光强计计设计报告完整.docx
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光强计计设计报告完整
照度计的设计
摘要
在现实运用中，照度的测量是很常见的。
本文设计了一种成本低、易携的数显照度计。
本系统是以单片机ATMEGA16为核心部件的测量系统，它包括信号采集、信号放大、A/D转换、LED显示、键盘等部分。
首先，本文选用了光谱响应范围宽，响应时间短，光电转换效率高、PN结面积大的的硅光电池作为照度计的光电转换的探头，并把它做成一个单独的光探头，并加了以劝滤光器和余弦修正器，与机身分离，更加适应余弦定律，提高了测量的精度和范围。
其次，本文重点做了以下工作:
（1）光电转换前置放大电路的设计:
为了提高照度计的测量准确度，确保光电间的线性关系，本设计把运算放大器接成电流电压变换器的形式，一方面可得到零负载效应;另一方面，短路电流通过反馈电阻变成电压量，实际效果相当于流过一个负载电阻形成的压降。
（2）A/D转换电路的设计:
由于可见光照射硅光电池时产生的光电流范围太大,使用了10位A/D转换的精度。
（3）显示电路的设计:
本系统选用led数码管显示模块，降低了成本。
通过实验测试，本系统设计合理，其测量范围、分辨率、光谱响应误差基本上达到了设计的要求。
关键词:
硅光电池;A/D转换;单片机
照度计的工作原理
2.1光度学中的基本量
在光辐射测量中，与能量有关的量有两类:
一是物理的，即客观的，叫做辐射度学量，简称为辐射量;另一类是生理的，即主观的，叫做光度学量，简称光度量。
前者表示某辐射源客观上发射出的辐射能的大小，后者表示人的视觉系统主观上感受到的那部分辐射能的强度。
（1）光通量（luminousflux）
光源在单位时间内发出的光量称为光通量，在光度学中，光通量是从辐射通量导出的量，它明确地定义为能够被人眼视觉系统所感受到的那部分辐射功率的大小的量度。
单位是流明（inmen），符号为lm，表达式为:
（2.1）
（2）光亮度（luminanee）L，
一个面光源，除了可以用发光强度来描述它在某一个方向上的发光能力之外，还要知道它每一单位面积在这个方向上的发光能力，以便比较两种不同类型光源的明亮程度，这就要用到亮度这个概念。
它表示每单位面积上的发光强度，即:
（2.2）
光亮度的单位为坎德拉第每平方米（cd/mZ）。
式（2.2）中的面积，应该理解为一个面
在观察方向上的正投影面积。
因此，若观察方向与该面的法线夹角为0时，上式将变为:
（2.3）
所以，光源的光亮度可定义为:
在表面一点处的面元在给定方向上的发光强度除以该面元在垂直于给定方向的平面上的正投影面积。
由于
（2.4）
故有
式（2.5）是光亮度的较通用的定义式。
由该式可知，亮度不仅可用来描述一个发光面，而且可以用来描述光路中的任意一个截面，如一个透镜的有效面积、一个光阑所截的面积或一个象的面积等。
此外，还可以用亮度来描述一束光，光束的亮度等于这个光束所包含的光通量除以这束光的横截面和这束光的立体角。
（2）光照度（luminanee）
（3）在光接收面上一点处的光照度等于照射在包括该点在内的一个面元上的光通量除以该面元的面积ds。
即:
（2.6）
（EV照度;
光通量;
：
面积）单位是:
勒克斯（lux），符号为lx，当llm光通量匀地照射在
的面积上时，这个面上的光照度就等于llx。
即单位面积上接收到的光通量。
2.2照度计的工作原理
照度计（lulllinometer）又称勒克斯计或光强计，是用来测量某一被照射平面上光通量多少的一种光度量仪表。
检测的物理量是光通量，是光度测量中用得最多的仪器之一。
2，2.1照度测量的方法
照度计的测量原理较简单，整个探测器所接收的光通量除以探测器的面积，即为所测的照度，即:
由于照度与人眼的光谱光视效率有关，因此，照度计的光探头的相对光谱灵敏度必须与人眼的光谱光视效率一致。
由于一般的光接收器的相对光谱灵敏度与人眼的光谱光视效率相差远，所以光探头要用）滤光器进行匹配。
另外，光投射在光探头上的响应，要符合余弦法则。
因此，光探头还要有余弦修正器。
一个照度计是由带滤光器的光电传感器与电子放大和读数系统所组成。
过去广泛采用硒光电池为探测器，这是因为它的光谱灵敏度比其他探测器更接近人眼的光谱光视效率的缘故。
但由于硅光电元件的灵敏度、稳定性和寿命均较硒光电池为高，故近年来多采用硅光电池或硅光电二极管代替硒光电池作照度计的探测器件。
为了提高照度计的测量准确度，光探头输出的光电流需先进行放大，再由读数显示器读数。
