光照度计设计仿真与制作.docx
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光照度计设计仿真与制作
西安邮电学院
生产实习报告书
系部名称
：
电子工程学院
学生姓名
：
李晓辉（16）
专业名称
：
电子科学与技术
班级
：
科技0903
时间
：
2013年3月11日至2013年3月22日
二、自制简易数字照度计
摘要：
利用硅光电池将接收到的光信号转换成电信号，然后利用A／D转换器
ICL7107将输入的模拟电压信号转化成数字信号，再通过LED共阳极数码
管将该输出值直接显示，由此构成数字照度计。
该照度计制作简单，读
数方便，费用少。
关键词：
照度计；硅光电池；共阳极数码管。
Self-madesimpledigitalilluminationmeter
Abstract：
Siliconpvchangestheopticalsignalintotheelectronic
signal．Theanalogyvoltageischangedtodigitalonebythe
A／D（analogtodigital）converterICL7107．Thesignalis
displayedbytheLEDcommonpositivepoledigitaltube．So
digitalilluminationmeterismadeofthem．
Keywords：
illuminancemeter；siliconpv；commonpositivepoledigital
tube.
随着数字技术的发展以及模拟技术缺陷的日益明显，数字仪器取代模拟仪器已成为电子仪器的发展趋势。
在工农业生产中，光照度是衡量生产环境的一
个重要指标。
例如，在农业生产上，使用照度计测量太阳辐射的光照度，可以直接反映作物生长与光照度的关系，准确把握光照强度和光照时间是保障作物增产
增收的关键。
但是市场上常用的照度计，动辄几千元，对于非高精度要求的用户而言费用的确过高。
本文设计的简易照度计，仅利用硅光电池、ICL7107和LED
共阳极数码管等少量元器件，花费不过十几元，但读数迅速、方便，制作简单，原理易懂。
l设计
照度是受光照平面上接受的光通量的面密度。
数字照度计是用于测量被照面上的光照度的仪器，是光学测量中用得最多的仪器之一。
本设计的照度计由光度头和读数显示器两部分组成。
1.1照度计器件清单
名称
型号
数量（个）
硅光电池
1
A/D芯片
ICL7107
1
运放
LF411cn
1
电阻
24kΩ
1
120kΩ
1
330Ω
1
1MΩ
1
470KΩ
1
可变电阻器
500KΩ
1
100KΩ
1
200KΩ
1
电容
100PF
1
CBB电容
0.01uF
1
0.1Uf
1
1uF
1
0.047uF
1
0.22uF
1
共阳极的数码管
4
1.2光度头的设计
光度头又称光探头，主要是接受光信号，然后通过硅光电池把它转化成电信号，再通过分压电路转化成A／D转化器可接受的信号。
光度头由硅光电池、电阻
和滑动变阻器组成，如图l所示。
其中R1、R2，R3、R4为换档及反馈电阻，R5为可调电阻，OP为运算放大器。
可调电阻R5外接数字电压表。
1.3显示器的设计
显示器把模拟信号转化成数字信号，并通过数码管显示出相应的照度值。
主要由A／D转化器7107、共阳极数码管构成，如图2所示。
其中：
C3和R4构成输入端阻容滤波电路，R1和RP1，构成分压电路，R5和C5分别是积分电阻和积分电容，C2和C4分别为基准电容和自动调零电容，R2和C1分别为振荡电阻和电容。
图2显示器电路
1.4总体电路图的设计
根据图1电路图和图2电路图设计出整体的电路图，如图3所示：
图3数字照度表整体电路图
1.5实验所用仪表及器材
硅光电池一个，电阻八个，电容五个，导线若干，面包板一个，A/D转换器ICL7107一个，共阳极数码管四个，可变电阻两个，运算放大器LF411一个，万用表一个，电源一个。
图4是A/D转换器ICL7107的管脚图：
图4ICL7107管脚图
2工作原理
该数字照度计利用硅光电池将接收到的光信号转换成电信号，再通过7／2双积分型A／D转换器ICL7107对输入的模拟电压、参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变成与之成正比的时间间隔，然后再利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字型输出，最后由LED共阳极数码管将该输出直接显示。
