一種虛擬光照強度測試儀系統(tǒng)設計

田安紅， 付承彪

(曲靖師范學院 信息工程學院, 云南 曲靖 655011)

一種虛擬光照強度測試儀系統(tǒng)設計

田安紅， 付承彪

(曲靖師范學院 信息工程學院, 云南 曲靖 655011)

在傳感器課程實踐教學中引入Proteus虛擬仿真軟件輔助實驗教學,設計了一種光照強度測試儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于光敏電阻在不同光照射下具有不同阻值的特性,通過采集光信號、A/D轉換、單片機處理,最終用數(shù)碼管顯示光照強度。為解決硫化鎘光敏電阻的非線性特性問題,將光敏電阻特性曲線劃分為光照較弱、光照適中和光照較強等3組小線段,而將小線段近似看作線性曲線以減少誤差。將曲線劃分為5組誤差會更小。

光照強度測試儀； 虛擬仿真； 實踐教學

傳感器技術課程是曲靖師范學院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的主干課程,該課程注重實踐操作。在傳統(tǒng)實驗課程中,學生使用實驗箱直觀感受傳感器的演示效果。由于傳感器電路被封裝在實驗箱內,學生不易深入理解傳感器的工作原理。因此,在實踐教學中引入虛擬仿真實驗,使學生可以在Proteus中搭建硬件電路,熟悉各種硬件電路的配置,在Keil uVision環(huán)境中編寫C語言代碼,把編譯調試通過的.HEX文件導入Proteus中的單片機中觀察運行效果[1-5]。這種實踐教學方式不僅能夠讓學生了解傳感器電路的結構[6-9],而且也能鍛煉學生編寫代碼的能力。與傳統(tǒng)實驗箱教學工作比較,虛擬仿真實驗更易于幫助學生理解和掌握課程內容。

筆者設計了一個虛擬光照強度測試儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)采集光敏電阻的電信號,然后利用ADC0831進行A/D轉換,最后通過單片機處理數(shù)據(jù)，得到光照強度數(shù)值并顯示在數(shù)碼管上。由于硫化鎘光敏電阻的非線性特性,導致電壓與光照強度是非線性關系，可以將光敏電阻特性曲線分成很多小的線段,將小線段近似看作線性的并用線性公式計算。分別將光照劃分為較弱、適中和較強3組和弱、較弱、適中、強、較強5組，并進行了對比分析,仿真效果較好。光照強度測試儀系統(tǒng)能夠借鑒用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中[10-15]。

1 設計方案

1.1 系統(tǒng)結構

虛擬光照強度測試儀系統(tǒng)利用光敏電阻感應光照強度。光敏電阻是光敏感元件，在不同的光照強度E下,光敏電阻的阻值會發(fā)生變化,從而將光信號轉換為電信號,再通過A/D轉換模塊得到信號電壓UR。通過C語言編程,單片機能夠根據(jù)電壓與光照強度的換算關系計算出光照強度值,并通過數(shù)碼管顯示出來。

1.2 硬件設計

光照強度測試儀的硬件設計原理如圖1所示。硬件主要包括單片機AT89C51、A/D轉換器ADC0831、硫化鎘光敏電阻和共陰極數(shù)碼管。系統(tǒng)分為光傳感器電路、模數(shù)轉換電路、控制顯示電路3部分。

圖1 系統(tǒng)原理圖

1.3 軟件設計

光照強度測試儀的軟件設計流程如圖2所示。首先,系統(tǒng)啟動后,進行初始化操作,并采集光敏電阻的電信號。然后,啟動ADC0831進行A/D轉換,單片機讀取A/D轉換的數(shù)據(jù),并處理、分析、判斷數(shù)據(jù),依據(jù)公式計算,得出對應的光照強度值。最后,把光照強度值送到數(shù)碼管顯示出來。

圖2 系統(tǒng)流程圖

2 系統(tǒng)設計

2.1 電路分析

如圖2所示,系統(tǒng)設計分為光傳感器電路、模數(shù)轉換電路、控制顯示電路3部分。

(1) 光傳感器電路。光傳感器電路主要由兩部分構成,即光敏電阻和分壓電阻。因為光敏電阻的阻值隨著光照強度的變化而改變,使得光敏電阻的分壓不同,通過測量和畫圖的方式,可以得出電壓值與光照強度的關系,進一步依據(jù)關系圖分析數(shù)據(jù),求出曲線表達式。