为确保光电间的线性关系，应使外电路的负载为零，用运算放大器接成电流电压变换器的形式，一方面可得到零负载效应;另一方面，短路电流通过反馈电阻变成电压量，实际效果相当于流过一个负载电阻形成的压降。
照度计应有较大的线性响应范围，使之可在较大照度范围内测量，选用线性范围大的接收器和增加光电流放大倍数，即可达到此目的。
环境温度对照度计的测量结果有影响，特别是实测时的环境温度与标定时的环境温度相差较大（如寒冷的冬天或酷热的夏天）的情况下，影响更为显著。
在照度计中，不仅是光电池，与光电池相接的外电路，表头电阻等，均随温度而变化。
因此，可通过对外电路、表头等的选择，使光电池的温度影响得到部分补偿。
在对照度计进行温度修正时，应对照度计的各部件作统一考虑。
湿度对照度计也有影响，为此，要求照度计的光探头有较好的密封性能，长期不用的照度计，最好能间隔一段时间通一次电。
接收器容易老化，因接收器老化会直接影响到照度计的测量精确度，缩短照度计的使用寿命。
此外，照度计还应有一定的响应速度，以适应变化的照度测量。
由于光电传感器所产生的光电流正比于所接收的光通量，测量时须将照度计的光敏表面与被测照度的表面重合，并尽量垂直于光的照射方向。
所以读数系统可直接指示出所测的照度值。
3.1系统硬件总体设计方案
本系统的硬件电路总体设计思想是:
以单片机ATMEGA16为核心的中央处理器，辅以外围模拟、数字电路功能模块，实现从光电传感器传来的信号测量到最后的显示输出。
测量控制部分是整个系统的核心部分，是整个系统的主要功能完成部分[10]。
系统硬件原理框图如图3.1所示。
图3.1系统硬件原理框图
3.2光电传感器的选型
目前，光电检测技术中常用到的一些光电检测器件有光电倍增管、雪崩二极管、光电二极管、光电三极管、PIN光敏电阻、光敏电池以与CCD阵列等一些半导体器件。
通过比较只有硅光电池是最理想的选择，它不需要外加电源就能直接把光能转换成电能，而且光电流和照度成线性;它的光谱灵敏度与人眼的灵敏度较为接近;它的响应时间短、性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，转换效率高，能耐高温辐射等优点。
故选择硅光电池作为此系统的光电检测器件。
硅光电池是一种利用光生伏特效应制成的光电转换器件，通过将光信号转变为电信号来检测待测量。
光电池工作原理，当光照射P一N结时，原子受激发而产生电子一空穴对，由于电子和空穴分别向两极移动而产生电动势，两极接入电路就能产生电流了[11]。
硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件。
它的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN结如图3.2：
图3.2硅光电池结构示意图
硅光电池响应时间短（10，“一10一S），光电池转换效率高（目前转换效率高达27.50/0的硅光电池已经研制成功）。
若有lm2的这种光电池，在足够的阳光照射下，可以产生100多瓦的电能。
硅光电池主要有两个方面的应用，即作为电源和作为光电检测器件的应用。
硅光电池作为测量元件使用时，应当作电流源，不宜作电压源。
硅光电池在光照下产生的电流随光强的增大而增大。
当接受的光强度一定时，可看作恒流源。
在P一N结为理想状态下可用图3.3表示的等效电路来考虑。
图3.3理想状态下的硅光电池等效电
在光照射下，当硅光电池接通负载并达到稳定状态后，流入负载的电流IR和负载两端的电压VR关系:
式中，I。
为硅光电池P-N结的反向饱和电流;IR为稳定状态下的负载电流;IL为硅光电池在光照下产生的恒定电流;气为稳定状态下的负载电压;q为电子电荷（1.6*10-19）;K为玻尔兹曼常数（l.38*10-23J/K）;T一绝对温度。
根据上式作出硅光电池的伏安特性曲线，如图3.4所示。
图3.4硅光电池伏安特性曲线
曲线与电流轴和电压轴的和交点分别定义为光电池的短路电流ISC和开路电压VOC。
硅光电池的VOC一般为0.45~o.6V，最大不超过0.756V，因为它不能大于PN结热平衡时的接触电势差[l3]。
在电阻负载时，负载线为一直线，其斜率由负载电阻的大小决定，负载线与伏安特性曲线的交点M（VR，IR）称为负载工作点，负载电阻从光电池获得的功率为PR=IR*V，相当于图中矩形的面积，能使矩形面积最大负载电阻称为最佳电阻，能从光电池获得最大输出功率，一般应选在特性曲线的转弯处。
最佳负载从光电池获得的最大输出功率一般为0.8VOCISC、VOC、IOC的数值可以由伏安特性方程求得。
当光电池处于短路状态时
则
当光电池处于开路状态时
则
在室温下
所以:
在光电池的实际等效电路中还应考虑硅片内部阻抗和电极阻抗构成的串联阻抗RS以与因结内部不完整性而引起的并联阻抗RsH。
图3.5为实际的硅光电池等效电路示意图。
在实际电路中，负载电流I*和负载电压气的关系为:
将式（3.3）移项并以e为底取对数得：
目前硅光电池的并联电阻一般都很大，所以在计算VOC和ISC时，RSH可以认为无穷大，则
外电路短路时，
；外电路开路时，负载上得到的功率为:
若入射光功率为W，负载功率为PR，则定义硅光电池的光电转换效率为:
在负载功率最大PMAX时，对应最大的光电转换效率：
式中，FF=VRIR/VOCISC。
称为填充因子（又称曲线因子），在理想状态下最大预计在0.8以上，但是由于RH、RSH的影响而有所下降，一般取该值为0.7~0.75。
硅光电池在不同的光强照射下可以产生不同的光电流和光生电动势[14]。
硅光电池的光照特性曲线如图3.6所示。
从曲线可以看出，短路电流和照度成线性，开路电压与入射光功率近似成对数关系。
一开始随光照度急剧上升，当照度在ZOO01x时就趋于饱和了。
最大开路电压约为0.6V，总小于半导体材料的势垒电压，而与硅光电池面积大小无关。
因此增大硅光电池的面积只能得到大的光电流，而不能提高光生电动势的值。
硅光电池的光谱特性[15]，光谱特性指在入射光的能量保持一定的情况下，硅光电池的光电灵敏度与入射光波长之间的关系。
图3.7为硅光电池、白炽灯光的光谱分布曲线。
硅光电池的温度特性，环境温度的变化对硅光电池响应度和暗电流有较大的影响，
这是由于光吸收系数与温度有关。
硅光电池的开路电压、短路电流随温度变化，其中VOC以-20mV/℃的负温度系数变化，Isc以2*10-3A/℃的正温度系数变化。
硅光电池正常工作的环境温度范围为一40~+125℃[16]。
硅光电池的响应时间，响应时间表示硅光电池对于突变光照的反映速度，响RL，可用上升时间t:
，下降时间t了表示trtf
2.2Cj（RL+RS），RS一般比RL小得多，所以trtf
2.2CjRL，RL通常取决于外电路的需要，不能任意减小。
Cj与光敏面积成正比，
与偏置电压和基片材料电阻率的平方根成反比[17]。
3.3光电转换与信号前置放大模块
一个线性度好、稳定度高的光电转换与信号放大电路对于整个测试系统是至关重要的。
它直接影响整个系统的测量精度、灵敏度、稳定性与系统的测试速度等指标[18]。
光电检测电路就是采用光电检测方法把调制到光载波上的有用信号解调出来，实现光信号到电信号的转换。
因光纤末端输出的光信号通常是很微弱的，转换后的电信号也非常微小，由于背景噪声、电路噪声、元器件噪声的影响，要做到精确测量有较大难度。
因此，这就要求光检测器在所用光源的发射波长范围内具有高响应度、小的附加噪声、快的响应速率且具有能处理所需要的数据率的足够带宽[19]。
另外，与探测器相连的前置放大电路也应当设计合理，必须有信号频率范围所需的带宽、高稳定性和小增益误差，以获得大的动态范围和高的信噪比。
光电池的光探测方式有两种结构:
一是光电导模式、二是光电伏模式，在光电导模式下，需给硅光电池加反向偏置电压，光电流与偏压、负载电阻几乎无关（在很大的动态范围内），在光电伏模式下，光电流和照度成线性特性，所以硅光电池一般工作于光伏模式下。
由3.1式可知，当VR=0时，硅光电池在零偏压时，输出电流与光照成线性关系，
此时的输出电路电流为:
其中S，为光电池的灵敏度，E为光照度。
短路电流与光照成正比，这时的硅光电池的光电线性最好[20]。
因此，为获得好的线性，就应使硅光电池工作在零偏压状态，目前
好的办法是采用运算放大器作电流一电压变换器，其原理如图3.8所示。
为了分析方便起见，我们忽略了引线电阻R;的影响。
由于运算放大器的开环增益很大（106~107），而输出的线性范围受到电源电压的限制（不超过电源电压）。
因为，运放的同向端和反向端的电位很接近，可以看成同电位，所以认为硅光电池的输出等效是短路的，即RL=0，这样硅光电池工作在零偏压状态，可以使线性范围达到最大限度[21]。
RSH在负载电阻RL等于零的条件下，它上面是几乎不流过电流的。
RSH
这里RSH成了恒压源的内阻。
我们知道，任何运算放大器都存在失调电流、温度偏移和等效噪声电压，设它们的总和为△U1，由此引起的输出漂移为:
为使△U。
小，就要求RF《RSH。
如果RSH越大，则由上式可知输出漂移就越小，仪器的稳定性就越好[22l。
在RSH一定的情况下，采用RF小的电路可使放大器零点漂移小，但这又限制了放大倍数，不利于微弱电流的检测。
所以我们选用运放选用高精度自稳零斩波集成运算放大器ICL765O，它内部含两个放大器:
一个用于放大，另一个专用于补偿漂移。
图3.10所示为硅光电池和运放的等效电路图。
从图中可以看出，硅光电池的负载电阻RL就是运算放大器的输入阻抗ZI，设运放的开环增益为AV，则运放的输入阻抗
为:
由于开环增益AV很大，所以
，即硅光电池负载电阻RL=0相当于硅光电池工作时处于短路状态。
而当硅光电池工作在近短路状态时，输出光电流与输入光照度成线性关系，所以我们采用的前置放大电路具有低漂移、宽线性的特点[23]。
由于噪声和反馈电阻的影响，所以要对电路进行改进，改进后的光电转换前置放大电路如图3.11所示。
这种反馈电路可使探测器对输入的光功率具有高的分辨率和大的测量范围，并能减小电路噪声。
前置放大器的输入端是硅光电池的输出，可视为光强调制的电流源，经高阻抗运算放大器的I/V转换后，给出与光强成正比的电压输出。
因为工作于短路方式，此电路大大降低PN结正向电流（即结电流）带来的影响，并使硅光电池得到最佳的信噪比，被放大的信号只与光强成正比[24]。
由图可知，转换电阻RF越大，I/V转换效率越高，但是RF过大会使放大器产生自激。
运放选用高精度自稳零斩波集成运算放大器ICL7650，是一种高精度、低漂移、高输入阻抗的集成运放，它利用动态较零原理（内含两个放大器:
一个用于放大，另一个专用于补偿漂移）消除了CMOS器件固有的失调和漂移，对微弱信号来讲是个较理想的前置放大器。
电阻R采用了温度系数小的精密电阻，从而保证了电流一电压转换放大电路的稳定性[25]。
改进后的光电检测电路在放大器的输出和检测电路的输出之间加一个RC滤波电路，这样就限制了放大器输出信号的带宽，滤掉经过放大的噪声和放大器本身的噪声。
该电路具有较高的信噪比。
芯片pcb原理图：
由于影响微电流测量灵敏度的首要因素是运放偏置电流，其次是噪声电压和零点漂移要实现微电流测量，运算放大器的输入须满足:
输入阻抗>>反馈电阻;偏置电流<被测电流;失调电压与漂移小;增益与共模抑制比高;噪声小。
JCL7650是采用COMS工艺集成的斩波稳零高精度运放，输入电阻为1012欧姆，偏置电流25℃时为1.5pA，输入失调电压为1uV，失调电压温度系数为0.01uV/℃，共模抑制比为13OdB，所以本系统采用它做为运放。
ATmega16单片机
Atmega16单片机介绍
ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。
由于其先进的指令集以与单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
ATmega16AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。
所有的寄存器都直接与运算逻单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。
这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。
u高性能、低功耗的8位AVR微处理器
l先进的RISC结构
l8路10位ADC，8个单端通道，2个具有可编程增益（1x,10x,或200x）的差分通道
l131条指令
l大多数指令执行时间为单个时钟周期
l32个8位通用工作寄存器
l全静态工作
l工作于16MHz时性能高达16MIPS
l只需两个时钟周期的硬件乘法器
l非易失性程序和数据存储器
l16K字节的系统内可编程Flash，擦写寿命:
10,000次
l具有独立锁定位的可选Boot代码区，通过片上Boot程序实现系统内编程，真正的同时读写操作
l512字节的EEPROM，擦写寿命:
100,000次
l1K字节的片内SRAM等等
芯片引脚图和外围电路：
A/D转换电路
模数转换器（ADC）是现代测控中非常重要的环节，它一般分为串行模数转换器和并行模数转换器。
后者虽然传输速度快，但引脚多、体积大、占用单片机口线多;而串行ADC的传输速率也可以做的很高，并且具有体积小、功耗低、占用单片机口线少等优点。
因此，串行ADC的应用越来越广泛。
在A/D转换器件中，首先要搞清楚关于A/D转换器的指标概念。
转换时间:
A/D转换器完成一次转换所需要的时间为A/D转换时间。
转换时间与A/D转换原理密切相关，双积分ADC转换慢，而逐次比较式ADC比较快。
分辨率:
ADC的分辨率是指使所能分辨的输入模拟量最小值，也就是使输出数字量最LSB（最低有效位）发生由1-〉0或0-〉1变化时输入模拟量最值。
分辨率也用倍数表示，例如10位ADC的分辨率就是10位。
或者说分辨率为为Vox/2^10.
