數(shù)字式光照度計(jì)的設(shè)計(jì)與制作

朱鑫鑫 臺(tái)州學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院 劉楓 臺(tái)州市三甲中學(xué) 周強(qiáng) 臺(tái)州學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院

1 引言

照度系統(tǒng)的工作原理是通過光電傳感器采集光信號，將光信號轉(zhuǎn)換成微弱的光電流，并通過前置放大電路將光電流轉(zhuǎn)換成光電壓。信號處理電路的主要功能是將傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為AD 轉(zhuǎn)換電路可以識(shí)別的電壓信號。再由模數(shù)轉(zhuǎn)換獲得光信號數(shù)據(jù)，通過編程轉(zhuǎn)換計(jì)算將獲得的數(shù)據(jù)用屏幕顯示，獲得具體的照度值。

2 光照度計(jì)的理論基礎(chǔ)

1.典型發(fā)光體照明下的照度計(jì)算

(1）朗伯發(fā)光照度計(jì)算

圖2-1 朗伯發(fā)光示意圖

如果輻亮度并不隨輻亮度方向與輻射光線的平面法線之間的交角變化，那么這類輻射體就稱為朗伯體(朗伯面)。

如圖1，有朗伯發(fā)光面，其亮度為Lv，則有：

（2）點(diǎn)光源的照度計(jì)算

由于有些光源尺寸小，而且距離受照物體又很遠(yuǎn)的時(shí)候，為了更加方便計(jì)算，這時(shí)我們可以將光源作為一個(gè)點(diǎn)來看，以點(diǎn)光源的特性來進(jìn)行處理，可以方便照度值的計(jì)算。

圖2-2 點(diǎn)光源照度示意圖

在 圖2-2 中，I 是 指 點(diǎn) 光 源 的 發(fā) 光 強(qiáng) 度，l 為 距 離，此 時(shí)，并且。則：

通常都是以是否成立平方反比定律這樣的推測思想來判定點(diǎn)光源，并且一般距離都是為光源限度15 倍即可。

3 照度計(jì)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)框圖

光電檢測器是基本物理指示器和電子產(chǎn)品之間的橋梁。基于單片機(jī)的光照度計(jì)測量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的原理框圖如圖3-1 所示：

圖3-1 照度計(jì)系統(tǒng)框圖

3.2 硬件主要模塊介紹

3.2.1 處理單元

本文采用控制器為STC89C52的單片機(jī)，STC89C52是一種低功耗，高性能的CMOS位微控制器。復(fù)位電路根據(jù)功能分兩種：一種是電源復(fù)位；另一種方法使用按鍵開關(guān)，作用是在系統(tǒng)接通電源之后，能通過按鍵來控制電源電平轉(zhuǎn)換，從而對單片機(jī)的復(fù)位進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)使用了第二種方法，其電路圖如圖3-1 所示：

圖3-2 STC89C52 最小系統(tǒng)

3.2.2 顯示部分

液晶顯示模塊具有體積小、顯示內(nèi)容豐富、功耗低、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)中顯示部分采用的是工業(yè)字符型液晶LCD1602，能夠同時(shí)顯示16x02，指的是16 列2 行，共顯示32 個(gè)字符。如圖3-3 所示是LCD1602電路的顯示部分。

圖3-3 LCD1602 電路顯示部分

3.2.3 光電傳感器部分

BH1750 光傳感器是一種數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路，使用I2C總線接口，同時(shí)也是一種更精良而且更加容易使用的簡易電阻器的版本，內(nèi)置16 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能直接輸出一個(gè)數(shù)字信號。

4 設(shè)計(jì)

4.1 程序流程圖

圖4-1 主程序流程圖

5 測試與調(diào)試

在用照度計(jì)測量光照度時(shí)，調(diào)試的過程中所用的光功率計(jì)需要嚴(yán)格的和照度計(jì)一起使用。在該設(shè)計(jì)硬件調(diào)試中使用的是實(shí)物電路板和可調(diào)光臺(tái)燈，JW3208 光功率計(jì)。同時(shí)需要制作一個(gè)簡單的模型來聚光，找一塊不透光的紙板，在中間剪個(gè)圓形的孔，如圖5-1 所示。在實(shí)物調(diào)試時(shí)將可調(diào)光臺(tái)燈對準(zhǔn)圓。

5.2.1 測試數(shù)據(jù)

為減少實(shí)驗(yàn)誤差，照度計(jì)和光功率計(jì)都是距離紙板都是10cm，將數(shù)據(jù)記錄如表5.1 所示：

表5.1 光照度計(jì)與光功率計(jì)的測試數(shù)據(jù)

5.2.2 小結(jié)

由表5.1 的數(shù)據(jù)中可以看出光照度與光功率計(jì)測得的線性指標(biāo)相比較，同時(shí)呈指數(shù)趨勢逐漸往上升，等到第12 組數(shù)據(jù)時(shí)又逐漸平緩的上升，證明了光功率與光照度之間有著明顯的線性關(guān)系。并且根據(jù)式與式的關(guān)系來看，當(dāng)物體受光照面積一定時(shí)，所受光照的立交角不變時(shí)，光照度與光強(qiáng)度都是隨著光通量的增大而增大，變化趨勢是一樣的。同理，光功率與光照度之間的關(guān)系也是與光強(qiáng)度有一定的聯(lián)系，兩者皆是隨著光強(qiáng)度的增大而增大，所以光照度與光功率有著同樣的變化趨勢，在折線圖中就可以看出兩者的變化趨勢是一樣的。