測量光照強度的照度計的工作原理
來源： http://www.de147.cn/ 類別：實用技術(shù) 更新時間：2013-03-08 閱讀次
【本資訊由中國糧油儀器網(wǎng)提供】 照度與人們的生活有著密切的關(guān)系。充足的光照，可防止人們免遭意外事故的發(fā)生。反之，過暗的光線可引起人體疲勞的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過眼睛的本身。并且在進(jìn)行農(nóng)作物種植的過程中，也需要進(jìn)行光照的控制，有效的光照，可以很好的促進(jìn)植物生長，那么我們應(yīng)該如何控制光照強度呢？光照培養(yǎng)箱中的光照強度計是什么工作原理呢？但是市場上常用的照度計，對一般用戶而言費用過高。本文設(shè)計的簡易照度計，僅利用照度傳感器BH1710、單片機(jī)和LCD1602等少量元器件，花費不過十幾元，但讀數(shù)迅速、方便，制作簡單，原理易懂。
照度的測量方法測量照度的方法比較簡單，是以整個探測器所接收的光通量除以探測器的面積，即為所測的照度，即：
E=dφ/dA，該量的符號是E，單位為勒克斯(lx)。
照度和人眼的光頻譜效率有關(guān)，因此，根據(jù)探測到人眼的光線的光譜靈敏度與光譜線的效率要相對應(yīng)。而光接收器相對人眼的光頻譜效率取決于人眼的光譜敏感性，所以使用光來匹配探頭。此外，對探測光的光響應(yīng)，與余弦規(guī)則相一致，因此，光探測器也需要余弦校正。余弦校正由光電傳感器、電子放大和讀數(shù)系統(tǒng)組成。由于硒材料的靈敏度比其它探測器更接近人眼的光譜光視效率，在過去的照度檢測中，硒材料被廣泛使用。但由于硅光電元件的靈敏度、穩(wěn)定性和壽命均比硒光電池高，近年來多采用硅光電池或硅光電二極管代替硒光電池做照度計的探測器件。硬件電路設(shè)計，系統(tǒng)總體設(shè)計方案本文以AT89S52單片機(jī)為控制核心，對從照度傳感器BH1710傳來的數(shù)字信號進(jìn)行處理，然后通過液晶屏LCD1602顯示出來。照度傳感器BH1710照度傳感器BH1710FVC具有與人的視覺靈敏度相似的優(yōu)良光譜靈敏度特性，可以測量從黑暗到日光直射環(huán)境的寬范圍的照度，測量照度范圍為1～65535勒克斯。BH1710為16位串行數(shù)字輸出型環(huán)境光傳感器，采用I2C總線接口，可以便捷的與單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信。另外，BH1710內(nèi)置有待機(jī)功能，待機(jī)電流只有0.01uA，有助于便攜式電子機(jī)器朝著低電流化方向更進(jìn)一步發(fā)展。光電二極管PD具有近似人眼視覺靈敏度的感光范圍，將檢測到的光強信號轉(zhuǎn)換為電流信號，然后經(jīng)集成放大器AMP放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)16位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后由I2C接口傳送出去。
BH1710可以應(yīng)用于大范圍的照度檢測，功耗低，應(yīng)用電路簡單易于制作。液晶顯示模塊選型采用LCD液晶顯示器作為顯示單元，液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。與LED數(shù)碼管相比，采用LCD液晶顯示器有以下三個優(yōu)點：①當(dāng)環(huán)境光線強度高時LED數(shù)碼管發(fā)光字體不明顯；②減少LED數(shù)碼管發(fā)光對測量的影響；③用低功耗液晶顯示屏幕有效節(jié)約能源。液晶顯示器具有低工作電壓(3～6V)，功耗小，體積小，重量輕的特點，是其它許多顯示器件無法比擬的。它被廣泛應(yīng)用在各種電子設(shè)備，電氣設(shè)備等多種低功耗產(chǎn)品的設(shè)計中。
本系統(tǒng)選用LM1602液晶顯示模塊。LCD1602是2×16個字符型的液晶顯示模塊。他主要由液晶驅(qū)動器、顯示控制器、LCD顯示器部分和背光燈等幾部分構(gòu)成。LCD顯示系統(tǒng)的核心為HD44780控制器，他本身具有時鐘信號功能，并有著完善的指令系統(tǒng)集，而且他是應(yīng)用最新的低功耗制造技術(shù)制造出來的點陣LCD控制器。液晶的每個顯示位為一個5×7的點陣組成，可以顯示數(shù)字、字母和一些字符等。LCD1602液晶顯示模塊和單片機(jī)的連接十分方便。我們可以采用直接控制或者間接控制兩種方式。直接訪問方式就是把液晶器件作為I/O設(shè)備連接在單片機(jī)的總線上，而液晶控制線則接在單片機(jī)的地址總線上，讀取或?qū)懭脒^程則由單片機(jī)讀寫操作信號來控制；間接控制方式就是把液晶的數(shù)據(jù)線和控制線直接并聯(lián)接在單片機(jī)的接口上，用單片機(jī)編程來實現(xiàn)對液晶的操作，從而達(dá)到控制液晶的目的。本文采用直接訪問方式，LCD1602液晶顯示模塊和單片機(jī)接口。