(2) A/D轉換電路。A/D轉換電路由一個ADC0831芯片構成,讀取光敏電阻的電壓,進行A/D轉換后,交給AT89C51單片機進行控制顯示。

(3) 控制顯示電路。控制顯示電路主要由一個AT89C51單片機芯片和一個共陰極4位數(shù)碼管組成。通過在51單片機中編寫程序來控制數(shù)碼管的正確顯示。

2.2 電路數(shù)據(jù)處理

硫化鎘光敏電阻具有靈敏度高、體積小、耐振動等優(yōu)點,但是其電阻特性是非線性的,經(jīng)過分壓后的輸出電壓也會呈現(xiàn)出非線性特性，如圖3所示。由于曲線的變化是非線性的，因此需要對其進行分段調整。調整的方法是將該曲線分成很多小的線段，而這些小的線段可以近似看成是線性的，可以計算得出補償規(guī)律。但是，因為每個小線段的變化規(guī)律不同(見圖4)，所以補償?shù)姆椒ㄒ膊煌?/p>

圖3 光敏電阻特性曲線

根據(jù)光敏電阻的輸出電壓,可以將曲線分成下列區(qū)間,分別進行補償。

圖4 不同光照強度光敏電阻特性曲線

[0.14,0.17]：D*(-3846.1538)÷10+15692.308

[0.17,0.25]：D*(-4848.4211)÷10+17736.253

[0.25,0.33]：(D*(-2166.6667)+111500)÷10

[0.33,0.39]：(D*(-1000)+74000)÷10

[0.39,0.50]：(D*(-727.2727)+62000)÷10

[0.50,0.66]：(D*(-454.5455)+47000)÷10

[0.66,0.91]：(D*(-235.2941)+32294.12)÷10

[0.91,1.37]：(D*(-100)+19700)÷10

[1.37,2.22]：(D*(-41.1765)+11641.18)÷10

[2.22,2.63]：(D*(-19.512)+6831.66)÷10

[2.63,3.00]：(D*(-12.5)+4950)÷10

[3.00,3.41]：(D*(-9.375)+3990.63)÷10

[3.41,3.73]：(D*(-8)+3528)÷10

[3.73,4.01]：(D*(-6)+2782)÷10

[4.01,4.38]：(D*(-4.8571)+2319.98)÷10

[4.38,4.61]：(D*(-3.6364)+1782.74)÷10

[4.61,4.94]：(D*(-3.1818)+1576.35)÷10

2.3 誤差分析與解決措施

A/D轉換會產(chǎn)生一定的誤差。從圖4(c)中看出,光照越強,電壓越趨于平穩(wěn),有時在一個很大的光照強度區(qū)間內的電壓值都相同(取小數(shù)點后兩位),繼而數(shù)碼管顯示的光照強度是該區(qū)間的中間值,這造成了一定的誤差。

解決辦法之一是分組盡量細一些,分得越細,誤差就越小。

解決辦法之二是調整電壓的有效數(shù)字的個數(shù),使得獲取的數(shù)據(jù)更加準確,通過計算得出的數(shù)值也更準確。但此法會增加數(shù)據(jù)量,從而影響系統(tǒng)運行速度。

3 仿真結果

在Keil uVision4環(huán)境中,用C語言編寫代碼,導出生成的.HEX文件；在Proteus環(huán)境中按照圖1搭建的系統(tǒng)原理圖,連接好各元器件,并把Keil uVision4環(huán)境中的.HEX文件導入Proteus中的單片機中。

在將光照強度劃分為3組的情況下,設置光照強度為908 lx,運行效果如圖5(a)所示,在數(shù)碼管中顯示光照強度值為915.4 lx。對于存在的誤差,在2.3小節(jié)已分析了產(chǎn)生誤差的原因且與實際相符。圖5(b)是劃分為5組的實驗結果,設置光照強度為915 lx,可以看出誤差很小。

圖5 仿真結果圖

4 結語

通過引入虛擬仿真軟件Proteus輔助傳感器課程的實踐教學,易于讓學生理解傳感器的電路原理,更好地掌握傳感器的知識。針對光敏電阻的非線性特性,給出一種減少測量誤差的方法,即將光照強度-電壓曲線分成很多小的線段,并將小線段近似看作是線性的并用線性表達式進行計算。經(jīng)過實驗驗證,將曲線劃分為5組的仿真效果更好。該光照強度測試儀系統(tǒng)能夠在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理中得到應用和推廣。

References)

[1] 曾宇,宋永端,王弼堃.基于Proteus和Keil軟件的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2012,28(14):177-183.

