简易测试光功率计

光检测大作业——简易照度计的制作
一、作品介绍
照度计，或称勒克斯计，是一种专门测量光度、亮度的仪器仪表。

测量光照的强度（照度）是物体被照明的程度，也即物体表面所得到的光通量与被照面积之比。

照度计通常是由硒光电池或硅光电池和微安表组成。

我们制作的简易照度计主要使用光电池接收光信号，再通过放大电路，经过AD 转化，最后在LED 数码管上显示光强值。

商业中的照度计，中间采用了一块比较弱的单片机
作为处理器。

虽然功能单一，但体积更小，更加方便。

在本次实验中，我们采用80C51单片机，以及已经集成
的整套实验装置，体积较大。

但作为前期开发，以实现
功能为主要目标，在细化的工作中，可以考虑减小体积
的方案。

二、制作原理
简易照度计原理流程图如图1所示：
图1 1、光信号接收与放大模块
光电池用于接收光信号并将光信号转换为电信号，光电池是利用障层或阻挡层在光辐射作用下产生光伏效应所制成的光电器件，而其工作原理在此不做具体详述。

而此时电信号比较微弱，即所对应的电压值较小，然后通过前置放大电路将信号进行放大以便于感应测量，所用的前置放大电路，如图2所示。

这里要注意的是光电池的安装方向，正负接反会达不到应有的结果。

光信
号
较弱的电信号 电信号放大 结果显
示
光电池 微机系统
前置放大电路
图2
图中GD1为所用的光电池，而放大电路运用负反馈接法，反馈电阻R1阻值为50MΩ，而经过计算与实际测量，光信号通过光电池GD1转换成电信号后，其所对应的电压V0与放大电路输出的电压V1的比值为V0：V1≈1：10。

而在前置放大电路中，若采取一些措施，例如将反馈电阻R1由固定的阻值改为阻值可调的可变电阻器，那么放大电路的信号放大倍数也将变为可调，那么配合后阶段的微机系统的转换，最终照度计的量程也将变为可调，不过我们由于时间较为有限，在这里只是作为一种优化方案提出这一构想。

2、照度计读数显示模块：
通过前置放大电路的电压，经ADC转换与单片机处理，最后实现光强信号在LED上的读数显示。

ADC转换采用C8051F020芯片，只需采用单片机集成板上的ADC转换模块（该板借自微机原理课实验指导老师，免去自我焊接）和keil C51连接器，通过ADC程序控制，即可完成照度计的示数显示。

