Разработка устройства для измерения освещенности и коэффициента пульсации светового потока

При включении фототранзистора по схеме  с общим эмиттером и отключенной  базе, ток коллектора (выходная величина) определяется из отношения

I_к = (I_ф — I_кбо)/(1 — h_21б),

где  I_ф — фототок инициирующего фотодиода, h_21б — коэффициент передачи тока при включении транзистора в схеме с общей базой.

Таким образом, фототок усиливается в 1/(1 — h_21б) раз, что составляет значение примерно 50 — 300 [32].

Эквивалентная схема фототранзистора представляет собой фотодиод, подключенный к транзистору (Рисунок 6)

 

 

 

 

 

 

 

 

Спектральные  характеристики фототранзисторов практически  идентичны спектральным характеристикам  фотодиодов, изготовленных из тех  же материалов.

Интегральная токовая чувствительность фототранзисторов высока вследствие усиления в 100 — 3000 раз фототока эквивалентного фотодиода. Чувствительность пропорциональна потоку падающего излучения и зависит от тока коллектора. Вольтовая чувствительность фототранзистора сравнима с чувствительностью эквивалентного фотодиода [38].

Фототранзисторы обладают худшей в  сравнении с фотодиодами температурной  стабильностью. Увеличение температуры  с 25°С до 50°С приводит к увеличению тока коллектора у кремниевых транзисторов на 25%, а у германиевых — на 75% [32].

Граничная частота фототранзистора выше граничной частоты фотодиода эквивалентной схемы в (1 — h_21б) раз. Соответственно постоянные времени во столько же раз выше, следовательно фототранзисторы обладают большей инерцией в сравнении с фотодиодами. Это является одним из основных минусов данных приборов для разрабатываемого устройства. Усиление первичного фототока обратно пропорционально собственной постоянной времени, так как усиление достигается за счет увеличения толщины базы при совмещении в структуре фототранзистора фотодиодной и транзисторной областей. Постоянные времени биполярных фототранзисторов составляют 10^-4 — 10^-2 с[32], что является недопустимо низкими значениями, учитывая специфику и функциональные требования к разрабатываемому устройству.

• 4.4. Выводы

Основной величиной в фотометрии является кандел, которая характеризует силу света источника. Люкс же является единицей измерения освещенности. Для получения освещенности в 1 люкс экран площадью 1 м² и имеющий форму сферического сегмента с расстояния 1 м необходимо осветить точечным источником, излучающим во всех направлениях и имеющим силу света 1 канделл. В указанных условиях область пространства, ограниченная прямыми, которые соединяют источник с линией, образующей периметр экрана, представляет собой «телесный угол» в один стерадиан и заключает световой поток в один люмен. Следовательно, освещенность в один люкс соответствует световому потоку в один люмен, падающему на один квадратный метр площади.

Освещенный подобным образом экран  будет отражать, по меньшей мере, часть падающего на него света. Таким образом, он обладает некоторой яркостью, выражаемой в канделах на квадратный метр -единицах, называемых нит (нт). Именно эту яркость измеряют экспонометрами в фотографии, тогда как люксметрами измеряют количество света, падающего на поверхность (например, на рабочий стол). 
 Связь между этими двумя величинами весьма сложна, поскольку основана на отражающих свойствах экрана и зависит от его альбедо (белизны) - величины, характеризующей способность тела отражать падающий на него световой поток, а также от угла наблюдения экрана. К примеру, в фотографии обычно предполагают, что «средний» объект отражает не более 18% падающего на него света.

Для того, чтобы представить примерный  диапазон освещенности, которую требуется  измерять при помощи разрабатываемого устройства, в таблице 2 приведены значения освещенностей, измеренных в различных условиях.

Условия	Освещенность
Солнце в полдень	140000
Солнечный день	100000 - 125000
При киносъемке в студии	10000
Ясное небо (зенит)	6250
Ясное небо (горизонт)	3125
Диапроектор (24 В, 150 Вт/м2)	1000 - 1500
В светлой комнате вблизи окна	100
Рабочий стол	500
На экране кинотеатра	85 - 120
В тени, солнечным днем	425
Необходимое для чтения	30 - 50
Полдень	1875
Сумерки	70
Начало ночи	1,5

Из таблицы видно, что диапазон значения освещенности довольно широкий. Но так как разрабатываемое устройство предназначено в первую очередь для контроля освещенности на рабочих и прилегающих территориях, возможность измерения больших освещенностей не очень значима. Для поставленных целей вполне хватает диапазона в 1000 люкс.

В Таблице 2 приведены основные достоинства  и недостатки рассмотренных выше первичных преобразователей освещенности.