2．1硅光电池光电信号接收端的工作原理
图5是光电池的工作原理框图，光电池把接收到的光信号转变为与之成正比的电流信号，再经I／V转换模块把光电流信号转换成与之成正比的电压信号。
当发送的光信号被正弦信号调制时，则光电池输出电压信号中将包含正弦信号，据此可通过示波器测定光电池的频率响应特性。
图5光电池光信号接收框图
2．2双积分型A／D转换器ICL7107的工作原理
ICL7107的原理框图如图6所示，它包括积分器、比较器、计数器、控制逻辑和时钟信号源。
图6双积分型A/D转换器原理结构
积分器是A／D转换器的心脏，在一个测量周期内，积分器先后对输入信号电压和基准电压进行两次积分。
比较器将积分器的输出信号与零电平进行比较，比较的结果作为数字电路的控制信号。
时钟信号源的周期TC作为测量时间间隔的标准时间。
它是由内部的两个反向器以及外部的R、C组成的。
其振荡周期Tc=2．2RC。
计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行计数。
控制逻辑包括分频器、译码器、相位驱动器、控制器和锁存器。
分频器用来对时钟脉冲逐渐分频，得到所需的计数脉冲fC和共阳极LED数码管公共电极所需的方波信号fc。
译码器为BCD-7段译码器，将计数器的BCD码译成LED数码管七段笔画组成数字的相应编码。
驱动器是将译码器输出的对应于共阳极数码管七段笔画的逻辑电平变成驱动相应笔画的方渡。
控制器的作用有：
一是识别积分器的工作状态适时发出控制信号，使各模拟开关接通或断开，A／D转换器能循环进行；二是识别输入电压极性，控制LED数码管的负号显示；三是当输入电压超量限时发出溢出信号，使千位显示“l”，其余码全部熄灭。
锁存器用来存放A／D转换的结果，锁存器的输出经译码器译码后驱动LED。
它的每个测量周期包括自动调零（AZ）、信号积分（1NT）和反向积分（DE）3个阶段。
第一阶段：
自动调零阶段。
转换开始前（转换控制信号VL=o），先将计时器清零，并接通开关S2，使积分电容C完全放电。
第二阶段：
信号积分。
令开关S1合到输入信号VIN一侧，积分器对VIN进行固定时间T1的积分，积分结果为
上式说明，在T1固定条件下V。
与VIN成正比。
第三阶段：
反向积分。
令开关S1转至参考电压VREF一侧，积分器反向积分。
如果积分器的输出电压上升至零时，所经过的积分时间为T2，则可得
故有
可见，反向积分到V。
=0的这段时间T2与VIN成正比。
时钟脉冲的周期为TC，计数器在T2时间内计数值为N，T2=NTc，则有
分析可知：
T1、Tc、VREF均固定不变，计数值N仅与VIN成正比，实现了模拟量到数字量的转变。
下面介绍A／D转化过程的时间分配。
假设时钟脉冲频率为40kHz，每个周期为4000Tc，如图7所示，每个测量周期中3个阶段工作自动循环。
图7双积分型A/D转换器的电压波形图
各阶段时间分配如下：
信号积分时间T1用1000Tc；信号反向积分时间T2用O～2000Tc，这段时间的长短是由VIN的大小决定；自动调零时间To用l000-3000Tc。
从上面的分析可知，T1是固定不变的，T2随VIN的大小而改变。
选基准电压VREF=100．0mV，由式（3），得：
VIN=0．1N（mV）。
满量程时N=2000，同样由上式可导出满量程时VIN与基准电压的关系为VIN=2VREF。
为了提高仪表的抗干扰能力，通常选定的采样时间T1为工频周期的整数倍。
我国采用50Hz交流电网，其周期为20ms，应选Tl=n*20ms，n=1，2，3.....，n越大，对串模干扰的抑制能力越强，但n越大，A／D转换的时间越长。
因此，一般取T1=100ms。
由Tc=2．2RC可知，当振荡周期T0为定值时，阻容元件的选取并不唯一，只要满足要求即可。
3调试测试
3．1光度头的调试
通过调节图1中的R5的输出端的470k滑动变阻器，使输出信号的大小发生改变，当输出电压小于2．0V时，可以适应ICL7107的量程为2．0V的工作特性，因此调节R5确保在高度时不超过2．0V。
3．2数字电压表的调试
