光照度計的設(shè)計(共10頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上課程設(shè)計說明書 光照度計的設(shè)計 院（系） 機械與汽車工程學(xué)院 專 業(yè) 機械電子工程 班 級 08機電1班 學(xué)生姓名 xxx 指導(dǎo)老師 謝寶忠 2011 年 12 月 15日 光照度計的設(shè)計 一、 功能概述1、光度學(xué)中基本量在光輻射測量中，與能量有關(guān)的量有兩類:一是物理的，即客觀的，叫做輻射度學(xué)量，簡稱為輻射量；另一類是生理的，即主觀的，叫做光度學(xué)量，簡稱光度量。前者表示某輻射源客觀上發(fā)射出的輻射能的大小，后者表示人的視覺系統(tǒng)主觀上感受到的那部分輻射能的強度。（1）光通量 (luminousflux)龜，光源在單位時間內(nèi)發(fā)出的光量稱為光通量，在光度學(xué)中，光通量是從輻射通

2、量導(dǎo)出的量，它明確地定義為能夠被人眼視覺系統(tǒng)所感受到的那部分輻射功率的大小的量度。單位是流明 (inmen)，符號為 lm，表達式為: L = dQv /dS (2) 光亮度(luminanee) Lv，一個面光源，除了可以用發(fā)光強度來描述它在某一個方向上的發(fā)光能力之外，還要知道它每一單位面積在這個方向上的發(fā)光能力，以便比較兩種不同類型光源的明亮程度，這就要用到亮度這個概念。它表示每單位面積上的發(fā)光強度，即: LL =dIL /dS光亮度的單位為坎德拉第每平方米(cd/mZ)。式中的面積，應(yīng)該理解為一個面在觀察方向上的正投影面積。因此，若觀察方向與該面的法線夾角為 0時，上式將變?yōu)? LL =

3、 dIL /dScos()所以，光源的光亮度可定義為:在表面一點處的面元在給定方向上的發(fā)光強度除以該面元在垂直于給定方向的平面上的正投影面積。由于 IL = DL/d故有 LL =d2L /ddScos()該式是光亮度的較通用的定義式。由該式可知，亮度不僅可用來描述一個發(fā)光面，而且還可以用來描述光路中的任意一個截面，如一個透鏡的有效面積、一個光闌所截的面積或一個象的面積等。此外，還可以用亮度來描述一束光，光束的亮度等于這個光束所包含的光通量除以這束光的橫截面和這束光的立體角。 (3)光照度 在光接收面上一點處的光照度等于照射在包括該點在內(nèi)的一個面元上的光通量除以該面元的面積ds。即:EL =d

4、L / ds2、光照度計設(shè)計思路光照度計首先需要光電轉(zhuǎn)換步驟，將光的強弱轉(zhuǎn)化為電的強弱，最佳轉(zhuǎn)換關(guān)系是線性關(guān)系，如果是非線性，需要定標(biāo)才可。其次需要前置放大和濾波處理，使弱電信號變?yōu)榭梢赃m合單片機處理的信號。最后是單片機處理信號，并將信號發(fā)送至不同功能的芯片。如發(fā)送到顯示芯片，或接受按鍵指令，處理信號。3、提供的功能包括:a。即時照度測量 b。照度數(shù)值記錄 c。單位轉(zhuǎn)換d。照度平均值計算e。照度最大值計算f。照度最小是計算g。方差計算 4、框圖：二、實現(xiàn)方法1、 光電器件的選擇（1）硅光電池光電轉(zhuǎn)換采用硅光電池完成。它不需要外加電源就能直接把光能轉(zhuǎn)換成成電能，而且光電流和照度成線性;它的光譜靈

