吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王 娟

一種大量程的光照度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王 娟

本文介紹一種光照度測(cè)量方法，測(cè)量范圍為0.0001～2000lx，由傳感器輸入電路、電前置放大電路、自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路、LM016L顯示電路這幾部分實(shí)現(xiàn)光照度測(cè)量功能。

光照度；A/D；自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換；單片機(jī)

0　引言

硅光電二極管是一種自發(fā)電式的光電元件，當(dāng)受光照的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生光電流。硅光電二極管在不同的光照度下，產(chǎn)生的光電流是不同的，其線性范圍較寬，可以作為電流源使用。

采用單片機(jī)作為主控制器，通過A/D實(shí)現(xiàn)將放大的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過數(shù)據(jù)處理，還原出照度值，在顯示器中顯示。

1　總體方案設(shè)計(jì)

由于本論文選用的光電二極管LX1972經(jīng)過光照會(huì)產(chǎn)生光電流，因?yàn)楹罄m(xù)的電路只能對(duì)電壓進(jìn)行檢測(cè)，所以光電流需要變?yōu)殡妷海央妷悍糯笞銐虻谋稊?shù)才能被A/D接收，因此需要光電轉(zhuǎn)換前置放大電路；還需要把模擬量電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，所以需要A/D轉(zhuǎn)換模塊。但是A/D芯片檢測(cè)模擬電壓量時(shí)，所檢測(cè)電壓最好在A/D轉(zhuǎn)換芯片的線性特性里，為了達(dá)到這個(gè)效果就需要量程轉(zhuǎn)換模塊；并把A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量傳給單片機(jī)，則需要單片機(jī)控制模塊；最后傳給LM016L顯示器，需要LCD顯示模塊總體設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

圖1　總體設(shè)計(jì)流程圖

2　硬件電路設(shè)計(jì)

2.1電流電壓轉(zhuǎn)換電路

二極管產(chǎn)生的光生電流信號(hào)十分微弱，易受到外部噪聲的影響，這樣會(huì)影響整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的精度。為了獲取有用的信號(hào)，我們一般在把噪聲很低的運(yùn)算放大器連接在光電二極管的后面，其主要是對(duì)二極管輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大和電流到電壓轉(zhuǎn)換，以便于后續(xù)放大和測(cè)量電路進(jìn)行匹配。利用運(yùn)放的放大作用，將帶負(fù)載的光電池電路輸出的電流放大，為了保證信號(hào)有更好的線性關(guān)系，所以將電流轉(zhuǎn)換成電壓形式。

2.2二次放大電路

電路中Vin為接在電流電壓轉(zhuǎn)換電路之后，放大器把輸入的負(fù)電壓變?yōu)榈戎档恼妷?，可以通過控制電阻和量程轉(zhuǎn)換通道來控制放大的倍數(shù)。

2.3A/D轉(zhuǎn)換電路

ADC芯片的分辨率指的是芯片能分辨的模擬輸入電壓變換量的最小值。由于A/D的位數(shù)越高，它的分辨率也就越高。根據(jù)預(yù)先的設(shè)計(jì)指標(biāo)，測(cè)量范圍為0.0001lx～2000lx，分為三個(gè)區(qū)間，分辨率為0.01lx，由于8位的A/D分辨率不能滿足要求，因此使用12A/D芯片TLC2543。因?yàn)槭谴休斎胨梢哉加煤苌俚腎/O口，其具有11個(gè)模擬輸入通道，足以滿足大部分電路的設(shè)計(jì)。在本論文中，由于經(jīng)過放大的模擬量只有一個(gè)輸入，因此我們只用到其中一個(gè)輸入通道。TLC2543芯片的輸入端和輸出端與單片機(jī)的I/O口直接連接，通過單片機(jī)的引腳來控制和檢測(cè)。將光電前置放大電路放大過來的模擬放大信號(hào)經(jīng)過TLC2543的AIN0引腳輸入，然后將三個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端與單片機(jī)P1口的部分引腳相連。通過程序控制輸出信號(hào)的采集，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換[1]。

