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山东省第四届大学生物理科技创新大赛
研究报告
作品名称: 基于光伏效应的高精度光照度测量仪
学校全称:
申报者姓名:
指导教师: 王立刚
类别:
□实验方法研究(A类)
□自制实验教学仪器(B类)
þ物理量智能化测量(C类)
□实验模拟与仿真(D类)
□实用创新(E类)
《基于光伏效应的高精度光照度测量仪》研究报告
摘要:本系统采用层次化、模块化设计,整个系统由数据采集系统、单片机控制系统、液晶显示系统组成。系统以51单片机为核心,照度测量模块使用基于光伏效应的光电二极管为传感器将光信号转换为电流信号,采用积分放大电路将电流信号转换为电压信号,再通过IIC逻辑通信协议供单片机读取。继而显示在单片机终端、发送到上位机。
关键词:光伏效应;光电二极管;积分放大;单片机;上位机
Abstract:The system uses a hierarchical, modular design, the entire system by the data acquisition system, MCU control system, LCD ponents. The MCU system to 51 single-chip illumination measurement module uses the sensor will be based outside the photoelectric effect photodiode optical signal is converted to current signals, current signals are converted to voltage signals using an integrating amplifier circuit, then through the the IIC munication protocol for the microcontroller to read take. Then display the MCU terminal, send to the puter.
Keywords: photovoltaic effect; photodiode; integral amplification; MCU; PC
传统实验检测光强、光照度仪均是使用检流计,通过光电池产生电流信号,通过OP07等运算放大器将电流转换为电压信号,通过AD采样读出电压数字量,这种方法常因光电池、运算放大器、ADC芯片的不稳定性、参数差异等各项因素使得测量结果不理想,静态起伏大,灵敏度不够。本系统采用基于光伏效应的光电二极管,并用积分放大电路,将电流信号进行积分放大,将工频噪声、温度漂移等噪声有效抑制,提高仪器的工作稳定性与准确性。
通过将数据实时发送到电脑上位机端,可以及时将数据以文件形式保存,便于数据的计算机处理、存档。
测量范围:0-54612 lx
积分精度:± lx
测量精度: lx
本系统终端机以单片机为核心,组成一个集光照度数据的采集、处理、显示为一体的系统,其原理框图如图1所示。
系统硬件电路由基于光伏效应的光电二极管作为照度传感,实际上使用罗姆半导体集团的BH1750FVI芯片作为传感器,控制核心采用STC89C52单片机,LCD显示,串口数据发送个模块构成。其总体设计如下:
光照度
测量模块
MCU
控制核心
终端
显示
串口收
发模块
上位机
图1 光照度测量仪原理框图
基于光伏效应的光照度测量模块设计
光伏效应,即半导体P-N结在吸收具有足够能量的入射光子后,产生电子-空穴对,在P-N电场作用下,两者以相反的方向流过结区,从而在外电路产生光电流。如图是光伏效应原理示意图:
图2 光伏效应原理图及伏安特性曲线
为提高测量的稳定性及精度,实际测量时采用罗姆半导体公司生产的数字集成芯片BH1750VFI,测量值可通过单片机编程直接从芯片读出数字量。下图为光照度测量模块原理图,,BH1750为光照度测量主芯片,数据通过IIC协议读出,原理图及其内部原理框图如下:
图3 光照度测量模块实际原理图
图4 光照度测量模块原理框图
PD为光电二极管,AMP为积分运算放大器,后接16位AD转换,通过IIC电路,单片机可直接读出光照度数字量。
下图为光照度计的频谱响应特性和方向感应特性:
图5 光谱响应特性图6 方向感应特性
系统的显示设计采用的是点阵字符型液晶模块LCD12864,由单片机控制输入数据,然后显示。
图