光照度檢測儀的設(shè)計(jì)★

王瑩瑩，徐玉珍，洪 耀，葉國文

（麗水學(xué)院工學(xué)院，浙江麗水 323000）

0 引言

光是人類眼睛可以看見的一種電磁波，是生物生長和發(fā)育的必要條件之一，它對于世間萬物有著不可或缺的影響。光照度與我們的生活息息相關(guān)，光照度的大小對我們的工作和生產(chǎn)都有很大的影響，如隧道、廣場、場館、工業(yè)現(xiàn)場、野外、水下（包括海底）等場所全天候的光度（照度或亮度）等地的照度不足，連續(xù)工作會引起視覺疲勞，大大降低工作效率，所以有必要對以上場所利用光照檢測儀進(jìn)行光照度測量控制。

光照度檢測儀是基于光探測器的照度測量儀表，是光強(qiáng)測量中用得最多的儀器之一，廣泛應(yīng)用于商業(yè)和工廠的照度測量。光照度檢測儀也是照明設(shè)計(jì)和節(jié)約能源最基本的測量儀器。隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，特別是近年來工農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，正在大量地使用各類光度儀器特別是光照度計(jì)，用來測量環(huán)境的照明情況。光照度檢測儀是一種簡易便攜式的測量光強(qiáng)度的儀器，能快速準(zhǔn)確地將所測量光的強(qiáng)度以數(shù)據(jù)的形式顯示出來。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理

光照度檢測儀原理框圖如圖1所示。

圖1 光照度檢測儀原理框圖

此設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括3個部分：光照度變送器，光照度檢測板，光照度顯示器。具體是以光亮度采樣芯片將當(dāng)前的光照度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制值，通過兩線制接口傳送給單片機(jī)，單片機(jī)將采樣芯片送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償算法獲得精確實(shí)際采樣值?！肮庹斩茸兯推鳌睂⒉杉降耐饨缱匀还廪D(zhuǎn)換為相應(yīng)的直流電壓信號?！肮庹斩葯z測板”采集“光照度變送器”輸出的電壓信號并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號?！傲炼蕊@示器”定時去讀取“光照度檢測板”的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，做平均值計(jì)算得出光亮度值并在顯示面板上顯示照度數(shù)值。“光照度檢測板”和“亮度顯示器”之間采用RS485通訊方式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。“亮度顯示器”有兩個信號接口分別為：“D～AC數(shù)模輸出接口“接到LED燈調(diào)光器的信號輸入端（LED調(diào)光器接收DC0～5V的直流電壓信號）。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用ATMEGA8單片機(jī)作為控制核心，控制系統(tǒng)主要包括RS485接口及變送器通訊、光照度監(jiān)測板、A/D轉(zhuǎn)換器、光照度顯示器。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖

本設(shè)計(jì)采用了Atmel公司的單片機(jī)Atmega8作為控制核心。Atmega8是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，Atmega8 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

CPU的31、30腳為串行通訊口，28腳接RS485的收發(fā)控制端。

本系統(tǒng)要保證下位機(jī)的數(shù)據(jù)高速、及時、準(zhǔn)確地傳送至單片機(jī)，RS485接口能更好滿足本類系統(tǒng)的要求。

CPU的23腳為ADC采樣輸入端實(shí)時采樣光亮度傳感器信號接收調(diào)理電路。

本系統(tǒng)使用的傳感器是JCJ100P照度變送器。

JCJ100P照度變送器以標(biāo)準(zhǔn)模擬電壓或電流變送器輸出，標(biāo)準(zhǔn)RS-232或485通信接口，并可直接配接計(jì)算機(jī)。其技術(shù)參數(shù)：工作電壓 1.12VDC±10% 2.24VDC±10% 照度傳感器硅藍(lán)光伏探測器測量范圍 1.0～2 000Lux（中低照度）2.0～20,000Lux（中高照度）3.0～200,000Lux（強(qiáng)光源）準(zhǔn)確度±7% 輸出信號 0～5VDC 4～20 mA（兩線制），其通訊協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS通訊協(xié)議，在使用組態(tài)軟件時，須選用的設(shè)備為MODICON（莫迪康）的PLC，MODBUS-RTU設(shè)備。

此系統(tǒng)采用USART通用同步和異步串行接收器和轉(zhuǎn)發(fā)器，它是一個高度靈活的串行通訊設(shè)備。

顯示電路的設(shè)計(jì)：本系統(tǒng)選用普通數(shù)碼管顯示模塊，用來顯示此時光照度數(shù)值。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

該光照度系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用了結(jié)構(gòu)化和模塊化的設(shè)計(jì)方法，便于功能擴(kuò)展，軟件設(shè)計(jì)采用C語言編寫。主要有以下幾個模塊：傳感器數(shù)據(jù)采集模塊，光亮度檢測模塊，通訊接口模塊，光亮度顯示模塊。

此系統(tǒng)程序首先是對單片機(jī)系統(tǒng)的初始化，啟動ADC轉(zhuǎn)換功能，取多次采樣值的平均值為實(shí)際采樣數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化為與亮度變送器對應(yīng)的十六進(jìn)制亮度單位數(shù)值，然后以光亮度采樣芯片將當(dāng)前的光照度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制值通過兩線制接口傳送給單片機(jī)，單片機(jī)將采樣芯片送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償算法獲得精確實(shí)際采樣值。“光照度變送器”通過其內(nèi)部傳感器轉(zhuǎn)換將采集到的外界自然光轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的直流電壓信號?！肮庹斩葯z測板”采集“光照度變送器”輸出的電壓信號并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號?！傲炼蕊@示器”定時去讀取 “光照度檢測板”的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，做平均值計(jì)算得出光亮度值并在顯示面板上顯示照度數(shù)值。

系統(tǒng)軟件主框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件主框圖

4 現(xiàn)場測試結(jié)果

本設(shè)計(jì)的光照度檢測儀測量范圍在0Lux～9999Lux，精確度為1Lux，測量誤差為±5Lux。在相同的照明條件下，本光照度檢測儀和標(biāo)準(zhǔn)照度計(jì)（TES-1332A照度計(jì)，測量范圍在0Lux～2000Lux，分辨率0.1 Lux）的測量值比較，見表1。根據(jù)數(shù)據(jù)比較得出光照檢測儀的誤差在±5Lux以內(nèi)，設(shè)計(jì)合格。

表1 標(biāo)準(zhǔn)照度計(jì)和光照檢測儀的測量值比較

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的光照度計(jì)測量儀，具有自動量程轉(zhuǎn)換功能、測量精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)測試，該儀器各指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，是一款性價比較高的光照度檢測儀。

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