2.4自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換電路

在測(cè)量系統(tǒng)中，對(duì)于單通道的輸入，如果采用單一的反饋電阻，若輸入信號(hào)變化范圍大，則小信號(hào)得不到很好的放大，從而降低A/D轉(zhuǎn)換的精度，影響了控制質(zhì)量。一般情況，在模擬輸入量送到A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時(shí)，為了減少轉(zhuǎn)換誤差，總希望傳送來的模擬信號(hào)盡可能的大，即應(yīng)使被轉(zhuǎn)換量落在A/D轉(zhuǎn)換線性特性之內(nèi)，并盡可能在滿刻度的一半。解決方法：對(duì)小信號(hào)輸入采用高放大倍數(shù)，對(duì)大信號(hào)輸入采用低放大倍數(shù)。實(shí)現(xiàn)方法：根據(jù)未知輸入?yún)?shù)量的范圍，自動(dòng)地選擇合適的放大倍數(shù)，以切換到合適的量程，即在采集通道中設(shè)置可變?cè)鲆娣糯笃?，借助多路模擬開關(guān)，由軟件控制器通斷，獲取需要的量程。由于本系統(tǒng)用光電二極管接受可見光照射并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成的電流范圍太大（2uA～200uA），為了確保A/D轉(zhuǎn)換的精度，本系統(tǒng)采用通道電阻很小的74HC4051模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)量程轉(zhuǎn)換，量程切換由單片機(jī)控制。將測(cè)量范圍分為3個(gè)量程，從小到大依次為0.0001～100lx檔、100～200lx檔，200～2000lx檔，通過模擬開關(guān)選擇其中的一個(gè)輸入端，選擇獨(dú)立八通道模擬開關(guān)74HC4051來控制。電阻放大網(wǎng)絡(luò)，小電流用大電阻，大電流用小電阻。

硬件主要由放大器、獨(dú)立八通道模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器及單片機(jī)組成。

由于光電二極管產(chǎn)生的光電流范圍較大，對(duì)應(yīng)的照度范圍較大，為了使電壓盡可能的在A/D轉(zhuǎn)換器的1/2滿刻度，將測(cè)量的電流分為三個(gè)檔。從小到大依次為2～10uA檔、10uA～20uA檔、20～200uA檔，通過模擬開關(guān)選擇其中一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通，選擇獨(dú)立八通道模擬開關(guān)74HC4051來控制，被測(cè)的的電流通過電阻放大網(wǎng)絡(luò)，小電流用大電阻，大電流用小電阻。

2.5顯示電路

液晶顯示部分是用器件LM016L來實(shí)現(xiàn)顯示的，其功能是顯示壓力、電流。用單片機(jī)的P3.5～P3.7端口分別連接LM016L的使能引腳E，讀寫引腳R/W，RS三個(gè)引腳為了控制顯示器，單片機(jī)的P0端口通過連接排阻RN1再連接顯示器的傳輸數(shù)據(jù)段DB0～DB7向顯示器發(fā)送要顯示的數(shù)據(jù)。顯示電路采用的是LM016L液晶顯示模塊，當(dāng)光直射光電池時(shí)，放大的電信號(hào)送入到TLC2543模數(shù)轉(zhuǎn)換器的AIN0端口，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過總線傳送到AT89C52對(duì)的P1端口，并讀入累加器A，經(jīng)過AT89C52計(jì)算后通過PO端口輸出，然后在LCD中顯示光照度。

3　Protues仿真

本設(shè)計(jì)中將Protues軟件作為下位機(jī)軟件，在Keil中編譯沒有錯(cuò)誤之后，生成hex文件，使用Protues 軟件進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)。先在Protues庫(kù)中找到需要仿真的元器件，將它們按照原理圖連接，然后在Protues中將*.HEX程序?qū)腚娐分械膯纹瑱C(jī)內(nèi)，按下確認(rèn)鍵切換到運(yùn)行按鈕，開始仿真。點(diǎn)停止按鈕，我將光照度傳感器替換成了一個(gè)可以隨意輸入電流的電流源，在輸入電流處隨意輸入2～200μA的電流，可以發(fā)現(xiàn)LM016L顯示器中的照度值是變化的，進(jìn)而仿真全過程。

4　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的是用硅光電池測(cè)量光照度，具有精度高、可靠性好、速度快、智能非接觸等特點(diǎn)，使其在光控和智能家電與智能穿戴領(lǐng)域具有廣泛的作用。

[1]李漢軍,楊士亮,楊恩智.光電池原理及應(yīng)用[J].現(xiàn)代物理知識(shí),1999, 11(3):26-27.

[2]孟俊,陳立超,劉明.基于串行通信的E2POM電路在電視產(chǎn)品設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].通信廣播電視,2014(11):36-39.

[3]許艷.照度計(jì)的特性及測(cè)量誤差的定量評(píng)價(jià)[J].唐山:河北理工學(xué)院輕工分院,2002(3):22-28.

王娟（1983—），女，吉林人，碩士，吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：過程控制。