一種用于光電實(shí)驗(yàn)測試的光照檢測模塊的設(shè)計(jì)

廖先碧

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程學(xué)院，四川 遂寧 629000）

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)使人類社會進(jìn)入了信息時(shí)代，科學(xué)研究與自動(dòng)化生產(chǎn)過程中所要獲取的各類信息，都須通過傳感器獲取并轉(zhuǎn)換成易于處理的電量[1]。傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)信息檢測的一門綜合技術(shù)，是信息的源頭，傳感器與計(jì)算機(jī)、通信和自動(dòng)控制技術(shù)等一起構(gòu)成一條從信息獲取、處理、傳輸和決策應(yīng)用的完整信息鏈，因此傳感器在信息技術(shù)領(lǐng)域中具有十分重要的基礎(chǔ)性地位和作用[2]。

1 光電傳感器簡介

光電式傳感器是將入射光的光通量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器，光電傳感器的基礎(chǔ)是光電元件的光電效應(yīng)，由于光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多，一般情況下具有非接觸測量、高精度、高分辨率、高可靠性和反應(yīng)快等特點(diǎn)，是目前產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的傳感器之一，廣泛應(yīng)用與通信、航空、軍事、智能家居、智能交通、LED 照明、工業(yè)自動(dòng)化等多種領(lǐng)域。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電器件三部分組成[3]。光電器件是各種光電檢測系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，主要有光電管、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管、光耦合器和光電池、CCD器件等。熟悉各種典型光電器件的原理，測試和分析其特性，才能更好地選擇和使用各種光電傳感器。

2 光電器件實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀

目前采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備中光電傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K由各光電器件、直流穩(wěn)壓電源、紅光LED 光源、測量轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字電壓表等幾部分組成?？蛇x擇使用的光電器件，通過轉(zhuǎn)換電路調(diào)整，輸出代表被測光強(qiáng)的電壓信號，送入數(shù)字電壓表顯示出來。原有實(shí)驗(yàn)?zāi)K中通過電位器調(diào)節(jié)發(fā)光二級管靜態(tài)驅(qū)動(dòng)電流來改變發(fā)光強(qiáng)度，電位器的刻度指示光強(qiáng)變化，可在光電器件的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)中作定性研究。但由于電位器的頻繁磨損、光路簡單，在環(huán)境溫度、光強(qiáng)等干擾因素的影響下無法滿足各種光電器件的特性研究和光強(qiáng)的定量檢測。因此，設(shè)計(jì)和加入一光強(qiáng)的高精度、好線性的檢測系統(tǒng)，來作為對各種光電器件的光照、伏安與頻率等特性研究中的標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)的給定，以滿足各光電器件特性的定量測試與研究。

3 基于BH1750FVI 的光照檢測實(shí)驗(yàn)?zāi)K

由于各種實(shí)驗(yàn)用光電器件其光譜特性大多在可見光區(qū)，人眼對可見的環(huán)境光亦有直觀感受，本設(shè)計(jì)采用高集成度光感芯片BH1750FVI、單片機(jī)STM8S003F3P6 采集環(huán)境光強(qiáng)，作環(huán)境光強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)，配合各光電器件測量單元組合成，如圖1 所示的光照檢測實(shí)驗(yàn)?zāi)K。光感芯片BH1750FVI 感知環(huán)境光強(qiáng)，把光強(qiáng)信號送MCU 進(jìn)行處理后，送計(jì)算機(jī)；同時(shí)，多路開關(guān)選擇的光電器件測試單元測量輸出的光電流、電壓等信號通過數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字量也送計(jì)算機(jī)；利用LabVIEW 進(jìn)行測量數(shù)據(jù)處理與顯示。

