基于Si光电池的照度计设计与调试方案

1 基于 1 技术指标 （ 1） 要求系统测量范围为 0量精度达到 1 （ 2） 设计光电池输出信号处理电路，要求可以控制处理后的电压幅度； （ 3） 设计照度计硬件电路系统，要求系统各个模块能够正常工作； （ 4） 设计照度计软件控制系统，要求系统整体工作稳定； （ 5） 给设计系统定标，要求测量结果误差在 1%以内。 2 设计方案及其比较 当光电池的光敏面收到光照射时， 耗尽区内的光生电子与空穴在内建电场力的作用下分别向 N 区和 P 区运动，在闭合的电路中产生光电流。首先将光电流经过 I/V 变换和电压放大 后形成直流电压信号，其次通过模数转换电路将处理得到的直流电压信号转换为数字电压信号，再通过单片机处理后得到可以反应光照度的数字信号，最后通过 度计的系统框图如图 1 所示。 图 1 照度计系统框图 案一 通过电阻转换的方式进行 I/V 转换，如图 2，之后将电压放大后的直流电压信号通过由 成的 A/D 转换模块得到数字电压信号，然后，通过单片机得到可以反应光照度的数字信号，最后，通过 码管实时显示出来。 2 图 2 电阻转换模块 案二 通过三极管 构建放大电路得到电压信号进行 I/V 转换，如图 3，之后将电压放大后的直流电压信号通过由 成的 A/D 转换模块得到数字电压信号，然后，通过单片机得到可以反应光照度的数字信号，最后，通过 码管实时显示出来。 图 3 三极管转换模式 案三 通过集成运放芯片构建放大电路得到电压信号进行 I/V 转换，如图 4，之后将电压放大后的直流电压信号通过由 成的 A/D 转换模块得到数字电压信号，然后，通过单片机得到可以反应光照度的数字信号，最后，通过 码管实时显示出来。 3 图 4 集成运放转换模式 案比较 三种方案各有优缺点，方案一适合在电流较大的情况下使用，方案二适合在电流变换范围小的情况下使用，方案三适用范围广，但成本会提高很多。由于此次课程设计电路板上已经有运放芯片，故采取方案三。 3 实现方案 件部分 系统的硬件由 I/V 变换模块、光电池前置放大模块、 A/D 转换模块、单片机控制模块以及数码管显示模块组成，如图 5， 真图如图 6 所示。 当光电池的光敏面收到光照射时， 耗尽区内的光生电子与空穴在内建电场力的作用下分别向 N 区和 P 区运动 ，在闭合的电路中产生光电流。因为光电流需要转换为电压信号，才能通过数码管显示，所以需要进行 I/V 变换。但是，所得的电压值过小，不宜测量，故需要电压放大模块将其放大为直流电压信号。其次，数码管显示的是数字信号，所以，需要将放大得到的直流电压信号进过 A/D 转换模块转换为数字电压信号。最后，通过单片机处理后得到可以反应光照度的数字信号，并通过数码管实时显示出来。 图 5 系统电路图 4 图 6 总电路图 1 光电池和电压放大及 I/V 转换模块 本系统选用的硅光电池光谱响应波长一般为 米，峰值响应波长为 米，其特性曲线如图 7 所示。在不同光照下，硅光电池有不同的电信号输出，且二者之间具有单值对应关系，因此，可以通过检测其输出电信号并根据其输出特性关系，得到对应的光照度信息，以达到光照度检测的目的。 图 7 硅光电池光谱响应特性曲线 该模块使用 算放大芯片实现，如图 8 所示，该芯片引脚如图 9 所示，可以实现 I/V 变换，即将光电流信号转换为直流电压信号，并且进行放大。 5 图 8 电压放大及 I/V 转换模块 图 9 脚图 2 A/D 转换模块 该模块由 片实现，如图 10 所示，该芯片引脚如图 11 所示，可以实现 A/直流电压信号转换为数字电压信号。 引脚功能如下： 拟信号输入端； 脚地址端； 源端； 线的数据线、时钟线； 部时钟输入端，内部时钟输出端； 部、外部时钟选择线，使用内部时钟时 地； 拟信号地； D/A 转换输出端； 准电源端； 6 图 10 A/D 转换模块 图 11 脚图 3 单片机控制模块 该模块由 89片实现，如图 12 所示， 89脚图如图 13 所示。该模块通过芯片内部的程序控制驱动 片并采集模数转换后的数字信号，对采集后的数字信号进行处理，控制数码管显示系统检测得到的照度值。 图 12 单片机系统 7 图 13 89脚图 4 数码管显示系统及锁存器 该模块由芯片 74数码管 实现，如图 14， 74脚图如图 15 所示。数码管段选使用 573 锁存器，因为单片机引脚直接驱动功率不太够。 