基于光伏效应的高精度光照度测量仪.doc

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山东省第四届大学生物理科技创新大赛
研究报告

作品名称： 基于光伏效应的高精度光照度测量仪

学校全称：

申报者姓名：

指导教师： 王立刚
类别：
□实验方法研究（A类）
□自制实验教学仪器（B类）
þ物理量智能化测量（C类）
□实验模拟与仿真（D类）
□实用创新（E类）

《基于光伏效应的高精度光照度测量仪》研究报告

摘要：本系统采用层次化、模块化设计，整个系统由数据采集系统、单片机控制系统、液晶显示系统组成。系统以51单片机为核心，照度测量模块使用基于光伏效应的光电二极管为传感器将光信号转换为电流信号，采用积分放大电路将电流信号转换为电压信号，再通过IIC逻辑通信协议供单片机读取。继而显示在单片机终端、发送到上位机。
关键词：光伏效应；光电二极管；积分放大；单片机；上位机
Abstract：The system uses a hierarchical, modular design, the entire system by the data acquisition system, MCU control system, LCD system components. The MCU system to 51 single-chip illumination measurement module uses the sensor will be based outside the photoelectric effect photodiode optical signal is converted to current signals, current signals are converted to voltage signals using an integrating amplifier circuit, then through the the IIC logical communication protocol for the microcontroller to read take. Then display the MCU terminal, send to the host computer.
Keywords: photovoltaic effect; photodiode; integral amplification; MCU; PC
0.引言
传统实验检测光强、光照度仪均是使用检流计，通过光电池产生电流信号，通过OP07等运算放大器将电流转换为电压信号，通过AD采样读出电压数字量，这种方法常因光电池、运算放大器、ADC芯片的不稳定性、参数差异等各项因素使得测量结果不理想，静态起伏大，灵敏度不够。本系统采用基于光伏效应的光电二极管，并用积分放大电路，将电流信号进行积分放大，将工频噪声、温度漂移等噪声有效抑制，提高仪器的工作稳定性与准确性。
通过将数据实时发送到电脑上位机端，可以及时将数据以文件形式保存，便于数据的计算机处理、存档。
测量范围：0-54612 lx
积分精度：±0.5 lx
测量精度：0.1 lx
1.系统构成
本系统终端机以单片机为核心，组成一个集光照度数据的采集、处理、显示为一体的系统，其原理框图如图1所示。
系统硬件电路由基于光伏效应的光电二极管作为照度传感，实际上使用罗姆半导体集团的BH1750FVI芯片作为传感器，控制核心采用STC89C52单片机，LCD显示，串口数据发送个模块构成。其总体设计如下：
光照度
测量模块
MCU
控制核心
终端
显示
串口收
发模块

上位机

图1 光照度测量仪原理框图
2.硬件电路设计
2.1 基于光伏效应的光照度测量模块设计
光伏效应，即半导体P-N结在吸收具有足够能量的入射光子后，产生电子-空穴对，在P-N电场作用下，两者以相反的方向流过结区，从而在外电路产生光电流。如图是光伏效应原理示意图：

图2 光伏效应原理图及伏安特性曲线
为提高测量的稳定性及精度，实际测量时采用罗姆半导体公司生产的数字集成芯片BH1750VFI，测量值可通过单片机编程直接从芯片读出数字量。下图为光照度测量模块原理图，其中LM1117为3.3V稳压芯片，BH1750为光照度测量主芯片，数据通过IIC协议读出，原理图及其内部原理框图如下：

图3 光照度测量模块实际原理图

图4 光照度测量模块原理框图

PD为光电二极管，AMP为积分运算放大器，后接16位AD转换，通过IIC电路，单片机可直接读出光照度数字量。

下图为光照度计的频谱响应特性和方向感应特性：

图5 光谱响应特性　 图6 方向感应特性

2.2系统的显示设计

系统的显示设计采用的是点阵字符型液晶模块LCD12864，由单片机控制输入数据，然后显示。

图7 LCD12864液晶显示模块
LCD12864液晶显示模块的基本性能：液晶显示模块有良好的显示特性和效果、操作简单、性价比好等优势，应用范围广，并取得了不错的效果和认可。其具有低功耗、长寿命、高可靠性，而且易于操作，直接发送汉字的标准ASCII码既可正常显示。显示方式：STN、半透、正显；背光方式：底部 LED；通讯方式：串口并口可选，标准的接口特性，适配与各种单片机连接。

