基于Si光电池得照度计设计与调试

武汉理工大学《光电技术》课程设计说明书1基于Si光电池的照度计设计与调试1技术指标通过Si光电池、51单片机和一些必要的芯片，设计并调试出一种可以测量光照度的照度计。要求系统测量范围为0-200lx，测量精度达到1lx；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；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；设计照度计软件控制系统，要求系统整体工作稳定；给设计系统定标，要求测量结果误差在1%以内。2设计方案及其比较简单的说一下光照计的设计思路。本次设计采用的光电转换核心器件是硅光电池，硅光电池是一种不需要加偏置就能把光能直接转换为电能的结型光电器件，具有测量光的功能。测量光电池在不加偏置的情况下，将光信号转换为电信号，此时具有线性范围宽，灵敏度高等很好的性能。硅光电池的基本特性包括：光电池的短路电流𝐼sc与入射光照成正比，开路电压𝑈∝与入射光照度记得对数成正比。当光电池的负载很小的时候，光电流和照度满足很好的线性关系，并且有很宽的线性范围；此外一定负载条件下光照越弱，其线性关系越好。光电池的这些特性，是实际应用中测量照度的基本原理。但这些都是硅光电池的普遍的基本的特性，实际应用中我们还需要对所用的光电池进行一些必要的测量。以确定实际所用到的光电池的基本特性，为更好的设计电路，提供依据。在设计电路之前，我对光电池进行了光电池的照度—电流特性的实验。实验原理图见下图1所示。图1光电池的照度—电流特性的实验原理图武汉理工大学《光电技术》课程设计说明书2实验过程就是电流表接在光电池两端，把光电池和标准照度计的接收传感器放在同一受光面上。测量不同光照条件下的短路电流。实验数据记录见下表1所示。表1光电池的照度—电流特性的实验记录表光照度（lx）短路电流（uA）光照度（lx）短路电流（uA）00.003.70.065.40.088.30.1212.80.2022.70.3536.00.5650.20.7880.71.23100.41.55123.81.93150.42.31178.32.71199.03.08220.63.38247.53.82数据通过MATLAB的多项式曲线拟合函数处理得到光电池的照度—电流特性曲线如下图2所示。光电流和光照度之间满足的一次线性关系式：E=0.0154×𝐼sc−0.0008。图2光电池的照度—电流特性曲线武汉理工大学《光电技术》课程设计说明书3分析特性曲线可以发现课程设计中使用到的光电池的性能和《光电技术》课本上的光电池有很大的差别。短路电流只有uA级别，而书上的光电池是mA级。所以在使用过程中需要根据实际情况而定。光电流和光照度有着很好的线性关系，原始数据和一阶线性曲线完美匹配。了解到实际使用的光电池的性能参数，下一步就是设计光照计方案。整体方案的思路大同小异，区别只在前置光电转化电路，系统框图如图3所示。图3系统硬件原理框图2.1方案一2.1.1光电转化电路设计硅光电池工作在线性电流放大区时，负载电阻很小，其输出电流和光照有较好的线性关系。线性电流放大区也称作短路电流放大区。根据光电池这一特性，在光电池的两端接上一个阻值较小的精密电阻R，由于电阻很小近似看作光电池短路。流经R的电流近似等光电转换A/D模数转换单片机数据处理数码管显示光信号变电信号电信号放大电信号输入电压数值到照度值转换武汉理工大学《光电技术》课程设计说明书4于短路电流𝐼sc，电阻R上的电压值近似等于𝑈𝑅=𝐼sc×𝑅。这样就实现了电流到电压的转换。然后再将得到的电压值进行多次放大，得到AD采样可以识别的电压范围即可。电路原理图如下图4所示。其中硅光电池等效为电流源。图4“方案一”光电转换及放大电路原理图2.1.2A/D数模转换将放大的电压信号送到PCF8591组成的A/D转换电路，PCF8591输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向的𝐼2𝐶总线以串行的方式进行传输，很容易控制。