圖1 光照檢測模塊系統(tǒng)框圖

3.1 高集成度光感芯片BH1750FVI

高集成度光感芯片BH1750FVI 是一種用于兩線式串行總線接口的16 位數(shù)字型環(huán)境光強(qiáng)度傳感器集成電路，內(nèi)部由光電二極管、運(yùn)算放大器、ADC 采樣、晶體振蕩器等組成[4]。供電電壓3.3V，測量范圍1-65535Lx，最小誤差±20%。光感傳感器使用光電二極管作為器件主體，采用I2C 總線協(xié)議對外通信，其工作方式為：當(dāng)有外部環(huán)境光刺激光電二極管時(shí)，光電二極管產(chǎn)生微弱的PD 電流，通過運(yùn)算放大器將光電流轉(zhuǎn)換為PD 電壓，進(jìn)入光窗的光越強(qiáng)，光電流越大，PD 電壓就越大[5]，所以通過電壓的大小就可以判斷光照的大小，使用ADC 采樣電路將連續(xù)的變化電壓值轉(zhuǎn)換為離散的電壓變化量，由于PD 電壓和光強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系并不是成正比的，所以這個(gè)芯片內(nèi)部做了線性處理，經(jīng)邏輯計(jì)算后轉(zhuǎn)換為勒克斯強(qiáng)度，使用I2C 總線輸出。根據(jù)其數(shù)據(jù)資料可知，該傳感器的光譜靈敏度與人眼接近，如圖2 所示。

圖2 光電二極管與人眼的光譜響應(yīng)圖

從圖中可以看出，人眼對波長555nm（綠色）光線最靈敏，而對波長約470nm（藍(lán)光）和波長約650nm（紅光）的敏感度要低得多，波長大于700nm（紅外光）和小于400nm（紫外光）人眼就看不到了。在測量時(shí)，當(dāng)光源具備同等的視覺亮度，如果其IR 輻射成分不同（因?yàn)槿搜劭床坏剑?，而硅光電二極管能夠檢測到部分紅外光，這種光譜的差異會影響亮度測量的結(jié)果。例如在有白熾燈和太陽光下，測量到的光強(qiáng)度要比人眼感覺到的光強(qiáng)度亮得多；另外由于室內(nèi)日光燈的光照特性以50Hz 閃爍的方式進(jìn)行工作的，當(dāng)傳感器采樣頻率大于交流市電頻率時(shí)，會出現(xiàn)光強(qiáng)波動(dòng)。該款I(lǐng)C具有較強(qiáng)的IR 抑制，內(nèi)部IR 補(bǔ)償機(jī)制能夠把紅外光的影響降至最小，提供精確的亮度響應(yīng)，當(dāng)采用H 分辨率模式ADC 輸出的光強(qiáng)數(shù)據(jù)后，對其進(jìn)行120ms 間隔長度的光強(qiáng)積分，可自適抑制50Hz 的光噪音。

BH1750FVI 器件的引腳功能，如圖3 所示。

圖3 BH1750FVI 器件引腳圖

3.2 STM8S003F3P6 單片機(jī)

STM8S003F3P6 是意法半導(dǎo)體公司開發(fā)的一款高性能、低成本、低功耗的8 位MCU，STM8S003F3P6工作電壓為2.95 至5.5V，內(nèi)核采用增強(qiáng)型哈佛結(jié)構(gòu)，提供8kb 閃存程序存儲器，55℃下數(shù)據(jù)可保存20 年，3 級流水線擴(kuò)展指令集，以及集成的真數(shù)據(jù)EEPROM,支持多達(dá)100000 個(gè)寫入/擦除周期，內(nèi)置復(fù)位電路和晶振電路（用戶可調(diào)整的16MHz 的RC內(nèi)部低功耗128kHzRC），獨(dú)立的看門狗和時(shí)鐘源、帶有時(shí)鐘監(jiān)控的時(shí)鐘安全系統(tǒng)、包括16 個(gè)外部中斷引腳，5 個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換通道、單線調(diào)試接口（SWIM）和DM、捕獲/比較和PWM 功能，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、消費(fèi)類電子產(chǎn)品和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。STM8S003F3P6的引腳功能與BH1750FVI 器件的連接[6]，如圖4 所示。

圖4 BH1750FVI 器件接線圖

由于光感芯片BH1750FVI 的工作電壓為3.3V，通過平臺上直流5V 電源供電，經(jīng)穩(wěn)壓芯片SC662K 輸出穩(wěn)定的3.3V 直流電壓作VCC，上電后系統(tǒng)初始化，BH1750FVI 采用連續(xù)H 分辨率模式，分辨率為 1LX，MCU 通過 I2C 總線向傳感器 SCL 引腳發(fā)送起始信號，并向傳感器發(fā)送設(shè)備地址和寫信號，發(fā)送完畢，主機(jī)等待傳感器應(yīng)答，然后主機(jī)向從機(jī)發(fā)送內(nèi)部寄存器地址，主機(jī)等待傳感器應(yīng)答，然后讀取高位數(shù)據(jù)（15～8），并發(fā)送應(yīng)答。讀取低位數(shù)據(jù)（7～0），不向主機(jī)發(fā)送應(yīng)答，主機(jī)停止發(fā)送信號，一次采集過程結(jié)束，接著進(jìn)行下一次采樣[7]。嵌入式軟件流程,如圖5 所示。

