《基于光伏效应的高精度光照度测量仪》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于光伏效应的高精度光照度测量仪（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、0编码： 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）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）1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
2、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 photo
3、electric 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
4、 host computer.Keywords: photovoltaic effect; photodiode; integral amplification; MCU; PC0.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
5、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 lx1.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、2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：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-
6、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3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
7、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。4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5准 ASCII 码既可
8、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6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 Kei
9、l 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：7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
10、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8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
11、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9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
12、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)1090 423.660 312.445 235.130 142.90 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.
