Разработка устройства для измерения освещенности и коэффициента пульсации светового потока

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

 

Кафедра «Информационно-коммуникационные технологии»

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к дипломному проекту

 

 

На тему: «Разработка устройства для измерения освещенности и коэффициента пульсации светового потока»

 

Дипломник Ерёма Михаил Юрьевич

/

Руководитель проекта Сафонов Сергей Николаевич/

 

Допущен к защите_________________2011 г.

 

КОНСУЛЬТАНТЫ ПРОЕКТА:

 

Специальная часть ______________________  С. Н. Сафонов

 

Охрана труда  ______________________  Е. Б. Михайлов

 

Заведующий кафедрой ______________________  В. Н. Азаров

 

 

 

МОСКВА 2011 г.

Аннотация

Тема дипломной работы «Разработка  устройства для измерения освещенности и коэффициента пульсации светового  потока».

Исходя из поставленной задачи, в дипломной работе сформулированы требования к разрабатываемому устройству и выбрана элементная база. Разработана принципиальная схема устройства, программа для микроконтроллера, а так же конструкция печатного узла.

Дипломная работа содержит  134  листа.

Список литературы содержит  38  наименований.

 

Оглавление

 

 

1. Введение

• 1.1. Актуальность темы

Освещение играет немаловажную роль как на производстве, так и в  быту. От него зависит как сохранность  здоровья персонала, так и непосредственно  продуктивность его труда. Неправильное освещение может привести к серьезному ухудшению зрения, повышению утомляемости и, как следствие, снижение эффективности любой деятельности. В помещениях, где выполняются любые виды работ, и прилегающих территориях необходимо во-первых соблюдать определенные правила организации, и во-вторых — следить за уровнем освещенности, а так же уровнем пульсации светового потока от различных источников.  Коэффициент пульсации освещенности (К_п) является характеристикой относительной глубины колебаний освещенности в результате изменения во времени светового потока источников света. Контроль уровня пульсации — очень важная организационная мера, т. к. несоблюдение требований по уровню коэффициента пульсации приводит к повышенной утомляемости, ухудшению зрения, и, как следствие, к ухудшению производственных показателей.

Нормы естественного, искусственного и совмещенного освещения, а также  допустимая глубина пульсации установлены  в Строительных Нормах и Правилах (СНиП 23-05-95) [1], а способы измерения  освещенности на территориях, на которые  распространяется действие СНиП 23-05-95, установлены в ГОСТ 24940-96, который является частью Системы Стандартов Безопасности Труда [2].

Для измерения освещенности и его  параметров существуют следующие приборы:

• Экспонометры — устройства для контроля освещенности при фото- и видео-съемке [3].
• Люксметры — прибор для измерения освещенности, преобразующий с помощью фотодатчика световую энергию в энергию электрического тока, и отображающий значение фототока на шкале, градуированной в люксах [4]. Они представляют собой устройства для контроля норм освещенности в промышленных помещениях в целях обеспечения соблюдения стандартов по охране труда.

Некоторые люксметры также предназначены  для измерения пульсации светового  потока. Главные недостатки таких  устройств — довольно высокая стоимость, а также небольшой ассортимент на рынке. Подробно эти приборы будут рассмотрены в 3 главе.

• 1.2. Задача

Задача дипломного проекта заключается  в разработке функциональной и принципиальной схем устройства, позволяющего произвести измерение освещенности в установленных пределах, а также коэффициента пульсации светового потока с погрешностью, не превосходящей установленной в ГОСТ 24940-96. Также в задачи проекта входит разработка программы для микроконтроллера и конструкции печатной платы.