5、靈敏度與人眼的靈敏度較為接近;它的響應(yīng)時間短短、性能穩(wěn)定，光譜范圍寬，頻率特性好，轉(zhuǎn)換效率高，能耐高溫輻射等優(yōu)點。故選擇硅光電電池作為此系統(tǒng)的光電檢測器件。1)原理硅光電池是一種利用光光生伏特效應(yīng)制成的光電轉(zhuǎn)換器件，通過將光信號號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杹頇z測待測量。光電池工作原原理，當(dāng)光照射 P一N結(jié)時，原子受激發(fā)而產(chǎn)生電子一空穴對，由于電子和空穴分別向兩極極移動而產(chǎn)生電動勢，兩極接入電路就能產(chǎn)生電流了。硅光電池是一種直接把把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。它的結(jié)構(gòu)很簡單，核心部分是一個大面積的 PN結(jié)。硅光電池池響應(yīng)時間短，光電池轉(zhuǎn)換效率高(目前轉(zhuǎn)換效率高達 27.50%的硅光電池已經(jīng)研制成功)。若有 1

6、m2的這種光電池，在足夠的陽光照射下，可可以產(chǎn)生 100多瓦的電能。硅光電池主要有兩個方方面的應(yīng)用，即作為電源和作為光電檢測器件的應(yīng)應(yīng)用。硅光電池作為測量元件使用時，應(yīng)當(dāng)作作電流源，不宜作電壓源。2）此次設(shè)計所選硅光電池池的型號為 BPW34BPW34具有高速高靈敏度的特點，所以本次設(shè)計選用了此型號的硅光電電池。（2）光電轉(zhuǎn)換與信號前置放大模塊 一個線性度好、穩(wěn)定度度高的光電轉(zhuǎn)換與信號放大電路對于整個測試系統(tǒng)統(tǒng)是至關(guān)重要的。它直接影響整個系統(tǒng)的測量精度、靈敏度、穩(wěn)定性及系統(tǒng)的測試速度等等指標(biāo)。由于 BPW34具有高靈敏度的特點，所以容易引起高頻噪聲。此處采用低低通濾波器，過濾掉部分高頻噪聲，同

7、時采用運運算放大器，將微弱電信號放大至 A/D轉(zhuǎn)換器可可用范圍。第一確保了 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，第二確保了信號不失真。1)原理其中 R與 C構(gòu)成了低通濾波器2)參數(shù)與芯片選擇。考慮到整個系統(tǒng)采用 3.3V電壓統(tǒng)一供電，所以運算放大器應(yīng)選用低電壓壓型號。經(jīng)過挑選選擇了 LMV321。該運放的特點是工作電壓低(2.7V-5.5V)，可適應(yīng)本產(chǎn)品的需求。輸出的電壓信號連入單單片機的 A/D轉(zhuǎn)換電路，而 C8051F310的 A/D轉(zhuǎn)換輸入電壓最大值為 VREF也就是 3.3V，而硅光電電池產(chǎn)生的電流在 0-1mA之間，所以 R=30K為宜。所選截斷頻率為 200Hz，故 C=30u為宜。上圖為

8、5-Pin SC70封的 LMV321芯片。其中 1接硅光電池負極，2接地，3接硅光電池正極，同時接地，5接 3.3V供電電壓，4接單片機 A/D轉(zhuǎn)換。并在 1與 4之間并聯(lián)電阻與電容。 （3）單片機芯片（C8051F310）單片機可謂本系統(tǒng)的核心，其關(guān)聯(lián)了輸入信號，與控制信號，并產(chǎn)生輸出信號。系統(tǒng)的按鍵控制功能，運算功能，輸出顯示功能都與其有關(guān)。并且由于 C8051F310單片機自帶 A/D轉(zhuǎn)換器功能。（4）按鍵電路與屏顯電路設(shè)計1)介紹 ZLG7290是一種 I2C接口鍵盤及 LED驅(qū)動管理器件，提供數(shù)據(jù)譯碼和循環(huán)、移位、段尋址等控制。它可采樣 64個按鍵或傳感器，單片即可完成 LED顯示