PCF8591是八位的A/D转换器，分辨率为0.004V，具有256级可以变化的范围，操作电压的范围2.5V-6V，各方面工作特点都很符合照度计电路的采样。A/D采样电路如下图5所示。图5A/D模数转换电路武汉理工大学《光电技术》课程设计说明书5模拟信号从AIN0输入，A0，A1，A2接地，PCF8591的寻址地址设为000H，PCF8591的𝐼2𝐶接口，SCL和SDA分别接单片机的P2.1和P2.0。VREF接VCC参考电压设置为5V，分辨率为5256⁄=0.02V。2.1.3单片机数据处理系统选用51单片机作为控制系统来处理A/D转化器采样到的数字信号。P2.1和P2.0模拟𝐼2𝐶通信，从PCF8591中读取数据，在单片机中进行运算。将实际测量得到的电压数值，通过一定的运算关系转化为光照度值。电路连接图如下图6所示。图6单片机和A/D转化器连接电路图2.1.4光照度的显示数据显示采用数码管，因为测量的精度范围是1lx，不存在小数点的问题，所以照度计的显示使用四位的数码管完全可行。并且数码管还具有成本小、功耗低、操作简单的优点。单片机驱动能力有限还需要一个锁存器，采用74LS573。用锁存器作为数码管的段选控制位，P1.0-P1.3作为数码管对应的位选控制位。显示模块的电路图连接方法如下图7所示。武汉理工大学《光电技术》课程设计说明书6图7显示模块电路原理图2.2方案二2.2.1光电转换电路设计利用晶体管的放大原理，将晶体管和光电池组合在一起，作为电流/电压转换的第二种方法。光电池的阳极接在NPN型晶体管的基极，阴极接地，晶体管发射基通过一个小电阻R接地，集电极接VCC，发射极电压𝑈𝑐为输出的电压信号。假如晶体管的放大倍数为β，那么𝑈𝑐=(1+β)×𝐼sc×𝑅，这样也实现了电流到电压的转换。电路连接图如下图8所示。图8“方案二”光电转换及放大电路原理图武汉理工大学《光电技术》课程设计说明书7不同的方案只是光电转换电路设计不同，方案二的A/D转换模块、单片机信号处理模块、还有照度值显示模块在此不再赘述，读者可以参阅前文。2.3方案三方案三巧妙地运用到了LM358运放和光电池实现了光电流到电压高效的稳定的转换。电路原理图如下图9所示。图9“方案三”光电转换及放大电路原理图如图9所示，光电池的阳极和阴极直接和运放的输入端相连接，根据运放“虚短”的特点，我们可以知道这给光电池提供了一个非常好的短路电流放大区的工作环境。再根据运放“虚断”的特点，我们知道此时的光电池短路电流𝐼sc全部流经R4到地，一级运放的输出电压𝑈01=𝐼sc×𝑅4，然后一级放大的输出电压𝑈01通过LM358集成的另一个运放输入端正极输入，进行二级放大。根据运放的相关知识二级放大的倍数𝐴2=1+(𝑅5𝑅6⁄)。所以，经过两级放大之后的输出电压𝑈out=𝐼sc×𝑅4×[1+(𝑅5𝑅6⁄)]。从输出电压的公式可以看出调节𝑅4，𝑅5，𝑅6可以很方便的调节电流转换电压的放大倍数。方案三的A/D转换模块、单片机信号处理模块、还有照度值显示模块在此不再赘述，读者可以参阅前文。2.4方案比较三种方案的差别只在于光电转换放大电路的设计。在此我们结合实际应用中选用的光电池特性和A/D采样芯片的特点来对三种方案进行分析比较。前面做实验得到光电池的短武汉理工大学《光电技术》课程设计说明书8路电流大约是在0到3uA之间。PCF8591是八位的A/D转换器，分辨率为0.004V，具有256级可以变化的范围，操作电压的范围2.5V-6V。所以光电池的电流变化被检测到，至少要有A=2.5V3uA=8.3×105⁄的放大倍数。方案一中，电流转换电压过程中，为了不破坏光电池的光照线性特点，负载电阻要求非常小，所以前级的电流电压转换电路电流的放大倍数就很小。为了达到十万级别的放大倍数，就必需增大后面运放电路的放大倍数。即便是达到了放大倍数的要求，和方案三相比，光电池的负载并不是小到为零。而方案三中因为运放“虚短虚断”的特性使得光电池工作状态就是短路的。