Разработка устройства для измерения освещенности и коэффициента пульсации светового потока

Большая площадь рабочей поверхности  делает фотодиод очень чувствительным в сравнении со стандартными фотодиодами. В технической характеристике токовая  чувствительность приведена без  учета эффективной площади фотодиода, а просто дана зависимость фототока от попадающего на фотодиод светового потока. Чтобы посчитать зависимость фототока от освещенности, выраженной в люксах, необходимо приведенную величину умножить на площадь фотодиода, или 6000 * 78 / 10⁶, что в результате дает 0,468 мкА/лк.

Собственная постоянная времени данного  фотодиода составляет 10^-5 с, что дает возможность производить циклы измерений освещенности с необходимой частотой, заявленной в требованиях к разрабатываемому устройству.

Функциональная измерительная схема с использованием фотодиода и операционных усилителей показана на Рисунке 10.

 Разность напряжений на входах дифференциального усилителя всегда близка к нулю, следовательно, фотодиод работает в режиме короткого замыкания. При этом входной ток усилителя также имеет очень малую величину, что определяется высоким входным сопротивлением, а ток через резистор обратной связи равен по величине току фотодиода, но противоположен по направлению.

Выходное напряжение в таком  случае будет определяться как

U = - R1*I,

где R1 - сопротивление резистора  в цепи обратной связи, а I - фототок, формируемый фотодиодом.

При однополярном питании от +5 В  нужно учитывать, что операционные усилители, используемые в схеме, должны работать корректно. Для данной схемы были выбраны операционные усилители фирмы Microchip MCP6001. Темновой ток фотодиод равен нулю, но при нулевом входном сигнале при однополярном питании выбранный операционный усилитель не может сформировать выходное напряжение ниже 25 мВ. Поэтому в схему было введено смещение входного сигнала операционного усилителя, реализованное путем подачи на неинвертирующий вход положительного потенциала. Следовательно, темновой ток в схеме превышает значение 25 мВ и таким образом ликвидируется «слепая» зона измерений. Полученное смещение уравнивается вычитанием величины этого смещения из результатов преобразований, произведенных в АЦП, программно в микроконтроллере.

Для отображения информации об измерениях был выбран знакогенерирующий дисплей 4х20 LM044L на основе контроллера HD44780. Контроллер имеет 2 вывода питания (GND, +5В) один вывод — регулятор контрастности, 3 управляющих вывода и 8-выводную шину данных. Встроенный знакогенератор также поддерживает кириллицу.

Для питания компонентов схемы  решено использовать одну гальваническую батарею 9 В. Так как все элементы схемы питаются от напряжения в +5 В (в т.ч. на входе АЦП U_REF+ должно быть ровно 5 В, иначе измерения не будут корректны), в схеме необходимо также использовать преобразователь напряжения и источник опорного напряжения в +5 В. В качестве источника опорного напряжения выбран элемент TL431. Данный элемент является  стабилитроном с регулируемым двумя внешними резисторами выходным значением напряжения от +2,4 до 36 В.

6. Разработка принципиальной схемы  устройства

На основе функциональной схемы  разработана принципиальная схема  устройства. Она представлена в Приложении А.

• 6.1 Назначение контактов используемых в устройстве микросхем

 

MCP6001:

 

 

 

 

 

 

 

 

PIC16F877:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

LM044L:

TL431:

7. Разработка программы для микроконтроллера

 В соответствии с функциональными  требованиями к разрабатываемому устройству разработана программа для микроконтроллера, позволяющая пользователю производить  циклы измерений освещенности, расчет коэффициента пульсации освещенности, вывод на экран результатов измерений, сохранение результатов в энергонезависимую память, просматривать результаты измерений, производить очистку памяти. Упрощенный алгоритм работы устройства показан на Рисунке 12.

Полная блок-схема программы, разработанной для микроконтроллера, приведена в Приложении Б.

Листинг программы для микроконтроллера приведен в Приложении В.

Разработка и отладка программы, а также моделирование работы устройства производилось в среде  разработки Proteus v7.7.

Кроме того, что Протеус обладает большой библиотекой элементов с регулируемыми параметрами, позволяющую смоделировать работу практически любой схемы, она также позволяюет моделировать работу довольно большого количества микроконтроллеров. С помощью встроенных компиляторов можно генерировать исполняемые HEX-файлы и загружать их в виртуельную память программ контроллеров. Программа также обладает очень удобным интерфейсом для пошаговой отладки исходного кода прямо во время моделирования.

Ниже приведены скриншоты программы

 

Так выглядит разработанная схема, смоделированная в протеусе. Так  как программно невозможно смоделировать  работу фотодиода, вместо него в схеме  для моделирования используется генератор напряжения, т.к. в фотогальваническом режиме фотодиод фактически является генератором э.д.с.

При освещенности в 1000 лк фотодиод ФД-24К  генерирует на входе операционного  усилителя э.д.с. величиной -430 мВ. На скриншоте выше приведен пример, когда  освещенность синусоидально меняется от 0 до 1000 лк с частотой в 300 Гц.

 

Так выглядит дисплей после нажатия кнопок «изм» и «сохр». Экран просмотра прошлых измерений выглядит следующим образом:

 

8. Разработка конструкции печатного  узла

В соответствии с техническим заданием к данному дипломному проекту  разработана конструкция печатного  узла разрабатываемого устройства. Она представлена в Приложении Г.

Разработка конструкции печатного  узла, а также трассировка печатной платы производилась средствами пакета ARES, являющегося компонентом Proteus.

Средства данной среды позволяют  производить экспорт корпусов элементов и связей между ними непосредственно из компонента ISIS, предназначенного для отладки и моделирования работы схемы в компонент ARES нажатием одной кнопки.