2.3串口收发模块设计

该系统与电脑通讯使用51单片机自带的全双工串口通讯模块，可通过编程实现串口通信的波特率等参数的设置，外接MAX232作为与电脑串口连接的电平转换芯片。
本测量仪单片机使用11.0592MHz的晶振，故串口通信波特率设置为应用较为广泛的9600比特，可以准确快速地将数据发送的电脑上位机端。

图8 MAX232串口通信模块设计

2.4系统总体设计

图9 系统原理总图
3 系统设计与软件设计
3.1单片机终端软件设计

本设计是使用Keil软件进行的STC89C52单片机进行调试，由BH1750采集到光照度信息，通过单片机对数据统一处理，LCD12864液晶实时显示当前的照度值、测量精度等一系列信息，并利用单片机系统对串口进行实时监听，随时响应上位机端的测量指令。

下面为此系统主程序流程图：

开始

各模块初始化

欢迎界面
液晶常量信息写入

判断当前测量模式
测量当前照度值并显示

键盘、串口
实时监听

串口指令响应数
键盘指令响应

结束

图10 主程序流程图

首先电路上电复位后对模块进行初始化：设置串口通信，开串口中断；设置液晶显示模块的工作方式并初始化。显示液晶屏幕的欢迎界面，进入光照度测量状态，并实时显示在液晶屏幕上。测量的同时，刻度键盘、串口进行监听，当检测到有效指令后，立刻响应指令。

3.2上位机软件调试

上位机软件使用微软的集成开发环境Visual Studio，用C#语言基于.NET FrameWork类库开发，下面是该上位机软件的类库图：

图11 上位机软件类库图

打开上位机后，软件会自动检测到当前可用的COM口，选择好COM口的相关参数后，单击【打开串口】，串口指示灯点亮，说明进入正常联机模式，此时串口设置的各按钮变成灰色，说明当前不能使用。
联机成功后，下面的其他控件成为可操作状态，【保存】按钮可随时将当前测量的数据保存为lxx光照度文件，保存的数据文件可随时点击【载入】读取回来，【清空】按钮随时清空数据面板上的数据，同时清空数据缓冲区。
计算机控制测量时，分为手动单步采集和自动连续采集，手动采集每点击一下，采集一次数据。自动采集可通过设置测量周期，实现周期性自动采集。每次采集的数据会详细记录采集时间、测量精度等信息。采集精度可通过【测量精度】控件随时调整。

3.3系统的安装与调试
硬件电路的安装是从51单片机最小系统开始的，参照绘制好的原理图，在电路板上安排各种电子元器件，根据电子元器件引出导线等，然后用电烙铁进行元件焊接，直至将电路的原件焊接好。连接到电脑上，进行功能的测试，以下是实拍图片：

图12 系统实际拍摄图片

图13 上位机软件工作截图

调试过程中可能遇到焊接不良，接线不正确的错误，要认真检查排线，逐一地将错误的地方修正。调试好此电路后，然后再参照标准计进行各种环境下光照度的测试，下面是实际测量数据：

距离30W日光灯30CM下
不同角度测量
自制照度计(lx)
90°
423.6
60°
312.4
45°
235.1
30°
142.9
0°
37.4
表1 照度计的角度响应测量参考
4．结语
该照度计的总体设计思路清晰明了，通过硬件电路的安装测试、系统软件的编程调试，最终实现了预期的设计目的，在实际应用的，测量仪可单独进行环境光照度的测量，连接电脑打开上位机软件后，通过串口通信即可实现电脑端操作，研究设计取得成功。
参考文献
[1] 姜志海,赵艳蕾.单片机C语言程序设计[M].北京：电子工业出版社，2008.
[2] 高岳,王霞.光电检测技术与系统（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2009.
[3] 段尚枢.运算放大器应用基础[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1992.
[4] 童诗白,华成英.模拟电子技术基础（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2010.
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