[2] 劉勝,楊夏.基于Proteus的數(shù)字電路虛擬實驗室[J].電氣電子教學學報,2012,34(3):85-87.

[3] 王娟.Proteus軟件在單片機專題實訓中的應用[J].實驗室研究與探索,2012,31(8):72-74,110.

[4] 楊延寧,劉立軍,張志勇.基于Proteus的單片機漢字點陣顯示電路設計[J].液晶與顯示,2009,24(1):98-102.

[5] 方天紅,張升義.Proteus在“數(shù)字邏輯電路”課程項目驅動教學中的應用[J].實驗室研究與探索,2014,33(4):195-197,285.

[6] 胡中玉,岳強,任杰,等.基于Proteus仿真的電工電子課程教學創(chuàng)新[J].實驗技術與管理,2016,33(4):128-130.

[7] 姚睿,李增武,付大豐,等.基于Proteus的DSP虛擬實驗系統(tǒng)設計與開發(fā)[J].實驗技術與管理,2015,32(3):123-125,136.

[8] 朱清慧,張鳳蕊,翟天蒿,等.Protues教程：電子線路設計、制版與仿真[M].2版.北京:清華大學出版社,2011.

[9] 周靈彬,任開杰.基于Proteus的電路與PCB設計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

[10] 毛立彥,慕小倩,董改改,等.光照強度對曼陀羅和紫花曼陀羅生長發(fā)育的影響[J].植物生態(tài)學報,2012,36(3):243-252.

[11] 孫瑩,石錦安,邵小鵬,等.不同生境條件下光照強度對藍花楹光合色素含量及開花的影響[J].應用與環(huán)境生物學報,2015,21(6):1150-1156.

[12] 王曉冬,唐煥偉,曲彥婷.光照強度對郁金香生長發(fā)育和內源激素含量的影響[J].北方園藝,2012,25(1):84-86.

[13] 高慶玉,蔣明鳳,張丙秀,等.光照處理對樹莓品種費爾杜德花芽分化的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2012,43(10):69-73.

[14] 孟慶寬,張漫,楊耿煌,等.自然光照下基于粒子群算法的農(nóng)業(yè)機械導航路徑識別[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2016,47(6):11-20.

[15] 黃曉慰,陸麗莉,江朝暉.光照不變性研究及在農(nóng)業(yè)領域中的應用[J].農(nóng)機化研究,2011(12):43-46,50.

Design of virtual light intensity tester system

Tian Anhong， Fu Chengbiao

(School of Information Engineering,Qujing Normal College,Qujing 655011,China)

Experiment box has been demonstrated in the traditional practical teaching of Sensor course, which causes the lack of establishing hardware circuit and training code programming for students,Proteus virtual simulation software has been introduced into experiment teaching. This paper designs a virtual light tester system,students can master the hardware components and exercise code programming ability,by establishing hardware circuit in the Proteus environment,and programming in the Keil uVision environment. In view of the different resistance for photosensitive resistance in the different light conditions, the light intensity value can be displayed on the digital tube by the processing of collecting light signal,AD conversion and single-chip microcomputer operation. In addition,due to the nonlinear resistance characteristics of cadmium sulfide photosensitive resistance,the line is divided into three groups,namely the weak light,moderate light and strong light illumination,in order to reduce error,the small segments can be approximately seen as linear curve features,at the same time,the error of five groups is smaller than that of three groups.

light intensity tester; virtual simulation; practical teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.029

2016-10-16

國家自然科學基金項目(31660680)；云南省教育廳自然科學基金項目(2016ZDX127)

田安紅(1984—),女(土家族),貴州安順，碩士，講師，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術和無線定位導航.

E-mail：tianfucb@163.com

TP274

A

1002-4956(2017)4-0115-03