详述如下：
（1）C8051F020单片机
80C51是8位单片机的典型，Cygnal公司的C8051F系列将51单片机从MCU 推向SOC时代。

F020即是其中的代表，它采用流水线结构，指令执行速度大大提高；I/O从固定方式到交叉开关配置，采用开关网络使I/O端口的配置方便。

其主要模块包括：CIP-51内核、存储器、可编程数字I/O和交叉开关，可编程计数器阵列，串行端口，模数转换器，数模转换器，比较器等。

可方便集成各种外设，实现多种用途。

本次实验我们使用的即是其中的模数转换部分与外接LED显示模块的综合功能。

（2）ADC模块
C8051F020由一个片内8位SAR ADC，一个8通道多路选择器，和一个可编程增益放大器组成ADC模块。

如图3所示：该ADC工作在500ksps的最大采样速率时可提供真正的8位精度，INL为±1LSB，有8个用于测量的输入端。

可编程增益放大器接在模拟多路选择器之后。

当不同ADC输入通道之间输入的
电压信号范围差距较大或需要局部放大一个具有较大直流偏移的信号时（在差分方式）这个放大环节是非常有用的。

PGA增益可以用软件设置为0.5、1、2或4。

图3
A/D转换有4种启动方式：软件命令、定时器2溢出、定时器3溢出和外部信号输入。

这种灵活性允许用软件事件、外部硬件信号或周期性的定时器溢出信号触发转换。

本实验采用定时器3溢出触发方式。

转换结束后由状态位指示或产生中断，8位数据即被锁存到一个特殊寄存器中，再通过输入到LED模块显示相应的采集值。

我们将特殊寄存器中的数字简单转换为照度值显示在LED中。

三、实验软硬件设计
本实验基本采用了微机高级课老师所提供的ADC程序，省去了大量初始化配置及编程设计时间（如图4）。

图4
采用keil2软件运行该“ADC.C”程序，进行外部连接设置后编译即可在集成单片机板上运行。

在此基础上我们根据本实验需要对程序进行了一些改动，主要包括：
由于LED显示跳变较厉害，我们把显示改为15次扫描后显示一次，显示为15次扫描的平均值。

另外，直接的电压值转化后显示的不是照度值，我们将其数值按照现有照度计的测量值进行了定标与函数对应，从而能够准确显示照度值。

硬件连接上，我们采用ADC0.0口与AGND（管口如图5所示）作为电压信号输入，集成板上ADC与LED模块相连，示数自动显示在LED上。

图5
四、实际使用及结果对照
1、当弱光时（环境光，未打开台灯），实验连线及结果如图6所示：
图6
上图左上角（小方片）为本组实验所采用的探
测器（光电池），而带白点的圆柱为标准照度计的探
测器）。

我们看到设计照度计与标准照度计的示数分别
为36 lx和26.5 lx。

当然如果老师看视频的话，会看
到更加理想的效果。

2、强光时（打开台灯），实验连线及结果如图7所示：
图7
设计照度计与标准照度计显示结果分别为585 lx和514 lx。

3、误差分析：
考虑到我们未经过精确的ADC转换值到照度值的计算；由于环境等干扰造成的照度计显示不稳定性；电路可能存在未检测到的问题造成的设计照度计显示不稳定；两照度计探测器位置及范围、精度的区别。

该结果体现了设计照度计对光强变化趋势的准确探测，探测结果与标准照度计所测值相比误差可以接受。

五、优化方案：
（1）前置放大级的优化包括两方面：首先，我们可以对放大芯片进行优化，比如为它提供一个稳压源，使其工作在稳定的电压环境，以及更换一片更好的运放，如AD620；再者，我们可以对它的放大倍率进行调节，如更换图中50M电阻为电位器，于是就可以通过旋钮来调整输出动态范围，以与ADC进行完美耦合。

（2）实验采用的ADC转换显示模块直接在单片机集成板上实现，ADC模块只是集成板上一部分，可以单独实现在一块电路板上。

比如若选择芯片AD7671，该芯片是采样速率达1MSPS的16位逐次逼近型高速高精度数模转换器，无失码，最大积分非线性误差（INT）仅为±2.5LSB。

相对于单片机，精度更高，结构更简单，缩小了照度计体积。

并且，与输出电压信号线不采用插线连接，而是采用直接焊接的连接方式，可以减小误差，也有利于电路稳定。

另一方面，运用单片机，可以巩固我们学过的知识，并且器材使用相对方便，我们精度要求也不是非常严格，就没有使用芯片进行数模转换。

（3）使用LED显示可以减少耗电，并且亮度更高，成本较低。

为了使显示更加精度，可以进一步缩小扫描周期；为了进一步提高准确性，可以采取多次扫描然后取平均值的方法。

（4）尽可能避免环境光的干扰，可以换用接收面积更小的光电池作为探测器，面积过大可能由于局部面上光强大小不同，周围的光强会影响中心光强的测量，将光电池面积减小就可以在一定程度上排除周围光的干扰。

（5）若需要进行精确的校准，需要在实验室中进行。

将光电池部分与照度计一同放入试验黑箱中，并保持位置距离光源相同。

测量记录在不同光照强度下，标准照度计与我们做的建议照度计的度数，然后在电脑中进行曲线分析，尽量用线性或分段函数进行耦合。

如果没有理想的耦合曲线，则可以考虑用点对点的查表法，中间用线性函数处理，但这样工作量大，不是很推荐。

六、小组分工
电路设计、资料收集施飞韬林宏泽
硬件材料收集、焊接连接组装林宏泽方骏
单片机软件部分董泳江施飞韬
报告书写董泳江方骏
视频制作林宏泽
方骏3080102806
施飞韬3080102735
林宏泽3080102585
董泳江3080104404。