程序設(shè)計照度計的單片機(jī)程序設(shè)計比較簡單。由于選用的照度傳感器BH1710為數(shù)字型傳感器，使用I2C總線來傳輸數(shù)據(jù)，程序設(shè)計只需編寫I2C通信協(xié)議，讀取其輸出的數(shù)字信號即可。數(shù)據(jù)讀取BH1710為數(shù)字型照度傳感器，器件本身有三種精度模式：高精度、中精度和低精度。其中高精度分辨率為1lx，測量時間120ms；中精度分辨率為4lx，測量時間16ms；低分辨率為32lx，測量時間2.9ms。通過程序向BH1710發(fā)送不同控制指令，即可實現(xiàn)不同模式的選擇。I2C總線連接方式為先發(fā)送起始信號等待應(yīng)答，應(yīng)答成功后發(fā)送地址信號等待應(yīng)答，應(yīng)答成功后開始對從器件進(jìn)行操作。當(dāng)初始化成功后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，讀取后的數(shù)據(jù)存入單片機(jī)存儲器。數(shù)據(jù)顯示程序LCD1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器(CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形。這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B(41H)，顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。
本文是在對BH1710照度傳感器的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計出一種高精度照度計。該照度計以AT89S52單片機(jī)作為控制核心，應(yīng)用了最新數(shù)字型照度傳感器BH1710，電路結(jié)構(gòu)簡單，可以根據(jù)需要設(shè)置不同的測量精度以及工作模式，測量精度最高可達(dá)1lx，可以嵌入到各種需要照度測量的電子儀器中。該照度計還具有低功耗模式，可以嵌入到便攜式電子儀器中。
照度的測量方法測量照度的方法比較簡單，是以整個探測器所接收的光通量除以探測器的面積，即為所測的照度，即：
E=dφ/dA，該量的符號是E，單位為勒克斯(lx)。
照度和人眼的光頻譜效率有關(guān)，因此，根據(jù)探測到人眼的光線的光譜靈敏度與光譜線的效率要相對應(yīng)。而光接收器相對人眼的光頻譜效率取決于人眼的光譜敏感性，所以使用光來匹配探頭。此外，對探測光的光響應(yīng)，與余弦規(guī)則相一致，因此，光探測器也需要余弦校正。余弦校正由光電傳感器、電子放大和讀數(shù)系統(tǒng)組成。由于硒材料的靈敏度比其它探測器更接近人眼的光譜光視效率，在過去的照度檢測中，硒材料被廣泛使用。但由于硅光電元件的靈敏度、穩(wěn)定性和壽命均比硒光電池高，近年來多采用硅光電池或硅光電二極管代替硒光電池做照度計的探測器件。硬件電路設(shè)計，系統(tǒng)總體設(shè)計方案本文以AT89S52單片機(jī)為控制核心，對從照度傳感器BH1710傳來的數(shù)字信號進(jìn)行處理，然后通過液晶屏LCD1602顯示出來。照度傳感器BH1710照度傳感器BH1710FVC具有與人的視覺靈敏度相似的優(yōu)良光譜靈敏度特性，可以測量從黑暗到日光直射環(huán)境的寬范圍的照度，測量照度范圍為1～65535勒克斯。BH1710為16位串行數(shù)字輸出型環(huán)境光傳感器，采用I2C總線接口，可以便捷的與單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信。另外，BH1710內(nèi)置有待機(jī)功能，待機(jī)電流只有0.01uA，有助于便攜式電子機(jī)器朝著低電流化方向更進(jìn)一步發(fā)展。光電二極管PD具有近似人眼視覺靈敏度的感光范圍，將檢測到的光強信號轉(zhuǎn)換為電流信號，然后經(jīng)集成放大器AMP放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)16位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后由I2C接口傳送出去。