圖5 軟件流程圖

每采樣MCU 完成10 次采樣后，累計(jì)數(shù)據(jù)經(jīng)補(bǔ)償算法計(jì)算出準(zhǔn)確的光強(qiáng)度數(shù)據(jù)（單位：勒克斯Lx）。

3.3 測量誤差補(bǔ)償

在實(shí)際的測量中，室內(nèi)存在各種因素的影響，為了提高測量的準(zhǔn)確性和可靠性，避免部分交流光源的周期性光強(qiáng)變化和環(huán)境中其它因素造成的對環(huán)境光光強(qiáng)度檢測值的干擾，在數(shù)據(jù)補(bǔ)償算法中先采用中位值濾波算法濾掉采樣值中的偶然因素引起的干擾，然后把剩下的各采樣值進(jìn)行遞推平均濾波，其計(jì)算公式為：y(k)=

式中y(k)為第k 次濾波后的輸出值；x(k-i)為依次向前遞推i 次的測量值，N 為測量次數(shù)。

3.4 使用測試

經(jīng)測試BH1750FVI 芯片輸出的光照經(jīng)STM8S003F3P6 處理后具有很高的精度和很好的線性特性，可作為理想的光照強(qiáng)度（Lx）標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)及應(yīng)用軟件可以為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析據(jù)提供各種方便，節(jié)省工作時(shí)間[8]。利用計(jì)算機(jī)的虛擬儀器可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，如電壓表、電流表、示波器、頻譜分析儀等。其中LabVIEW 軟件采用圖形化編程平臺，具有良好、直觀的界面，是目前應(yīng)用最廣、功能強(qiáng)大的虛擬儀器工程平臺，利用LabVIEW 可做成各種虛擬儀表，其功能由用戶編程定義。

高集成度光感芯片BH1750FVI 所測的環(huán)境光強(qiáng)信號精度高線性好，作為光照強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，與其它實(shí)驗(yàn)用光電器件測試電路輸出信息一起，利用LabVIEW 雙通道同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[9]，采用單步運(yùn)行方式，測量數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算后送入數(shù)組，顯示設(shè)有數(shù)據(jù)表格與XY 圖。以硅光電池輸出特性為例，負(fù)載電阻接1kΩ，測試低照度（量程范圍0～300Lx）下的光照特性,測試中逐步調(diào)節(jié)發(fā)光二極管的光強(qiáng)調(diào)節(jié)旋鈕，測量數(shù)據(jù)與光照特性曲線在LabVIEW 前面板顯示，如圖6 所示。

圖6 LabVIEW 前面板

圖6 中數(shù)據(jù)表格左邊Luminous 列為高集成度光感芯片BH1750FVI 所測的環(huán)境光強(qiáng)信號，右邊Voltage 列為硅光二極管輸出電壓，圖中XY 圖為硅光電池的輸出電壓-光照特性圖，由圖可以直觀看出硅光電池在低照度下有較好的線性特性。

4 結(jié)語

本光強(qiáng)檢測實(shí)驗(yàn)?zāi)K成本低，測量精度高，線性好，用作給其它各種常用光電器件的實(shí)驗(yàn)研究作數(shù)據(jù)標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)，對于測試和分析研究各光電器件的特性具有較好的效果和說明性，配合計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件免去大量的人工計(jì)算和數(shù)據(jù)處理工作，提高工作效率，在實(shí)際使用中有很好的適用性。由于光強(qiáng)檢測實(shí)驗(yàn)?zāi)K中所采用的BH1750FVI 芯片無光源依賴性且光譜響應(yīng)的峰值范圍處于可見光區(qū)，還可以作為獨(dú)立傳感器設(shè)備用于檢測環(huán)境光強(qiáng)度，作照度計(jì)使用，也可以配合控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光源光亮度的自動(dòng)控制。