Среда разработки позволяет производить  расстановку и трассировку маршрутов  как вручную, так и автоматически или совмещать ручную расстановку и трассировку.

Перед автоматической трассировкой можно  создать правила трассировки, которые  будут автоматически соблюдены. Если правила соблюсти не удается, необходимо произвести расстановку элементов  заново и повторить операцию трассировки.

Правила трассировки представляют собой минимально допустимые зазоры между элементами платы. При автоматической трассировке использовались следующие  правила:

• Контактная площадка – контактная площадка: 0,254 мм
• Контактная площадка – трасса: 0,508 мм
• Трасса – трасса: 0,508 мм
• Графика: 0,508 мм
• Край – прорезь: 0,508 мм

 

Кроме того, перед трассировкой можно  выбрать виды и типы трасс и  переходных отверстий.

Для данной разводки выбраны следующие  параметры:

• Переходные отверстия – нормальные, 1,27 мм
• Ширина трасс – 0,3 мм

 

 

9. Разработка программы и методики  испытаний

• 9.1 Введение

Данная методика распространяется на разрабатываемое в данной работе устройство, предназначенное для  измерения уровня освещенности и  коэффициента пульсации источников излучения.

Методика устанавливает методы и средства первичной поверки.

Поверка приборов производится по каждому  измерительному каналу в отдельности.

• 9.2 Требования безопасности

При проведении поверки необходимо соблюдать требования “Правил технической эксплуатации установок потребителей”, 1986 г.

Поверку могут производить операторы, имеющие группу по электробезопасности  не ниже III, а также прошедшие инструктаж на рабочем месте по безопасности труда. При работе с источниками УФ излучения необходимо использовать средства защиты персонала от УФ излучения (защитные очки, щитки, перчатки и т.п.) ГОСТ 12.4.013-85.

• 9.3 Условия поверки

При проведении поверки должны быть соблюдены условия эксплуатации эталонных средств измерения, а  также следующие нормальные условия эксплуатации разработанного устройства:

Температура окружающей среды, С°: 20±5

Атмосферное давление, кПа:  90,6¸104,8

Относительная влажность, %  30¸80

• 9.4 Измерительный канал освещенности

• 9.4.1 Операции поверки

При проведении поверки выполняются следующие операции:

• Внешний осмотр и опробование
• Проверка градуировки измерительного канала
• Проверка линейности
• Проверка коррекции
• Определение основной относительной погрешности измерения освещенности

• 9.4.2 Средства поверки

9.4.2.1 При проведении поверки должны быть применены средства, указанные в таблице:

Номер пункта методики	Наименование средств измерения, используемых при поверке
9.4.4.2	Фотометрическая скамья, группа эталонных  фотометров, светоизмерительные лампы  типа СИС, или группа эталонных светоизмерительных ламп в комплекте со средствами  обеспечения и контроля рабочего режима
9.4.4.3	Фотометрическая скамья, светоизмерительные лампы  типа СИС, нейтральный ослабитель с коэффициентом пропускания  т = 0,4 - 0,6, светосильный  объектив.
9.4.4.4	Установка для измерения спектральной чувствительности фотоприемников оптического  излучения в  диапазоне (350 – 1100) нм, включающая в себя: диспергирующую систему, блок источников излучения, каналы образцовых и измеряемых приемников, систему регистрации и контроля и группу образцовых детекторов.

Таблица 3: Средства поверки

9.4.2.2 Допускается применение в  комплексах обеспечения и контроля  других средств измерений класса  на хуже 0,1, не приведенных в  таблице, но обеспечивающих определение метрологических характеристик с требуемой точностью.

9.4.2.3 Все средства  поверки должны иметь действующие  свидетельства о поверке.

• 9.4.3 Подготовка к поверке

Перед проведением поверки выполняются  следующие подготовительные работы:

• Создаются условия для применения средств поверки, указанных в Таблице 2;
• Средства поверки подготавливаются к работе в соответствии с НД на них.

• 9.4.4 Проведение поверки

9.4.4.1 Внешний осмотр и опробование.

9.4.4.1.1 При внешнем осмотре проверяется  комплектность прибора в соответствии  с паспортом.

9.4.4.1.2 Прибор не допускается  к поверке, если:

• на корпусе фотометрической головки или на корпусе блока обработки сигналов имеются  механические повреждения;
• имеются трещины или сколы на оптических элементах фотометрической  головки.

9.4.4.2 Проверка градуировки.

9.4.4.2.1 Проверку градуировки осуществляется  с помощью комплекса из группы  эталонных фотометров и источника  света в качестве компаратора  - светоизмерительной лампы с цветовой температурой 2856 К, или с помощью группы эталонных светоизмерительных ламп типа СИС.

9.4.4.2.2 При проверке  градуировки  с помощью группы фотометров  и светоизмерительной лампы в  качестве компаратора,  фотометрическая  головка устанавливается на  скамье таким образом, чтобы показание прибора N составило значение 200 - 300 лк,  и фиксируется расстояние L между лампой и входным окном фотометрической головки.

9.4.4.2.3 Эталонный фотометр устанавливается  на расстоянии  L от лампы вместо поверяемого прибора и определяется освещенность Е по формуле:

,

где:   i -  реакция фотометра,

          S - коэффициент преобразования фотометра.

9.4.4.2.4 Измерения по п. 7.4.2.3. проводятся  для трех фотометров и находят  среднюю освещенность Е ср. по формуле:

,

где: Е₁, Е₂, Е₃ - освещенности, определенные с помощью 1, 2, 3 - го фотометра.