9、、鍵盤接口的全部功能。 ZLG7290的從地址為 70H，器件內(nèi)部通過 I2C總線訪問的寄存器地址范圍為 00H17H，任一寄存器都可按字節(jié)直接讀寫，并支持自動增址功能和地址翻轉(zhuǎn)功能。使用 ZLG7290驅(qū)動數(shù)碼管顯示有兩種方法，第一種方法是向命令緩沖區(qū)（07H-08H）寫入復(fù)合指令，向 07H寫入命令并選通相應(yīng)的數(shù)碼管，向 08H寫入所要顯示的數(shù)據(jù)，這種方法每次只能寫入一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，多字節(jié)數(shù)據(jù)的輸出可在程序中用循環(huán)寫入的方法實現(xiàn)；第二種方法是向顯示緩存寄存器（10H17H）寫入所要顯示的數(shù)據(jù)的段碼，段碼的編碼規(guī)則為從高位到低位為 abcdefgdp，這種方法每次可寫入 18個字節(jié)數(shù)據(jù)。 Z

10、LG7290讀普通鍵的入口地址和讀功能鍵的入口地址不同，讀普通按鍵的地址為 01H，讀功能鍵的地址為 03H。讀普通鍵返回按鍵的編號，讀功能鍵返回的不是按鍵編號，需要程序?qū)Ψ祷刂颠M行翻譯，轉(zhuǎn)換成功能鍵的編號。上圖為 ZLG7290的引腳圖，下表為各個引腳功能。2）原理3)參數(shù)選擇與電路圖由上圖的設(shè)計思路，并參考官方文檔的設(shè)計方法，設(shè)計了如下的電電路圖: 按鍵部分設(shè)計LED驅(qū)動電路外部晶振與通信接口2、信號預(yù)處理、調(diào)理及顯示與執(zhí)行單片機內(nèi)部設(shè)置當(dāng)前照照度計所處狀態(tài)，根據(jù)不同狀態(tài)向顯示電路發(fā)送不同信息。發(fā)送的信息包括顯示內(nèi)容和狀態(tài)兩兩部分，其中顯示內(nèi)容直接在 LED屏上顯示，狀態(tài)也在 LED屏上顯

11、示。狀態(tài)轉(zhuǎn)換通過按鍵觸發(fā)，狀態(tài)包括:a.當(dāng)前單位顯示的狀態(tài)。b.當(dāng)前顯示的內(nèi)容。c.瀏覽狀態(tài)，瀏覽照度歷史記錄，此時可以通過按鍵向左或向右查看歷歷史照度記錄。一共設(shè)計了 7個按鍵，其中第一個用于單位轉(zhuǎn)換選擇，在任何 b， c狀態(tài)下都可以使用。b狀態(tài)和 c狀態(tài)只能處于一個個，所以由第二個按鍵切換處于顯示狀態(tài)還是瀏覽狀態(tài)。當(dāng)處于 b狀態(tài)時，第三個按鍵可以在最最大值，最小值，平均值，方差，即時這 5個顯示內(nèi)容中切換;當(dāng)處于 c狀態(tài)時，第三個按鍵是是向左翻頁，即查看上一個記錄的值，而第四個按按鍵是向右翻頁，即查看下一個記錄的照度值。第五個按鍵是 capture，記錄鍵。在任何狀態(tài)時時均可記錄。第六個按鍵是auto，如果開啟，則每個 1秒自動記錄一個照度值。內(nèi)存一共分配了 256個個槽，可以存儲歷史記錄 256個，這 256個記錄為從早到晚，如果 溢出則刪除早的，保留晚的。也就是一個循環(huán)隊列。手動 capture的與自動capture的視為一種數(shù)據(jù)。3、 信號流圖4、流程圖 （1） 硬件模塊流程（2） 軟件程序流圖三、結(jié)論按照上述設(shè)計思路，將產(chǎn)品分層設(shè)計，底層用于計算處理，上層用于用戶響應(yīng)，應(yīng)該可以滿足產(chǎn)品設(shè)計需求。并具有功能擴展的特性。硬件產(chǎn)品的