光照度计的设计.docx

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光照度计的设计

课程设计说明书

光照度计的设计

院（系）机械与汽车工程学院

专业机械电子工程

班级08机电1班

学生姓名xxx

指导老师谢宝忠

2011年12月15日

光照度计的设计

一、功能概述

1、光度学中基本量

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）龟，

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:

ΦL=dQv/dS

（2）光亮度（luminanee）Lv，

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:

LL=dIL/dS

光亮度的单位为坎德拉第每平方米（cd/mZ）。

式中的面积，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:

LL=dIL/dScos（θ）

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

IL=DφL/dΩ

故有

LL=d2ΦL/dΩdScos（θ）

该式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，而且还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。

（3）光照度

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:

EL=dΦL/ds

2、光照度计设计思路

光照度计首先需要光电转换步骤，将光的强弱转化为电的强弱，最佳转换关系是线性关系，如果是非线性，需要定标才可。

其次需要前置放大和滤波处理，使弱电信号变为可以适合单片机处理的信号。

最后是单片机处理信号，并将信号发送至不同功能的芯片。

如发送到显示芯片，或接受按键指令，处理信号。

3、提供的功能包括:

a。

即时照度测量

b。

照度数值记录

c。

单位转换

d。

照度平均值计算

e。

照度最大值计算

f。

照度最小是计算

g。

方差计算

4、框图：

二、实现方法

1、光电器件的选择

（1）硅光电池

光电转换采用硅光电池完成。

它不需要外加电源就能直接把光能转换成成电能，而且光电流和照度成线性;它的光谱灵灵敏度与人眼的灵敏度较为接近;它的响应时间短短、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。

故选择硅光电电池作为此系统的光电检测器件。

1）原理

硅光电池是一种利用光光生伏特效应制成的光电转换器件，通过将光信号号转变为电信号来检测待测量。

光电池工作原原理，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极移动而产生电动势，两极接入电路就能产生电流了。

硅光电池是一种直接把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。

硅光电池池响应时间短，光电池转换效率高（目前转换效率高达27.50%的硅光电池已经研制成功）。

若有1m2的这种光电池，在足够的阳光照射下，可可以产生100多瓦的电能。

硅光电池主要有两个方方面的应用，即作为电源和作为光电检测器件的应应用。

硅光电池作为测量元件使用时，应当作作电流源，不宜作电压源。

2）此次设计所选硅光电池池的型号为BPW34

BPW34具有高速高灵敏度的特点，所以本次设计选用了此型号的硅光电电池。

（2）光电转换与信号前置放大模块

一个线性度好、稳定度度高的光电转换与信号放大电路对于整个测试系统统是至关重要的。

它直接影响整个系统的测量精度、灵敏度、稳定性及系统的测试速度等等指标。

由于BPW34具有高灵敏度的特点，所以容易引起高频噪声。

此处采用低低通滤波器，过滤掉部分高频噪声，同时采用运运算放大器，将微弱电信号放大至A/D转换器可可用范围。

第一确保了A/D转换器的转换精度，第二确保了信号不失真。

1）原理

其中R与C构成了低通滤波器

2）参数与芯片选择。

考虑到整个系统采用3.3V电压统一供电，所以运算放大器应选用低电压压型号。

经过挑选选择了LMV321。

该运放的特点是工作电压低（2.7V-5.5V），可适应本产品的需求。

输出的电压信号连入单单片机的A/D转换电路，而C8051F310的A/D转换输入电压最大值为VREF也就是3.3V，而硅光电电池产生的电流在0-1mA之间，所以R=30K为宜。

所选截断频率为200Hz，故C=30u为宜。

上图为5-PinSC70封的LMV321芯片。

其中1接硅光电池负极，2接地，3接硅光电池正极，同时接地，5接3.3V供电电压，4接单片机A/D转换。

并在1与4之间并联电阻与电容。

（3）单片机芯片（C8051F310）

单片机可谓本系统的核心，其关联了输入信号，与控制信号，并产生输出信号。

系统的按键控制功能，运算功能，输出显示功能都与其有关。

并且由于C8051F310单片机自带A/D转换器功能。

（4）按键电路与屏显电路设计

1）介绍

ZLG7290是一种I2C接口键盘及LED驱动管理器件，提供数据译码和循环、移位、段寻址等控制。

它可采样64个按键或传感器，单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。

ZLG7290的从地址为70H，器件内部通过I2C总线访问的寄存器地址范围为00H~17H，任一寄存器都可按字节直接读写，并支持自动增址功能和地址翻转功能。

使用ZLG7290驱动数码管显示有两种方法，第一种方法是向命令缓冲区（07H-08H）写入复合指令，向07H写入命令并选通相应的数码管，向08H写入所要显示的数据，这种方法每次只能写入一个字节的数据，多字节数据的输出可在程序中用循环写入的方法实现；第二种方法是向显示缓存寄存器（10H~17H）写入所要显示的数据的段码，段码的编码规则为从高位到低位为abcdefgdp，这种方法每次可写入1~8个字节数据。

ZLG7290读普通键的入口地址和读功能键的入口地址不同，读普通按键的地址为01H，读功能键的地址为03H。

读普通键返回按键的编号，读功能键返回的不是按键编号，需要程序对返回值进行翻译，转换成功能键的编号。

上图为ZLG7290的引脚图，下表为各个引脚功能。

2）原理

3）参数选择与电路图

由上图的设计思路，并参考官方文档的设计方法，设计了如下的电电路图:

按键部分设计

LED驱动电路

外部晶振与通信接口

2、信号预处理、调理及显示与执行

单片机内部设置当前照照度计所处状态，根据不同状态向显示电路发送不同信息。

发送的信息包括显示内容和状态两两部分，其中显示内容直接在LED屏上显示，状态也在LED屏上显示。

状态转换通过按键触发，，状态包括:

a.当前单位显示的状态。

b.当前显示的内容。

c.浏览状态，浏览照度历史记录，此时可以通过按键向左或向右查

看历历史照度记录。

一共设计了7个按键，其中第一个用于单位转换选择，在任何b，c状态下都可以使用。

b状态和c状态只能处于一个个，所以由第二个按键切换处于显示状态还是浏览状态。

当处于b状态时，第三个按键可以在最最大值，最小值，平均值，方差，即时这5个显示内容中切换;当处于c状态时，第三个按键是是向左翻页，即查看上一个记录的值，而第四个按按键是向右翻页，即查看下一个记录的照度值。

第五个按键是capture，记录键。

在任何状态时时均可记录。

第六个按键是auto，如果开启，则每个1秒自动记录一个照度值。

内存一共分配了256个个槽，可以存储历史记录256个，这256个记录为从早到晚，如果溢出则删除早的，保留晚的。

。

也就是一个循环队列。

手动capture的与自动capture的视为一种数据。

3、信号流图

4、流程图

（1）硬件模块流程

（2）软件程序流图

三、结论

按照上述设计思路，将产品分层设计，底层用于计算处理，上层用于用户响应，应该可以满足产品设计需求。

并具有功能扩展的特性。

硬件产品的设计比软件产品的设计要复杂许多，原因不是

思路复杂，而是要考虑的问题多很多。

总结一下，主要有几个方方面使得硬件设计变得比较复杂。

a.芯片型号丰富，选择困难

b.与实际连接紧密，影响设计的因素较多。

不仅有芯片的功能，还要考虑形状因素，

以及焊接技术等问题。

c.单片机程序开发起来比计算机软件程序要复杂一些，开发工具也少少的多。

d.成本较高，没有机会实际学习体会。