本设计使用的是ATmega16单片机内置的0位ADC，8个单端通道，2个具有可编程增益（1x,10x,或200x）的差分通道的A/D转换器。
LED数码管显示部分
LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。
这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。
当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的
2个8数码管
字样了。
如：
显示一个“2”字，那么应当是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。
LED数码管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。
小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。
发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。
常用LED数码管显示的数字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。
本设计使用动态显示驱动
LED数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。
通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。
在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象与发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。
数码管显示电路：
3.8键盘接口电路
在单片机应用系统中，为了实现人机对话功能，键盘是必须的输入设备之一。
它能随时发出各种控制命令和进行数据输入以与报告应用系统的运行状态与运行结果。
根据键盘的产生式可将键盘分为编码键盘和非编码键盘两种形式，编码键盘是通过一个电路来识别闭合键的键码，非编码键盘是通过软件来识别键码。
编码键盘的成本比较高，因而在单片机应用系统中，一般采用非编码键盘。
本系统针对按键较少而且ATMEGA16单片机仍有足够的I/O口，所以本系统采用的是独立联接式非编码键盘。
键盘实质上是一组按键开关的集合，一般利用单触点瞬间接通式按键，或使用电容、电感式无触点单线通断键，因而对键盘输入的处理包括一下几个方面:
（1）识键:
即判断是否有键闭合，若有，则进一步译键;若无，则等待键入或转而做别的工作。
在非编码键盘的设计中，识键的工作一般由程序完成，通过读入键盘输入口的状态，经过比较分析，以确定是否有键按下。
对于独立式按键来说，采取逐条工/0口线查询的方式实现对按键物理位置的确定。
（2）消抖:
由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接
通，在断开时也不会一下子断开，因而在闭合与断开的瞬间均伴随有一连串的抖动。
抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5-I0ms。
因而当识别到有键闭合或断开后，必须采取措施，消除抖动，防止产生误动作。
消抖的方法一般有采用双稳态电路，滤波电路等硬件措施，也有采用软件延时等软件措施。
本系统采用后者方法消抖。
（3）译键:
在确定有键输入的情况下，还必须判断是哪一个键，并给出相应的键码，以便进一步处理。
这是最简单的键盘形式，每个按键接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态，任何一个键按时，与之相连的输入数据线即被置0，否则就被置1。
本设计为了节省资源只设1个功能键，“保持”键。
当按下“保持”键时，当前测量的照度值被锁定，显示器不会再随着光照的变化而改变显示数值;再按一次，“保持”键解除，显示器适时的显示光照值。
软件编程的实现
在高精度照度计的系统设计中，整体程序分为A/D转换模块、键盘和LED显示模块。
总体软件主框图如图4.1所示。
键盘中断子程序的设计
键盘不仅要用硬件来组成更要用软件来控制才能更好的工作。
键盘中断子程序是为
了判断按键是否有效，按键后延时消除抖动。
如果再次进入检测到按键，则是有效按键。
有效按键中断后，进行按键处理，最后将处理好的键值利用串行口发送至上面处理机转
键处理程序。
结论
本文通过目前照度计的发展现状分析，针对现实的需要，阐述了照度计的设计方法，提出了总的设计思想，完成了高精度照度计的软硬件设计。
本文主要完成了以下工作:
（l）针对系统需要精密测量的要求，对测量系统的硬件进行了细致的研究分析。
对光电传感器进行匹配等，确保了光照信号的准确获取。
设计、调试了放大电路、数据采集电路、led数码管显示和键盘的接口电路，介绍了为提高信号的信噪比和测量精度而采取的各种措施。
设计并调试了简洁紧凑而又功能齐备的微处理器系统和外围接口电路
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