BH1710可以應(yīng)用于大范圍的照度檢測，功耗低，應(yīng)用電路簡單易于制作。液晶顯示模塊選型采用LCD液晶顯示器作為顯示單元，液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。與LED數(shù)碼管相比，采用LCD液晶顯示器有以下三個優(yōu)點：①當(dāng)環(huán)境光線強度高時LED數(shù)碼管發(fā)光字體不明顯；②減少LED數(shù)碼管發(fā)光對測量的影響；③用低功耗液晶顯示屏幕有效節(jié)約能源。液晶顯示器具有低工作電壓(3～6V)，功耗小，體積小，重量輕的特點，是其它許多顯示器件無法比擬的。它被廣泛應(yīng)用在各種電子設(shè)備，電氣設(shè)備等多種低功耗產(chǎn)品的設(shè)計中。
本系統(tǒng)選用LM1602液晶顯示模塊。LCD1602是2×16個字符型的液晶顯示模塊。他主要由液晶驅(qū)動器、顯示控制器、LCD顯示器部分和背光燈等幾部分構(gòu)成。LCD顯示系統(tǒng)的核心為HD44780控制器，他本身具有時鐘信號功能，并有著完善的指令系統(tǒng)集，而且他是應(yīng)用最新的低功耗制造技術(shù)制造出來的點陣LCD控制器。液晶的每個顯示位為一個5×7的點陣組成，可以顯示數(shù)字、字母和一些字符等。LCD1602液晶顯示模塊和單片機(jī)的連接十分方便。我們可以采用直接控制或者間接控制兩種方式。直接訪問方式就是把液晶器件作為I/O設(shè)備連接在單片機(jī)的總線上，而液晶控制線則接在單片機(jī)的地址總線上，讀取或?qū)懭脒^程則由單片機(jī)讀寫操作信號來控制；間接控制方式就是把液晶的數(shù)據(jù)線和控制線直接并聯(lián)接在單片機(jī)的接口上，用單片機(jī)編程來實現(xiàn)對液晶的操作，從而達(dá)到控制液晶的目的。本文采用直接訪問方式，LCD1602液晶顯示模塊和單片機(jī)接口。
程序設(shè)計照度計的單片機(jī)程序設(shè)計比較簡單。由于選用的照度傳感器BH1710為數(shù)字型傳感器，使用I2C總線來傳輸數(shù)據(jù)，程序設(shè)計只需編寫I2C通信協(xié)議，讀取其輸出的數(shù)字信號即可。數(shù)據(jù)讀取BH1710為數(shù)字型照度傳感器，器件本身有三種精度模式：高精度、中精度和低精度。其中高精度分辨率為1lx，測量時間120ms；中精度分辨率為4lx，測量時間16ms；低分辨率為32lx，測量時間2.9ms。通過程序向BH1710發(fā)送不同控制指令，即可實現(xiàn)不同模式的選擇。I2C總線連接方式為先發(fā)送起始信號等待應(yīng)答，應(yīng)答成功后發(fā)送地址信號等待應(yīng)答，應(yīng)答成功后開始對從器件進(jìn)行操作。當(dāng)初始化成功后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，讀取后的數(shù)據(jù)存入單片機(jī)存儲器。數(shù)據(jù)顯示程序LCD1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器(CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形。這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B(41H)，顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。
本文是在對BH1710照度傳感器的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計出一種高精度照度計。該照度計以AT89S52單片機(jī)作為控制核心，應(yīng)用了最新數(shù)字型照度傳感器BH1710，電路結(jié)構(gòu)簡單，可以根據(jù)需要設(shè)置不同的測量精度以及工作模式，測量精度最高可達(dá)1lx，可以嵌入到各種需要照度測量的電子儀器中。該照度計還具有低功耗模式，可以嵌入到便攜式電子儀器中。
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