光照度检测仪的设计★

王莹莹，徐玉珍，洪 耀，叶国文

（丽水学院工学院，浙江丽水 323000）

0 引言

光是人类眼睛可以看见的一种电磁波，是生物生长和发育的必要条件之一，它对于世间万物有着不可或缺的影响。光照度与我们的生活息息相关，光照度的大小对我们的工作和生产都有很大的影响，如隧道、广场、场馆、工业现场、野外、水下（包括海底）等场所全天候的光度（照度或亮度）等地的照度不足，连续工作会引起视觉疲劳，大大降低工作效率，所以有必要对以上场所利用光照检测仪进行光照度测量控制。

光照度检测仪是基于光探测器的照度测量仪表，是光强测量中用得最多的仪器之一，广泛应用于商业和工厂的照度测量。光照度检测仪也是照明设计和节约能源最基本的测量仪器。随着国民经济发展，特别是近年来工农业发展迅速，正在大量地使用各类光度仪器特别是光照度计，用来测量环境的照明情况。光照度检测仪是一种简易便携式的测量光强度的仪器，能快速准确地将所测量光的强度以数据的形式显示出来。

1 系统设计及工作原理

光照度检测仪原理框图如图1所示。

图1 光照度检测仪原理框图

此设计系统主要包括3个部分：光照度变送器，光照度检测板，光照度显示器。具体是以光亮度采样芯片将当前的光照度数据转换成二进制值，通过两线制接口传送给单片机，单片机将采样芯片送来的数据进行补偿算法获得精确实际采样值。“光照度变送器”将采集到的外界自然光转换为相应的直流电压信号。“光照度检测板”采集“光照度变送器”输出的电压信号并转换为数字信号。“亮度显示器”定时去读取“光照度检测板”的转换数据，做平均值计算得出光亮度值并在显示面板上显示照度数值。“光照度检测板”和“亮度显示器”之间采用RS485通讯方式来实现数据传递。“亮度显示器”有两个信号接口分别为：“D～AC数模输出接口“接到LED灯调光器的信号输入端（LED调光器接收DC0～5V的直流电压信号）。

2 硬件电路设计

本系统采用ATMEGA8单片机作为控制核心，控制系统主要包括RS485接口及变送器通讯、光照度监测板、A/D转换器、光照度显示器。

系统硬件设计如图2所示。

图2 系统硬件设计图

本设计采用了Atmel公司的单片机Atmega8作为控制核心。Atmega8是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其指令集以及单时钟周期指令执行时间，Atmega8 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

CPU的31、30脚为串行通讯口，28脚接RS485的收发控制端。

本系统要保证下位机的数据高速、及时、准确地传送至单片机，RS485接口能更好满足本类系统的要求。

CPU的23脚为ADC采样输入端实时采样光亮度传感器信号接收调理电路。

本系统使用的传感器是JCJ100P照度变送器。

JCJ100P照度变送器以标准模拟电压或电流变送器输出，标准RS-232或485通信接口，并可直接配接计算机。其技术参数：工作电压 1.12VDC±10% 2.24VDC±10% 照度传感器硅蓝光伏探测器测量范围 1.0～2 000Lux（中低照度）2.0～20,000Lux（中高照度）3.0～200,000Lux（强光源）准确度±7% 输出信号 0～5VDC 4～20 mA（两线制），其通讯协议采用标准MODBUS通讯协议，在使用组态软件时，须选用的设备为MODICON（莫迪康）的PLC，MODBUS-RTU设备。

此系统采用USART通用同步和异步串行接收器和转发器，它是一个高度灵活的串行通讯设备。

显示电路的设计：本系统选用普通数码管显示模块，用来显示此时光照度数值。

3 系统软件的设计

该光照度系统的软件设计采用了结构化和模块化的设计方法，便于功能扩展，软件设计采用C语言编写。主要有以下几个模块：传感器数据采集模块，光亮度检测模块，通讯接口模块，光亮度显示模块。

此系统程序首先是对单片机系统的初始化，启动ADC转换功能，取多次采样值的平均值为实际采样数据，并转化为与亮度变送器对应的十六进制亮度单位数值，然后以光亮度采样芯片将当前的光照度数据转换成二进制值通过两线制接口传送给单片机，单片机将采样芯片送来的数据进行补偿算法获得精确实际采样值。“光照度变送器”通过其内部传感器转换将采集到的外界自然光转换为相应的直流电压信号。“光照度检测板”采集“光照度变送器”输出的电压信号并转换为数字信号。“亮度显示器”定时去读取 “光照度检测板”的转换数据，做平均值计算得出光亮度值并在显示面板上显示照度数值。

系统软件主框图如图3所示。

图3 系统软件主框图

4 现场测试结果

本设计的光照度检测仪测量范围在0Lux～9999Lux，精确度为1Lux，测量误差为±5Lux。在相同的照明条件下，本光照度检测仪和标准照度计（TES-1332A照度计，测量范围在0Lux～2000Lux，分辨率0.1 Lux）的测量值比较，见表1。根据数据比较得出光照检测仪的误差在±5Lux以内，设计合格。

表1 标准照度计和光照检测仪的测量值比较

5 结论

本文设计的光照度计测量仪，具有自动量程转换功能、测量精度高、成本低等优点，经测试，该仪器各指标均达到设计要求，是一款性价比较高的光照度检测仪。

[1]朱小清,詹云翔.光度测量技术及仪器[M].北京:中国计量出版社,2007:16-18.

[2]李行善,左毅,孙杰,等.自动测试系统集成技术[M].北京:电子工业出版社,2004: 8-9.

[3]叶国文.基于单片机的温湿度变送器的设计[J].微计算机信息,2008,24(23):126-128.

[4]白泽生,白宗文.一种简易光照度检测电路的设计[J].现代电子技术,2006(11): 91-92.

[5]王莘之.单片机应用系统抗干扰技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2000:10-13.

[6]刘彬,张秋掸.光电检测前置放大电路的设计[J].燕山大学学报,2003,27(3):193-196.

[7]曹国华,高艺.高速嵌入式单片机与接口技术[M].北京:国防工业出版社,2005:9-24.

[8]钟波,丁永刚.基于ATMEGA8的温湿度系统的设计[J].电子测试,2009(3):43-46.