Разрабатываемый макет должен отвечать следующим требованиям:

• Измерение освещенности в видимой области спектра
• Процентное измерение коэффициента пульсации
• Измерительная схема должна производить измерения с погрешностью, не превышающей установленную в СНиП  ГОСТ 24940-96
• Представление результатов измерений оператору при помощи цифрового дисплея
• Интерфейс взаимодействия оператора с устройством, позволяющий:
• производить измерения
• сохранять результат последнего измерения
• просматривать результаты прошлых измерений
• производить очистку памяти
• Показания коэффициента пульсации отображаются в процентах
• Автономность
• Ремонтопригодность
• Безопасность

2. Анализ задания

Перед началом разработки необходимо в первую очередь проанализировать требования к функциональным параметрам прибора, чтобы сформировать концепцию конструирования устройства. Важно перед началом разработки учесть все факторы, чтобы в процессе разработки не возникало необходимости выполнения лишних шагов.

• 2.1. Анализ требований к функциональным параметрам

Основной задачей микроконтроллерного устройства мониторинга освещенности является контроль качества обустройства рабочих мест и соблюдения правил охраны труда в различных помещениях. Поэтому основными свойствами разрабатываемого устройства должны быть: малые габариты,  автономное питание, работа в автономном режиме длительное время и низкая стоимость.

Для разработки устройства для измерения  освещенности и коэффициента пульсации  освещенности необходимо, в первую очередь, представлять какими параметрами  должен обладать фоточувствительный элемент. Для этого нужно определить в каких пределах необходимо проводить измерения. Чтобы это понять, нужно обратить внимание на условия эксплуатации, а именно какие значения освещенности устанавливает СНиП 23-05-95. Параметры освещенности нормируются в зависимости от разряда зрительной работы. Разряд зрительных работ с самой высокой требуемой точностью — I, последний разряд — VIII, который требует наименьшей точности и, соответственно, менее требователен к уровню освещенности.

Характеристика зрительной работы	Наименьший эквивалентный разрмер  объекта различения, мм	Разряд зрительной работы	Освещенность, лк (при системе комбинированного освещения)	КП, %
Наивысшей точности	< 0,15	I	1250¸5000	10
Очень высокой точности	0,15¸0,30	II	750¸4000	10
Высокой точности	0,30¸0,50	III	400¸2000	15
Средней точности	0,5¸1,0	IV	400¸750	20
Малой точности	1¸5	V	200¸400	20
Грубая	>5	VI	200	20
Работа со светящимися элементами и в горячих цехах	>0,5	VII	200	20
Наблюдение за ходом произв. процесса		VIII	20¸200	20

Таблица 1: Нормы освещенности [1]

 

Значение освещенности, указанное  в соответствующей графе, зависит  от подразряда зрительных работ, который  определяется характеристиками фона, а также от контраста объекта и фона.

Так как разрабатываемый прибор предназначен для применения в лабораториях, в  которых не ведутся работы с разрядом I или II, можно сделать заключение, что предела измерений в 1000 лк вполне достаточно для удовлетворения потребностей лаборатории.

Для измерения освещенности следует  использовать люксметры с измерительными преобразователями излучения, имеющими спектральную погрешность не более 10%, определяемую как интегральное отклонение относительной кривой спектральной чувствительности измерительного преобразователя излучения от кривой относительной спектральной световой эффективности монохроматического излучения для дневного зрения [2].

Достичь требуемых пределов можно  различными способами. Во-первых имеет  значение чувствительность фотоэлемента. Различные фотоэлементы имеют разные уровни чувствительности, что определяется как типом элемента, так и материалом полупроводников. Также разные фотоэлементы имеют разные уровни максимальной засветки, что тоже необходимо учитывать при выборе фотоэлемента. Регулировка пределов измерений может осуществляется с помощью изменения сопротивлений в измерительной схеме. При использовании резисторов с различным номиналом, возможно обеспечение нескольких диапазонов измерений. Ещё один способ изменения пределов измерения — специальные светопроницаемые насадки для создания общего номинального коэффициента ослабления.

Существует несколько разновидностей фотоэлементов.

• Фоторезистор — полупроводниковый прибор, изменяющий величину своего сопротивления при облучении светом [5].
• Фотодиод — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе [6].
• Фототранзистор — транзистор (обычно биполярный), в котором инжекция неравновесных носителей осуществляется на основе внутреннего фотоэффекта; служит для преобразования световых сигналов в электрические с одновременным усилением последних [7].