方案二中虽然较方案一中有了晶体管β倍的放大倍数，但是晶体管受温度影响较大，且不同的晶体管β不定，很难测量，导致处理电压值和照度值之间关系的时候，出现很多不确定的因素。因此考虑到放大倍数以及照度计的精确稳定性能，最终的实现方案选择方案三。3实现方案前面的方案分析中很详细的写到了每一种方案的特点，包括实现方案。所以在此不对实现方案的各个模块做详细的分析。最终实现方案的完整的电路原理图如下图10所示。图10实现方案原理图如图10所示，在一定光照条件下，光电池上微弱的短路电流通过LM358运放两级放大转换为大小相当可观的稳定的电压信号，模拟电压信号通过PCF8591A/D转换器转换成武汉理工大学《光电技术》课程设计说明书9为与电压值对应的数字信号。在单片机中，通过对电压值数字信号做相应的处理，得到与之对应的照度值信号。最后通过四位数码管显示当前的照度值。3.1使用器件及其功能实现方案中用到的主要器件见下表2。表2电路元件清单名称数量名称数量单片机开发板1块硅光电池1个PCF85911片LM3581片74LS5731片10uf贴片电容1个104贴片电阻1个204贴片电阻1个102贴片电阻1个杜邦线若干所用到的元件很多，在这里主要介绍一下初次用到的PCF8591A/D转换芯片。查阅百度百科的资料可知“PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bitCMOS数据获取器件。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I²C总线接口。PCF8591的3个地址引脚A0,A1和A2可用于硬件地址编程。在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。”PCF8591的最大转化速率由I2C总线的最大速率决定。如下图11，图12所示是PCF8591的内部框图和引脚功能图。图11PCF8591内部框图武汉理工大学《光电技术》课程设计说明书10图12PCF8591引脚及其功能图3.2运放电路制作考虑到学院发的板子调节电阻不太方便，运放电路杜邦线使用过多容易造成干扰。于是就自己用万用板和贴片元件做了一个放大倍数固定的为2×107的放大电路。如下图13，图14所示。图13运放背面示意图图14运放正面示意图武汉理工大学《光电技术》课程设计说明书113.3硬件连线图将自己做的运放板子安置在开发板上一点都不觉得突兀。按照实现方案电路原理图用杜邦线连接各个模块。实物图如下图15所示。图15实物图4调试过程及结论4.1电压值—照度值转换参数的确定调试的方法是通过测量不同光照度下的运放输出电压值，运用数据处理软件MATLAB拟合电压和照度值的方程。实验数据见下表3。表3照度—电压数据记录照度（lx）电压（v）照度（lx）电压（v）照度（lx）电压（v）19.51.32820.51.33621.61.34222.71.34823.51.35324.71.359武汉理工大学《光电技术》课程设计说明书12续表3照度（lx）电压（v）照度（lx）电压（v）照度（lx）电压（v）25.61.36526.71.37128.11.38028.81.38529.51.38930.01.39330.51.39731.11.40131.91.40732.91.41333.61.41834.51.42435.41.43136.61.43937.61.44638.51.45239.81.46141.01.46842.31.47743.71.48645.31.49646.51.50448.01.51350.11.52852.51.54253.81.55056.31.56658.51.57959.41.58560.51.59261.21.59662.21.60263.21.60964.51.61865.61.62567.51.63768.51.64370.41.65672.31.67073.81.62875.11.69176.91.70578.31.73080.51.73082