图 14 数码管显示系统及锁存器 8 图 15 74件部分 程序部分代码如下： 1 * * * 普中科技 实 验 名 : 示试验 * 实验说明 : 使用数码管显示 取到电位器的电压值 * 连接方式 : 见连接图 * 注 意 : */ # 9 / #0 22; 23; 24; E=; /读写地址 # /写地址 #0 /读地址 /-/ 7= 00 /0、 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 A、 b、 C、 d、 E、 F 的显示码 =0 ; /用来存放 要显示的 8 位数的值 /-/ ; /动态显示函数 ; ; /* 长延时函数 */ z) 10 x,y; x=z;x0;y=50;y0; /* * 函 数 名 : 函数功能 : 主函数 * 输 入 : 无 * 输 出 : 无 */ n; b1,b,g,s; 0; ) ; if(5) ); 5 = *2; 11 /-/ / ); /发送电位器转换命令 if(150) ; / *2;/将转换结果读走 (+)/10.; /591 每读取到一个 1 就表示 5/256V，所以要知道电压值就乘以 /转为电压值 1000; /保留两位小数 n= / n=n*500./255; / n=123; b1=n/1000; b=n%1000/100; s=n/10%10; g=n%10; ; 1=0); 1=b;0); 1=s;0); 1=g;0); /* * 函 数 名 : 12 * 函数功能 : 写入一个控制命令 * 输 入 : 换通道） * 输 出 : 无 */ ; 1); /发送写器件地址 0); /发送控制寄存器 ; /* * 函 数 名 : 函数功能 : 读取一个转换值 * 输 入 : 无 * 输 出 : */ ; 1);/发送读器件地址 2; /读取数据 ; /结束总线 13 /* * 函 数 名 : 函数功能 : 输出端输出模拟量 * 输 入 : 换的数值） * 输 出 : 无 */ ; 1);/发送写器件地址 1); /开启 到控制寄存器 0); /发送转换数值 ; /* * 函 数 名 : 函数功能 : 使用数码管显示 * 输 入 : 无 * 输 出 : 无 */ 14 i; j; i=0; a=2; a0; /* * 函 数 名 : * 函数功能 : 起始信号：在 钟信号在高电平期间 号产生一个下降沿 * 输 入 : 无 * 输 出 : 无 * 备 注 : 起始之后 为 0 16 */ 2 1; ; 1; ;/建立时间是 持时间 2 0; ;/保持时间是 42 0; ; /* * 函 数 名 : * 函数功能 : 终止信号：在 钟信号高电平期间 号产生一个上升沿 * 输 入 : 无 * 输 出 : 无 * 备 注 : 结束之后保持 为 1；表示总线空闲 */ 2 0; ; 1; 17 ;/建立时间大于 2 1; ; /* * 函 数 名 : * 函数功能 : 通过 送一个字节。在 钟信号高电平期间， * * 保持发送信号 持稳定 * 输 入 : 输 出 : 0 或 1。发送成功返回 1，发送失败返回 0 * 备 注 : 发送完一个字节 , 需要应答则应答设置为 1，否则为0 */ 2 a = 0,b = 0;/最大 255，一个机器周期为 1大延时 255 a=0; a 7; /起始信号之后 ， 所以可以直接改变 号 2 0; 18 ;/时间大于 4 1; ; 1; 2& (= 1)/等待应答，也就是等待从设备把 低 b+; if(b 200) /如果超过 200有应答发送失败，或者为非应答，表示接收结束 0; ; ; 0; ; ; /* * 函 数 名 : * 函数功能 : 使用 取一个字节 * 输 入 : 无 * 输 出 : 备 注 : 接收完一个字节 */ 19 2 a = 0, 0; 1; /起始和发送一个字节之后 是 0 ; a=0; a / #20 /O 口 2 ; 2 ; /-/ 2; 2; 2; 2 2; #试电路 测试电路布线图如图 16 所示。 图 16 测试电路布线图 4 调试过程及结论 试过程的现象 连接好电路后，将单片机程序下载进芯片，打开开发板总开关，数码管显示当前光照度对应的电压值，不过有小幅跳变，当用手完全遮挡光电池的光敏面时，数码管显示 0，当改变光强时，数码管显示的电压值随之变化 ，且光强变小时，电压值降低，光强变大时，电压值增加，即趋势是一样的。 21 试过程中出现的问题 1 使用烧录器下载单片机程序的过程中，发现程序不可下载，下载了相应的驱动后，仍然有问题，在老师的指点下，将 的接线换到别的接口，并且更改了程序后正常下载程序。 2 数码管显示乱码且顺序不对，因为段选和位选接反了，更改之后，正确显示。 3 数码管显示的电压值跳变范围太大，难于读数，后来将程序进行了一些更改，电压值稍有跳变。 4 数码管显示的电压值在光强较大时，变化趋势不对，在调节了滑 动变阻器的阻值后趋势变化正确。 试结论 本系统的设计是基于 电池的照度计设计与调试，设计的电路基本可实现光照度的测量，且 测量范围为 0量误差 5 心得体会 在学习光电技术这门课程的过程中，了解到了光照度的概念，认识到了光照度与人们生活的密切联系，因此，测量生活环境的光照度是非常重要的。此次课程设计给了我一个很好的实践机会来设计电路并测量光照度的值。 在刚拿到题目时，感觉无从下手，后来，查找了相关资料并且和同学讨论后，渐渐有了思路，清楚了此次需要完成的目标以及如 何实现。准备过程中，查阅了相关芯片的资料，进一步了解了其用法，并且提高了自己实际使用相关电子器件的能力。 在连接电路的过程中，虽然不会像以前在面包板上连接时要求不许飞线和跨线，但由于平时连接的少，连接难度还是比较大的，不过，耐心连仍然是可以完成的。在这个过程中，进一步熟悉了相关电路的连