合单片机完成仿真结果的显示。仿真开始之前设置好如上图4-1所示D(1)的电压值，数值在几十毫伏到几百毫伏，用来模拟传感器所输出的电压，开始仿真后LD016L会显示所测得的电压，仿真结束。在keil中进行程序的编写相应的软件程序，并且将程序下载到各个模块进行仿真和调试。参考文献[1]汪磊磊.天然光影响下的室内照明照度检测方法研究[J].绿色建筑,2020,12(03):60-62.[2]马银山,杜国祯,张世挺.光照强度和肥力变化对垂穗披碱草生长的影响[J].生态学报,2014,34(14):3908-3916[3]马旭,林