劉建釗，王 寧

（1.上海理工大學(xué) 上海市現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093；2.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

引 言

人們所生活的環(huán)境是一個充滿光的世界，因此光照度與人們的生活有著密切的聯(lián)系。針對不同場合的需求，合理地調(diào)節(jié)光源可以使人處在一種舒適的狀態(tài)。為了能正確調(diào)整光照，需要對光照度進(jìn)行測量。光照度的測量方法[1]分為目視法和客觀法兩種：目視法是人們利用肉眼對光照度做出的評價(jià)，帶有一定的主觀性；而客觀法依據(jù)可靠的算法得出，所測得的照度值有一定的可信度。測量光照度的常用儀器是光照度計(jì)[2]，它由主機(jī)和一個光電探測器[3]組成。光電探測器采集當(dāng)前環(huán)境的可見光信號，并將該光信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號，通過后續(xù)功能電路的數(shù)據(jù)處理，將照度值顯示在主機(jī)上。

目前，在用市場上所銷售的照度計(jì)測量照度時，主機(jī)的液晶顯示屏上只顯示出照度值，而與該照度值相對應(yīng)的、由光電探測器所轉(zhuǎn)換而來的感應(yīng)電壓值并沒有被顯示出來。感應(yīng)電壓是與光電探測器串聯(lián)的電阻的電壓，顯示感應(yīng)電壓值有兩個方面的作用：一方面，由感應(yīng)電壓值可以判斷當(dāng)前環(huán)境中可見光信號的強(qiáng)弱，方便人們對光源進(jìn)行合理的調(diào)控；另一方面，由感應(yīng)電壓值可以估算出通過光電探測器的電流，進(jìn)而方便人們對光電探測器的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。這些對保護(hù)光電探測器以及延長其工作壽命都有一定的意義。

為此本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)[4]的模擬光照度計(jì)，在顯示光照度值的同時，可以顯示與該光照度值相對應(yīng)的電壓值，從而對光電探測器的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

1 光照度測量原理

光照度的測量原理如圖1所示。光電探測器采集可見光信號，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的感應(yīng)電壓信號。對感應(yīng)電壓進(jìn)行信號處理，包括放大濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等。當(dāng)知道感應(yīng)電壓與照度的函數(shù)關(guān)系時，就可以由感應(yīng)電壓值計(jì)算出相應(yīng)的照度值，進(jìn)而將照度值顯示出來。

圖 1 光照度測量原理圖Fig. 1 Schematic diagram of illumination measurement

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

光照度計(jì)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。光照度計(jì)系統(tǒng)由光電檢測模塊、信號處理模塊及數(shù)據(jù)顯示模塊組成。其中，光電檢測模塊由特定的光電探測器來探測光信號，并通過光電轉(zhuǎn)換電路將微弱的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，這一電信號通常為電壓的形式。信號處理模塊由放大電路、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)組成。放大電路將微弱的電壓信號進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，這有利于后續(xù)數(shù)據(jù)的處理。濾波電路用來消除雜散光的干擾，濾波后的電壓信號攜帶著光信息。此時，用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將該模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓。根據(jù)該數(shù)字電壓值，再通過一定的算法，即可算出照度值。算法是通過軟件編寫出的相應(yīng)程序來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)照度值算出之后，需要將照度值在液晶顯示屏上進(jìn)行顯示，這些工作也可以通過軟件編程的方式來完成。當(dāng)光電探測器探測到強(qiáng)度不同的光信號時，照度值可以相應(yīng)地發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)照度的實(shí)時測量，同時與照度值相對應(yīng)的電壓值也顯示在液晶顯示屏上。

圖 2 照度計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案Fig. 2 Overall design scheme of illuminometer system

2.2 硬件模塊組成

光照度計(jì)的硬件模塊如圖3所示。選用型號5 528的光敏電阻[5]作為光電探測器，這樣不僅可以降低成本，而且還可以使光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)變得簡便。集成運(yùn)算放大器選用LM358芯片，它在電路中有兩個作用：一是構(gòu)成放大電路；二是構(gòu)成濾波電路，且濾波電路同時具備電壓放大作用。由模數(shù)轉(zhuǎn)換器[6]ADC0832芯片將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號。轉(zhuǎn)換后的電壓信號由單片機(jī)STC89C52進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出相應(yīng)的照度值。最后，由液晶顯示屏LCD1602將計(jì)算出的照度值和對應(yīng)的電壓值顯示出來，并且用一個蜂鳴器和LED燈來進(jìn)行報(bào)警。

圖 3 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)方案Fig. 3 The system hardware module design

2.3 軟件模塊設(shè)計(jì)

