光照度檢測儀的設計★

王瑩瑩，徐玉珍，洪 耀，葉國文

（麗水學院工學院，浙江麗水 323000）

0 引言

光是人類眼睛可以看見的一種電磁波，是生物生長和發育的必要條件之一，它對于世間萬物有著不可或缺的影響。光照度與我們的生活息息相關，光照度的大小對我們的工作和生產都有很大的影響，如隧道、廣場、場館、工業現場、野外、水下（包括海底）等場所全天候的光度（照度或亮度）等地的照度不足，連續工作會引起視覺疲勞，大大降低工作效率，所以有必要對以上場所利用光照檢測儀進行光照度測量控制。

光照度檢測儀是基于光探測器的照度測量儀表，是光強測量中用得最多的儀器之一，廣泛應用于商業和工廠的照度測量。光照度檢測儀也是照明設計和節約能源最基本的測量儀器。隨著國民經濟發展，特別是近年來工農業發展迅速，正在大量地使用各類光度儀器特別是光照度計，用來測量環境的照明情況。光照度檢測儀是一種簡易便攜式的測量光強度的儀器，能快速準確地將所測量光的強度以數據的形式顯示出來。

1 系統設計及工作原理

光照度檢測儀原理框圖如圖1所示。

圖1 光照度檢測儀原理框圖

此設計系統主要包括3個部分：光照度變送器，光照度檢測板，光照度顯示器。具體是以光亮度采樣芯片將當前的光照度數據轉換成二進制值，通過兩線制接口傳送給單片機，單片機將采樣芯片送來的數據進行補償算法獲得精確實際采樣值。“光照度變送器”將采集到的外界自然光轉換為相應的直流電壓信號。“光照度檢測板”采集“光照度變送器”輸出的電壓信號并轉換為數字信號。“亮度顯示器”定時去讀取“光照度檢測板”的轉換數據，做平均值計算得出光亮度值并在顯示面板上顯示照度數值。“光照度檢測板”和“亮度顯示器”之間采用RS485通訊方式來實現數據傳遞。“亮度顯示器”有兩個信號接口分別為：“D～AC數模輸出接口“接到LED燈調光器的信號輸入端（LED調光器接收DC0～5V的直流電壓信號）。

2 硬件電路設計

本系統采用ATMEGA8單片機作為控制核心，控制系統主要包括RS485接口及變送器通訊、光照度監測板、A/D轉換器、光照度顯示器。

系統硬件設計如圖2所示。

圖2 系統硬件設計圖

本設計采用了Atmel公司的單片機Atmega8作為控制核心。Atmega8是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其指令集以及單時鐘周期指令執行時間，Atmega8 的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。

CPU的31、30腳為串行通訊口，28腳接RS485的收發控制端。

本系統要保證下位機的數據高速、及時、準確地傳送至單片機，RS485接口能更好滿足本類系統的要求。

CPU的23腳為ADC采樣輸入端實時采樣光亮度傳感器信號接收調理電路。

本系統使用的傳感器是JCJ100P照度變送器。

JCJ100P照度變送器以標準模擬電壓或電流變送器輸出，標準RS-232或485通信接口，并可直接配接計算機。其技術參數：工作電壓 1.12VDC±10% 2.24VDC±10% 照度傳感器硅藍光伏探測器測量范圍 1.0～2 000Lux（中低照度）2.0～20,000Lux（中高照度）3.0～200,000Lux（強光源）準確度±7% 輸出信號 0～5VDC 4～20 mA（兩線制），其通訊協議采用標準MODBUS通訊協議，在使用組態軟件時，須選用的設備為MODICON（莫迪康）的PLC，MODBUS-RTU設備。

此系統采用USART通用同步和異步串行接收器和轉發器，它是一個高度靈活的串行通訊設備。

顯示電路的設計：本系統選用普通數碼管顯示模塊，用來顯示此時光照度數值。

3 系統軟件的設計

該光照度系統的軟件設計采用了結構化和模塊化的設計方法，便于功能擴展，軟件設計采用C語言編寫。主要有以下幾個模塊：傳感器數據采集模塊，光亮度檢測模塊，通訊接口模塊，光亮度顯示模塊。

此系統程序首先是對單片機系統的初始化，啟動ADC轉換功能，取多次采樣值的平均值為實際采樣數據，并轉化為與亮度變送器對應的十六進制亮度單位數值，然后以光亮度采樣芯片將當前的光照度數據轉換成二進制值通過兩線制接口傳送給單片機，單片機將采樣芯片送來的數據進行補償算法獲得精確實際采樣值。“光照度變送器”通過其內部傳感器轉換將采集到的外界自然光轉換為相應的直流電壓信號。“光照度檢測板”采集“光照度變送器”輸出的電壓信號并轉換為數字信號。“亮度顯示器”定時去讀取 “光照度檢測板”的轉換數據，做平均值計算得出光亮度值并在顯示面板上顯示照度數值。

系統軟件主框圖如圖3所示。

圖3 系統軟件主框圖

4 現場測試結果

本設計的光照度檢測儀測量范圍在0Lux～9999Lux，精確度為1Lux，測量誤差為±5Lux。在相同的照明條件下，本光照度檢測儀和標準照度計（TES-1332A照度計，測量范圍在0Lux～2000Lux，分辨率0.1 Lux）的測量值比較，見表1。根據數據比較得出光照檢測儀的誤差在±5Lux以內，設計合格。

表1 標準照度計和光照檢測儀的測量值比較

5 結論

本文設計的光照度計測量儀，具有自動量程轉換功能、測量精度高、成本低等優點，經測試，該儀器各指標均達到設計要求，是一款性價比較高的光照度檢測儀。

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