（1）按下图2中的按钮S，所有的LED数码管都亮，显示全部字段为“1888”（小数点不亮）。
为避免影响LED数码管的寿命，按下时间不要超过1min
（2）短接VREF端与IN+端，LED数码管显示“000”。
（3）短接VREF端与VIN端，即VIN=100．0mV，LED数码管显示“100．0”（基准电压为100mV）。
（4）短接IN+端接V-端，使VIN远低于-200mV，仪表应显示“-1”。
3．3照度计的定标
自制照度计定标所需的仪器：
标准照度计、亮度可调的白炽灯、密封不透光的盒子各一个。
定标步骤如下：
（1）把自制照度计的光度头和标准照度计的光度头放在一起，同置于亮度可调的白炽灯下，并把灯头和两个光度头一起置于密封的大盒子里。
两个仪表的读
数器和亮度可调的白炽灯的调节旋钮置于盒子外面。
（2）调节白炽灯亮度旋钮，使亮度由小到大逐渐变化，并记录两个光度头的示数（多组）。
（3）根据测得的数据作图，如图8所示（图中E1为标准照度计读数）。
看是否为一条直线，若不是直线需检查自制照度计，若是直线则进行下一步。
图8定标曲线
（4）由记录的数据计算出直线的斜率，并调节滑动变阻器使斜率为1，则定标完毕。
4实验数据记录
4.1测得数据如表一所示
次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
照度计读数E1/mv
18.8
24.1
51.3
62.7
68.2
69.4
75.6
83.4
84.7
万用表读数E2/mv
13.9
20.5
47.1
57.8
65.2
66.0
72.8
79.4
81.8
表一数据记录
4.2根据数据作图
图9定标曲线
由实验数据可得：
是一条直线，且直线的斜率为1,常数3.8.
及方程为E2=E1+3.8
参考文献（References）：
[1]阎石．数字电路技术基础[M]．北京：
高等教育出版社，1998．
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高等教育出版社，2000．
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[4]朱俊孔，张山彪。
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山东大学出版社，2001．
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电子工业出版社，2001．
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电子工业出版社，1999．
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[8]梁廷贵．积分式A／D转换器其他专用集成电路[M]．北京：
科学技术出版社，
2002.
西安邮电大学电子工程学院（系）
生产实习过程考核表
学生姓名
李晓辉
班级/学号
科技0903/05092085
第一周
第二周
第三周
第四周
实习内容
光照度计的线路搭建
光照度计的测试和改进，以及指导老师的验收
实习时间
2013.3.11-3.15
2013.3.18-3.22
实习地点
3#240
3#240
指导老师
余娟
余娟
实习成绩
总评实习成绩
指导教师姓名
余娟
职务或职称
工程师
指导教师
对学生的评价
实习态度
□认真□一般□不认真
实习纪律
□全勤□偶尔缺勤□经常缺勤
实践能力
□很强□一般□较差
指导教师对学生专业知识与社会实践能力相结合情况的建议
指导教师签字
年月日
西安邮电大学电子工程学院生产实习考核表
学生姓名
李晓辉
专业班级/学号
科技0903/05092085
进行时间
2013.3.11-2013.3.22
考核内容
实习内容（10分）
与专业结合程度
实习态度和纪律（20分）
认真、勤奋、刻苦程度（5分）
保证实习时间,服从实习安排（5分）
遵守实习单位的规章制度情况（5分）
尊敬指导教师及实习单位人员（5分）
实践能力（40分）
动手能力（10分）
创新能力（10分）
分析、解决实际问题能力（10分）
协作与组织管理能力（10分）
实习报告（30分）
语言及文字表达力（10分）
报告结构（10分）
书写规范（10分）
指导教
师姓名
余娟
职称
工程师
实习成绩
升级会员 