一種大量程的光照度測量系統設計

吉林工業職業技術學院 王 娟

一種大量程的光照度測量系統設計

吉林工業職業技術學院 王 娟

本文介紹一種光照度測量方法，測量范圍為0.0001～2000lx，由傳感器輸入電路、電前置放大電路、自動轉換電路、A/D轉換電路、單片機控制電路、LM016L顯示電路這幾部分實現光照度測量功能。

光照度；A/D；自動量程轉換；單片機

0　引言

硅光電二極管是一種自發電式的光電元件，當受光照的時候，會產生光電流。硅光電二極管在不同的光照度下，產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。

采用單片機作為主控制器，通過A/D實現將放大的模擬信號轉換為數字信號，并通過數據處理，還原出照度值，在顯示器中顯示。

1　總體方案設計

由于本論文選用的光電二極管LX1972經過光照會產生光電流，因為后續的電路只能對電壓進行檢測，所以光電流需要變為電壓，并把電壓放大足夠的倍數才能被A/D接收，因此需要光電轉換前置放大電路；還需要把模擬量電壓轉換為數字量，所以需要A/D轉換模塊。但是A/D芯片檢測模擬電壓量時，所檢測電壓最好在A/D轉換芯片的線性特性里，為了達到這個效果就需要量程轉換模塊；并把A/D轉換的數字量傳給單片機，則需要單片機控制模塊；最后傳給LM016L顯示器，需要LCD顯示模塊總體設計流程圖如圖1所示。

圖1　總體設計流程圖

2　硬件電路設計

2.1電流電壓轉換電路

二極管產生的光生電流信號十分微弱，易受到外部噪聲的影響，這樣會影響整個檢測系統的精度。為了獲取有用的信號，我們一般在把噪聲很低的運算放大器連接在光電二極管的后面，其主要是對二極管輸出的微弱信號進行放大和電流到電壓轉換，以便于后續放大和測量電路進行匹配。利用運放的放大作用，將帶負載的光電池電路輸出的電流放大，為了保證信號有更好的線性關系，所以將電流轉換成電壓形式。

2.2二次放大電路

電路中Vin為接在電流電壓轉換電路之后，放大器把輸入的負電壓變為等值的正電壓，可以通過控制電阻和量程轉換通道來控制放大的倍數。

2.3A/D轉換電路

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的位數越高，它的分辨率也就越高。根據預先的設計指標，測量范圍為0.0001lx～2000lx，分為三個區間，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。因為是串行輸入它可以占用很少的I/O口，其具有11個模擬輸入通道，足以滿足大部分電路的設計。在本論文中，由于經過放大的模擬量只有一個輸入，因此我們只用到其中一個輸入通道。TLC2543芯片的輸入端和輸出端與單片機的I/O口直接連接，通過單片機的引腳來控制和檢測。將光電前置放大電路放大過來的模擬放大信號經過TLC2543的AIN0引腳輸入，然后將三個輸入端和一個輸出端與單片機P1口的部分引腳相連。通過程序控制輸出信號的采集，將轉換后的數據送入單片機，由單片機進行數據處理和轉換[1]。

2.4自動量程轉換電路

在測量系統中，對于單通道的輸入，如果采用單一的反饋電阻，若輸入信號變化范圍大，則小信號得不到很好的放大，從而降低A/D轉換的精度，影響了控制質量。一般情況，在模擬輸入量送到A/D轉換系統時，為了減少轉換誤差，總希望傳送來的模擬信號盡可能的大，即應使被轉換量落在A/D轉換線性特性之內，并盡可能在滿刻度的一半。解決方法：對小信號輸入采用高放大倍數，對大信號輸入采用低放大倍數。實現方法：根據未知輸入參數量的范圍，自動地選擇合適的放大倍數，以切換到合適的量程，即在采集通道中設置可變增益放大器，借助多路模擬開關，由軟件控制器通斷，獲取需要的量程。由于本系統用光電二極管接受可見光照射并進行光電轉換，轉換成的電流范圍太大（2uA～200uA），為了確保A/D轉換的精度，本系統采用通道電阻很小的74HC4051模擬開關實現量程轉換，量程切換由單片機控制。將測量范圍分為3個量程，從小到大依次為0.0001～100lx檔、100～200lx檔，200～2000lx檔，通過模擬開關選擇其中的一個輸入端，選擇獨立八通道模擬開關74HC4051來控制。電阻放大網絡，小電流用大電阻，大電流用小電阻。

硬件主要由放大器、獨立八通道模擬開關、A/D轉換器及單片機組成。

由于光電二極管產生的光電流范圍較大，對應的照度范圍較大，為了使電壓盡可能的在A/D轉換器的1/2滿刻度，將測量的電流分為三個檔。從小到大依次為2～10uA檔、10uA～20uA檔、20～200uA檔，通過模擬開關選擇其中一個開關導通，選擇獨立八通道模擬開關74HC4051來控制，被測的的電流通過電阻放大網絡，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來實現顯示的，其功能是顯示壓力、電流。用單片機的P3.5～P3.7端口分別連接LM016L的使能引腳E，讀寫引腳R/W，RS三個引腳為了控制顯示器，單片機的P0端口通過連接排阻RN1再連接顯示器的傳輸數據段DB0～DB7向顯示器發送要顯示的數據。顯示電路采用的是LM016L液晶顯示模塊，當光直射光電池時，放大的電信號送入到TLC2543模數轉換器的AIN0端口，數字信號經過總線傳送到AT89C52對的P1端口，并讀入累加器A，經過AT89C52計算后通過PO端口輸出，然后在LCD中顯示光照度。

3　Protues仿真

本設計中將Protues軟件作為下位機軟件，在Keil中編譯沒有錯誤之后，生成hex文件，使用Protues 軟件進行單片機系統仿真設計。先在Protues庫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程序導入電路中的單片機內，按下確認鍵切換到運行按鈕，開始仿真。點停止按鈕，我將光照度傳感器替換成了一個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，可以發現LM016L顯示器中的照度值是變化的，進而仿真全過程。

4　結論

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

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

[2]孟俊,陳立超,劉明.基于串行通信的E2POM電路在電視產品設計與應用[J].通信廣播電視,2014(11):36-39.

[3]許艷.照度計的特性及測量誤差的定量評價[J].唐山:河北理工學院輕工分院,2002(3):22-28.

王娟（1983—），女，吉林人，碩士，吉林工業職業技術學院講師，研究方向：過程控制。