Датчик	Достоинства	Недостатки
Фоторезистор	Высокая чувствительность; спектральная характеристика чувствительности наиболее близкая к чувствительности человеческого глаза; линейность вольт-амперной характеристики	Низкое быстродействие
Фотодиод	Высокое быстродействие; возможность  подключения без внешнего питания; линейность зависимости фототока от светового потока	Максимум спектральной характеристики немного сдвинут в ближнюю  инфракрасную зону
Фототранзистор	Наличие встроенного первичного усилителя  фототока	Низкое быстродейтсвие; зависимость  от температуры

Таблица 2: Достоинства и недостатки первичных преобразователей освещенности

Разрабатываемое устройство должно удовлетворять  требованиям автономности, а первичный  преобразователь освещенности должен в свою очередь быть не только по возможности менее энергоемким, но и обладать высоким быстродействием. Учитывая специфику эксплуатационных условий, наиболее подходящим преобразователем является фотодиод на основе p-i-n технологии, подключенный в фотогальваническом режиме.

5. Разработка функциональной схемы аппаратной части и расчет параметров

Для реализации поставленных задач  необходимо выбрать элементную базу, которая будет не только отвечать техническим требованиям, но и иметь  перспективы развития и модернизации. Также элементная база должна выбираться с учетом требований к техническим и функциональным параметрам разрабатываемого устройства.

Главным компонентом для разрабатываемого устройства является микроконтроллер, который для выполнения поставленных задач должен иметь встроенный аналого-цифровой преобразователь,  иметь малые габариты и обладать низким энергопотреблением,  обладать совместимостью с модулем памяти или обладать встроенным.

В качестве такого микроконтроллера, выбран микроконтроллер фирмы MicroChip    PIC16F877-20. Микроконтроллер выпускается в различных корпусах, в т.ч. в корпусе DIP40 с расстоянием между выводами 2,54 мм. Данный корпус удобен для установки в макетную плату и его удобно паять.

Особенности ядра микроконтроллера:

• Высокопроизводительный RISC-процессор
• Всего 35 простых для изучения инструкций
• Все инструкции исполняются за один такт, кроме инструкций перехода, выполняемых за два такта
• Скорость работы: тактовая частота до 20 МГц;  
  минимальная длительность такта 200 нс
• FLASH память программ до 8K x 14 слов
• Память данных (ОЗУ) до 368 x 8 байт
• ЭСППЗУ память данных до 256 x 8 байт 
• Механизм прерываний (до 14 внутренних/внешних источников прерываний)
• Восьмиуровневый аппартный стек
• Прямой, косвенный и относительный режимы адресации
• Сброс при включении питания (POR)
• Таймер включения (PWRT) и таймер запуска генератора (OSC)
• Сторожевой таймер (WDT) с собственным встроенным RC-генератором для повышения надежности работы
• Программируемая защита кода
• Режим экономии энергии (SLEEP)
• Выбираемые режимы тактового генератора
• Экономичная, высокоскоростная технология КМОП FLASH/ЭСППЗУ
• Полностью статическая архитектура
• Программирование на плате через последовательный порт с использованием двух выводов
• Для программирования требуется только единственный источник питания 5В
• Отладка на плате с использованием двух выводов
• Доступ процессора на чтение/запись памяти программ
• Широкий диапазон рабочих напряжений питания: от 2,0В до 5,5В
• Сильноточные линии ввода/вывода: 25 мА
• Коммерческий и промышленный температурные диапазоны
• Низкое потребление энергии:  
  - < 2 мА при 5 В, 4 МГц 
  - 20 мкА (типичное значение) при 3 В, 32 кГц 
  - < 1 мкА (типичное значение) в режиме STANDBY

Периферия:

• Timer0: 8-разрядный таймер/счетчик с 8-разрядным предварительным делителем
• Timer1: 16-разрядный таймер/счетчик с предварительным делителем, может вести счёт во время спящего режима от внешнего генератора
• Timer2: 8-разрядный таймер/счетчик с 8-разрядным регистром периода, предварительным и выходным делителем
• 2 модуля захвата, сравнения, ШИМ
• Захват 16-ти разрядов, максимальное разрешение 12,5 нс  
  Сравнение 16-ти разрядов, максимальное разрешение 200 нс  
  ШИМ с максимальным разрешением 10 разрядов
• 10-битный многоканальный аналого-цифровой преобразователь
• Синхронный последовательный порт (SSP) с интерфейсами SPI (с Master-режимом) и I²C (с режимами Master/Slave)
• Универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик (USART/SCI) с обнаружением 9-разрядного адреса
• Встроенный генератор опорного напряжения
• Параллельный 8-битный Slave-порт (PSP) со внешними сигналами управления RD, WR и CS (только в 40/44-выводных корпусах)
• Программируемая схема сброса при падении напряжения питания (BOR)

 

Для выполнения измерений в схеме  потребуется  модуль АЦП. Микроконтроллер PIC16F877 обладает встроенным 8-канальным 10-разрядным модулем АЦП. Разрядность модуля позволит производить измерение освещенности в пределах 0-1000 лк с шагом в 1 лк, а скорость его работы позволит производить измерения даже при частоте модуляции сигнала свыше 300 Гц.