光照度計(jì)軟件模塊的程序控制流程如圖4所示。當(dāng)程序加載到單片機(jī)時，光照度計(jì)上的各元器件便會按照程序指令有序地工作。首先對液晶顯示屏LCD1602以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0832芯片進(jìn)行初始化。當(dāng)光敏電阻采集到可見光信號后，將光信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的感應(yīng)電壓。對這一感應(yīng)電壓進(jìn)行放大濾波后，ADC0832芯片[7]采集到信號處理后的電壓量，再將該模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓。由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并計(jì)算出照度值，同時在液晶上顯示出照度值，并將與該照度值相對應(yīng)的電壓值也進(jìn)行顯示。當(dāng)所測的照度值超過所設(shè)置的閾值時，系統(tǒng)開始報(bào)警。

圖 4 程序控制流程圖Fig. 4 Flow chart of program control

3 數(shù)據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)

由于光敏電阻所轉(zhuǎn)換而來的感應(yīng)電壓很微小，不利后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，因此采用LM358芯片構(gòu)成的放大濾波電路對其進(jìn)行兩級電壓放大，放大倍數(shù)為4。設(shè)Vdisplay是放大4倍后的電壓，Vinduced是由光敏電阻轉(zhuǎn)換而來的感應(yīng)電壓，則兩個電壓的關(guān)系如下：

由式（1）可以看出，Vdisplay與Vinduced一一對應(yīng)，由Vdisplay可以計(jì)算出Vinduced，從而可以計(jì)算出流過光敏電阻的電流、功耗等，起到對光敏電阻的工作狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測的作用。

測量一組光照度計(jì)的電壓Vdisplay及其所對應(yīng)的照度，用以確定照度計(jì)顯示的電壓和照度的關(guān)系，結(jié)果如表1所示。根據(jù)表1所示的電壓Vdisplay及其相應(yīng)的照度數(shù)據(jù)，利用MATLAB軟件對兩者進(jìn)行曲線擬合，得到結(jié)果如圖5所示。

表 1 電壓及相應(yīng)的照度Tab. 1 Voltage and corresponding illuminance

圖 5 照度與電壓的擬合曲線Fig. 5 The fitting curve of illumination and voltage

進(jìn)而得到照度與電壓的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系式，二者的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系表達(dá)式如下：

式中：Y為照度；X為電壓值，并且有X=Vdisplay。該函數(shù)關(guān)系式亦是由電壓Vdisplay計(jì)算出相應(yīng)照度的核心公式。

4 光照度計(jì)電路圖

光照度計(jì)電路系統(tǒng)原理圖如圖6所示。該電路系統(tǒng)由光電轉(zhuǎn)換電路[8]、放大濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)[9]、液晶顯示電路和報(bào)警電路構(gòu)成。其中，光敏電阻采集光信號，并將光信號轉(zhuǎn)換為電流信號，從而在負(fù)載電阻R1上產(chǎn)生一個感應(yīng)電壓。該感應(yīng)電壓需要用LM358芯片構(gòu)成的兩級放大電路對其進(jìn)行放大，同時進(jìn)行濾波處理。由A/D轉(zhuǎn)換器將處理后的模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算出照度值。LCD1602液晶顯示屏[10]的第一行顯示電壓值，第二行顯示與該電壓值相對應(yīng)的照度值。當(dāng)所測的照度值超過130 lx時，蜂鳴器響起，紅色LED燈不斷閃爍，開始報(bào)警。

圖 6 照度計(jì)系統(tǒng)電路原理圖Fig. 6 Schematic diagram of illuminometer system circuit

5 程序設(shè)計(jì)

5.1 主程序設(shè)計(jì)

光照度計(jì)的主程序執(zhí)行流程如圖7所示。單片機(jī)按照圖7所示的流程不斷執(zhí)行相應(yīng)的程序語句。

5.2 其他子程序設(shè)計(jì)

用于顯示光照度計(jì)電壓數(shù)值的子程序如圖8所示。

計(jì)算并顯示照度值的子程序設(shè)計(jì)如圖9所示。

6 光照度計(jì)實(shí)物調(diào)試

6.1 光照度計(jì)組成

圖 7 主程序設(shè)計(jì)流程圖Fig. 7 Flow chart of main program design

圖 8 顯示電壓值的子程序設(shè)計(jì)Fig. 8 Subroutine design for voltage

光照度計(jì)實(shí)物如圖10所示。在面包板上用光敏電阻搭建了光照度計(jì)的光電轉(zhuǎn)換電路，用運(yùn)放LM358芯片搭建了放大濾波電路，并用ADC0832芯片搭建了模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，在STC89C52單片機(jī)開發(fā)板上接上LCD1602液晶顯示屏。面包板上接有電源模塊，該模塊中的電源有三種選擇，分別是3.3 V、5 V和12 V，可滿足不同的供電需求。通過兩根數(shù)據(jù)線分別將單片機(jī)開發(fā)板和面包板上的電源模塊連接到電腦的USB端口，由電腦給單片機(jī)開發(fā)板和面包板供電。單片機(jī)開發(fā)板上有蜂鳴器模塊和LED模塊，給面包板和開發(fā)板通電后，把寫好的程序加載到單片機(jī)中。這樣，光照度計(jì)系統(tǒng)就可以按照程序指令正常工作，同時在液晶顯示屏上可以看到電壓值及相應(yīng)的照度值。