Фотодиод может работать в фотодиодном  и фотогальваническом режимах.

В фотодиодном режиме p-n-переход  смещается обратным напряжением, величина которого зависит от конкретного  фотодиода. Чем больше напряжение, тем  быстрее он будет работать и тем  большие токи будут протекать  через него. Недостатком фотодиодного режима является усиление шумов при увеличении освещенности и постоянный при этом уровень полезного сигнала [8].

В фотогальваническом режиме к диоду  не прикладывается никакое напряжение, фотоэлемент сам становится источником ЭДС с большим внутренним сопротивлением. Недостатком этого режима противоположен предыдущему — при увеличении освещенности шум остается постоянным, в то время как полезный сигнала уменьшается [8].

В фотогальваническом режиме ток короткого  замыкания в фотодиоде будет  прямо пропорционален освещенности. Значит, он в полном смысле является люксметром. Но все не так просто, поскольку следует учитывать спектральную чувствительность фотодиода [9].

Так как работа устройства требует  преобразования непрерывных значений освещенности в электрический сигнал, микроконтроллер должен обладать встроенным модулем АЦП. Принимая во внимание такое основное требование к разрабатываемому устройству, как малые габариты, в основу устройства надо закладывать микроконтроллер малых габаритов. Для поставленной задачи отлично подходят маловыводные микроконтроллеры, которые помимо маленького размера имеют низкое рабочее напряжение, что способствует автономности.

Для представления результатов  измерений оператору устройство должно быть оснащено цифровым дисплеем. На дисплее должна отображаться информация об уровне освещенности в люксах, а также информация о коэффициенте пульсации в процентах. Кроме того, устройство должно быть оснащено элементами управления, позволяющими оператору инициировать процесс измерения, сохранять результат последнего измерения, а также просматривать результаты прошлых измерений.

Так как устройство должно быть автономным, т.е. оператор должен иметь возможность  свободно перемещаться по территории, питание должно осуществляться при  помощи гальванической батареи.

На основании поставленной задачи и анализа требований к функциональным параметрам разрабатываемого устройства можно сделать заключение, что  устройство должно обладать следующими параметрами:

1. Устройство должно измерять освещенность в видимом спектре частот (длины волн 380-780 нм).
2. В указанном спектре частот должна быть возможность измерения уровня освещенности в пределах от 0 до 1000 лк.
3. Датчик — первичный преобразователь освещенности должен обладать хорошей интегральной чувствительностью в указанном спектре частот.
4. Для измерения коэффициента пульсации освещенности при частоте пульсации до 300 Гц необходимо чтобы:
1. Фоточувствительный элемент обладал достаточным быстродействием
2. Модуль АЦП обладал достаточным быстродействием
3. Захват значения освещенности модулем АЦП происходил достаточно быстро, чтобы избежать эффекта усреднения при измерении.
3. Измерение освещенности должно производиться в пределах от 0 до 1000 лк с абсолютной погрешностью не более 5% [2].
4. Измерительная схема должна быть построена на основе операционного усилителя.
5. Устройство должно обладать энергонезависимой перезаписываемой памятью для хранения не менее 50 результатов измерений.
6. Устройство должно обладать малым энергопотреблением. Напряжение питания элементов не должно превышать 5 В.
7. На устройстве должны быть реализованы элементы управления:
1. кнопка «Включение»
2. кнопка «Измерить»
3. кнопка «Сохранить»
4. для режима просмотра: кнопки «Предыдущий результат» и «Следующий результат»
5. кнопка «Очистить память»
8. Для отображения информации устройство должно быть оснащено графическим или знакогенерирующим дисплеем. Размер дисплея должен удовлетворять требованиям по объему отображаемой информации.
9. Программа для микроконтроллера должна быть разработана с учетом всех функциональных требований.