Схема аналогового входа АЦП  микроконтроллера PIC16F877 показана на Рисунке 8:

Обозначения: 

C_PIN - входная емкость;

V_T - пороговое напряжение;

I_LEAKAGE - ток утечки вывода;

R_IC - сопротивление соединения;

SS  - переключатель защелки;

C_HOLD - конденсатор защелки.

Для обеспечения необходимой точности преобразования, конденсатор C_HOLD должен успевать полностью заряжаться до уровня входного напряжения. Сопротивления R_S и R_SS непосредственно влияют на время зарядки конденсатора C_HOLD. Величина сопротивления ключа выборки (R_SS)  зависит от напряжения питания V_DD. Максимальное рекомендуемое значение внутреннего сопротивления источника аналогового сигнала 10кОм. При меньших значениях сопротивления источника сигнала -  меньше суммарное время преобразования.

После того, как будет выбран один из нескольких аналоговых входных каналов, но прежде чем будет  производиться преобразование, должно пройти определенное время. Для нахождения данного времени  воспользуетесь Уравнением 1. Это уравнение дает результат с ошибкой в 1⁄2 LSb (2048 шагов АЦП). Ошибка в 1⁄2  LSb, это максимальная погрешность, позволяющая функционировать модулю АЦП с необходимой точностью.

 

T_ACQ   = Время задержки усилителя + Время заряда конденсатора C_HOLD + Температурный коэффициент

= T_AMP + T_C + T_COFF

= 2мкс + T_C + [(Температура - 25°C)(0.05мкс/°C)]

 

T_C  = - C_HOLD (R_IC + R_SS + R_S) Ln(1/2047)

= - 120пФ (1кОм  + 7кОм + 10кОм) Ln(0.0004885)

= 16.47мкс

T_ACQ  = 2мкс + 16.47мкс + [(50°C - 25°C)(0.05мкс/°C)]

= 19.72мкс

После того, как преобразование завершено, необходимо программно обеспечить задержку не  менее 2.0T_AD, прежде чем начнете следующее преобразование. В течение этого времени конденсатор C_HOLD не подключен к выбранному входному каналу АЦП.  Типовое значение времени T_AD RC генератора АЦП равно 4мкс, может варьироваться от 2мкс  до 6мкс.

Из приведенных временных характеристик  следует, что

1. Параметры АЦП позволяют производить измерения примерно 50000 раз в секунду, т. е. намного чаще, чем необходимо
2. При частоте пульсации освещенности в 300 Гц время одного периода пульсации составляет примерно 3,3 мс, и при времени заряда конденсатора C_HOLD = 16,47 мкс эффект усреднения при измерении сводится к минимуму и может не учитываться.

Для хранения результатов измерений  потребуется блок энергонезависимой  перезаписываемой памяти. Микроконтроллер PIC16F877 обладает блоком памяти EEPROM в 256 байт. Для хранения одного результата потребуется 3 байта:

2 байта — значение освещенности (0-1000лк)

+ 1 байт — коэффициент пульсации (0-100%)

Таким образом, встроенного блока EEPROM хватит на 85 измерений и в использовании дополнительного блока нет необходимости.

 Одним из основных элементов схемы  является фоточувствительный элемент. Учитывая специфику эксплуатационных условий, а так же исходя из функциональных требований к разрабатываемому устройству, выбран первичный преобразователь освещенности. Для поставленной задачи наиболее подходит фотодиод ФД-24К.

 

 

 

 

Характеристики ФД-24К:

• Материал полупроводника: кремний
• Предельная рабочая освещенность: 1100
• Предельная кратковременная освещенность: 11000
• Максимум спектральной характеристики при T = 20°±5°C: 0,75 — 0,85 мкм
• Собственная постоянная времени: 10^-5 с
• Максимальный темновой ток при 25°С: 2,5*10^-6 А
• Напряжение шума: 0,61*10^-6 В/Гц
• Интегральная (спектральная) чувствительность: 6 мА/лм
• Пороговая чувствительность: 5*10^-8 лм/Гц^1/2
• Электрическая прочность изоляции выводов: 180 В
• Сопротивление изоляции: 100 мОм
• Емкость: 600 пФ
• Гарантийная наработка: 4000 ч
• Гарантийный срок: 10 лет
• Интенсивность отказов: 5*10^-5 1/час
• Фоточувствительная площадка: 78,5 мм²
• Температурный диапазон: -60...+75°С