圖 9 計(jì)算并顯示照度值的子程序設(shè)計(jì)Fig. 9 Subroutine design for calculating and displaying illumination values

圖 10 光照度計(jì)實(shí)物圖Fig. 10 Photo of the illuminometer

6.2 光電轉(zhuǎn)換電路的調(diào)試

當(dāng)LED燈照射光敏電阻時，用電壓表測得與其串聯(lián)的電阻R1的電壓。電壓表顯示電阻R1的電壓為0.364 V，該電壓值即為感應(yīng)電壓。隨著LED燈與光敏電阻距離的變化，該感應(yīng)電壓值也在變化。

6.3 單級放大電路的調(diào)試

電路采用兩級同相輸入比例電壓放大電路。對單級電壓放大電路其電壓增益為

式中：Auf為電壓增益；uo為輸出端電壓；uI為輸入端電壓；RF為輸出端反饋回輸入端的等效電阻；R1為輸入端和運(yùn)放同相輸入端之間的等效電阻。

單級放大電路的調(diào)試結(jié)果如圖11所示。圖11所示的輸入電壓為0.474 V，所示的輸出電壓為0.921 V，輸出電壓近似為輸入電壓的二倍。由此說明，運(yùn)算放大器[11]芯片LM358可以正常工作，電路實(shí)現(xiàn)了電壓放大作用。

圖 11 單級放大電路調(diào)試結(jié)果圖Fig. 11 Debug result of single stage amplifier

6.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的調(diào)試

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的調(diào)試結(jié)果如圖12所示。液晶屏上顯示當(dāng)前電壓為1.23 V，所對應(yīng)的照度值是57.01 lx。用電壓表測量ADC0832芯片的CH0端的電壓，并將這一電壓與液晶上顯示的電壓進(jìn)行比較?？梢钥吹?，電壓表所測得的CH0端的電壓為1.23 V，與液晶上所顯示的電壓相同。由此說明，ADC0832芯片能正常讀取模擬電壓值。

圖 12 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路調(diào)試結(jié)果圖Fig. 12 Analog to digital conversion circuit debugging

6.5 顯示電路的調(diào)試

由圖12所示的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的調(diào)試結(jié)果可知，液晶屏已正確地將放大4倍后的模擬電壓顯示了出來。

6.6 報(bào)警電路的調(diào)試

當(dāng)照度值超過130 lx后，系統(tǒng)開始報(bào)警。此時：LCD1602液晶屏的第一行顯示“zdval is high”，表示照度值過高；第二行顯示“start warning”，表示有警告；面板上的紅色LED燈不斷閃爍，蜂鳴器報(bào)警。

6.7 光敏電阻實(shí)時監(jiān)測

型號為5528的光敏電阻，其最大功耗為100 mW。用表1中的第四組數(shù)據(jù)來計(jì)算光敏電阻的功耗。當(dāng)顯示電壓Vdisplay=5.00 V時，相應(yīng)的照度為401.61 lx。根據(jù)圖6所示的照度計(jì)電路圖，分析得到計(jì)算光敏電阻功耗的表達(dá)式為

式中：P是光敏電阻的功耗；Vcc是電源電壓（其值為圖6所示的12 V）；Vinduced是感應(yīng)電壓值（其值由式（1）計(jì)算得出，當(dāng)Vdisplay=5.00 V時，Vinduced=1.25 V）；R1是電阻值（其值為10 kΩ）。將Vcc、Vinduced和R1的數(shù)值代入式（4），得到此時光敏電阻的功耗為1.34 mW。該功耗值在光敏電阻的最大功耗范圍內(nèi)，表明光敏電阻可以正常工作。

在照度計(jì)使用過程中，可以根據(jù)液晶顯示屏上的電壓值來計(jì)算感應(yīng)電壓值，進(jìn)而可以估算出光敏電阻的功耗值。這樣，就可以對光敏電阻的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，確保其工作性能穩(wěn)定。

7 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的模擬光照度計(jì)，該照度計(jì)的硬件模塊主要由光電轉(zhuǎn)換電路、放大濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、LCD1602顯示電路以及報(bào)警電路等組成。軟件模塊主要由顯示電壓值的子程序、計(jì)算并顯示照度值的子程序和報(bào)警子程序等組成。在設(shè)計(jì)出電路系統(tǒng)之后，根據(jù)該電路系統(tǒng)做出了光照度計(jì)的實(shí)物，并對實(shí)物進(jìn)行了調(diào)試。結(jié)果表明，光照度計(jì)能夠正常工作，并且液晶可以顯示放大4倍后的電壓值。

隨著光照度計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，這種將光電探測器所轉(zhuǎn)換而來的感應(yīng)電壓也顯示出來的設(shè)計(jì)思想，可為未來照度計(jì)的設(shè)計(jì)提供參考。