基于ELVIS光电池照度计设计

光照度计的设计⽣产实习报告书系部名称：学⽣姓名：专业名称：班级：时间：1．⽣产实习题⽬光照度计的设计、仿真与制作 2．任务和要求（1）利⽤硅光电池将接收到的光信号转换成电信号；（2）利⽤A ／D 转换器ICL7107将输⼊的模拟电压信号转化成数字信号；（3）通过LED 共阳极数码管将该输出值直接显⽰，由此构成数字照度计。

3．总体⽅案的选择4．单元电路的设计照度是受光照平⾯上接受的光通量的⾯密度。

数字照度计是⽤于测量被照⾯上的光照度的仪器，是光学测量中⽤得最多的仪器之⼀。

本设计的照度计由光度头和读数显⽰器两部分组成。

（1）光度头的设计硅光电池是⼀种能将光能直接转换成电能的半导体器件。

它实质上是⼀个⼤⾯积的半导体PN 结。

硅光电池的基体材料为⼀薄⽚P 型单晶硅，其厚度在0.44mm 以栅状电极下，在它的表⾯上利⽤热扩散法⽣成⼀层N 型受光层，基体和受光层的交接处形成PN 结。

在N 型受光层上制作有栅状负电极，另外在受光⾯上还均匀覆盖有抗反射膜，它是⼀层很薄的天蓝⾊⼀氧化硅膜，可以使电池对有效⼈射光的吸收率达到90%以上，并使硅光电池的短路电流增加25%-30%。

硅光电池的⼯作原理是光⽣伏特效应。

当光照射在硅光电池的PN 结区时，会在半导体中激发出光⽣电⼦⼀空⽳对。

PN 结两边的光⽣电⼦⼀空⽳对，在内电场的作⽤下，属于多数载流⼦的不能穿越阻挡层，⽽少数载流⼦却能穿越阻挡层。

结果，P 区的光⽣电⼦进⼊N 区，N 区的光⽣空⽳进⼊p 区，使每个区中的光⽣电⼦⼀空⽳对分割开来。

光⽣电⼦在N 区的集结使N 区带负电，光⽣电⼦光电转换前置放⼤A/D 模数转换器7107数码管显⽰在p区的集结使P区带正电。

P区和N区之间产⽣光⽣电动势。

当硅光电池接⼈负载后，光电流从P区经负载流⾄NE，负载中即得到功率输出。

图3是光电池的⼯作原理框图，光电池把接收到的光信号转变为与之成正⽐的电流信号，再经I/V转换模块把光电流信号转换成与之成正⽐的电压信号。

高精度照度计的设计的开题报告引言：随着人们对光环境的重视，照明工程的应用不断扩大，人们对光学量的测量也越来越重要，例如照度的测量。

在照明工程中，照度是评价照明质量的重要参数。

在实际生活中，由于光的强度和照度的变化很大，所以需要一些专业的照度计来测量。

随着科技的发展和智能化的推广，高精度照度计的需求也越来越大。

因此，本文旨在探讨一种设计高精度照度计的方法。

照度计的基本工作原理：照度计是一种检测照度的仪器。

在测量照度的时候，主要以光敏电阻、光电二极管和硅光电池为主要测量元件。

当其接受到光线时，就会发生光电转换，将光子转化为电子，相应的电压数值就会变化，这时候就可以根据这个变化来测量照度。

高精度照度计的设计：高精度照度计的设计主要分为三个部分：硬件设计、控制电路设计和数据传输设计。

1.硬件设计：硬件设计包括传感器模块和滤光片模块。

传感器模块采用硅光电池作为测量元件，其优点是精度高，测量范围广。

滤光片模块采用多层滤光片，以保证测量的精度和准确性。

2.控制电路设计控制电路设计主要是将信号放大，采用可变放大器来调节信号大小。

同时，为了降低噪声，需要使用低噪声放大器。

控制电路还需要包括一个AD转换器，将电信号转换为数字信号，并通过微控制器来处理数字信号。

3.数据传输设计数据传输设计包括以多种方式传输测量数据，例如通过蓝牙或Wi-Fi 与计算机或手机连接，或者通过串口或并口与计算机通信。

总结：本文提出了一种高精度照度计的设计方案，其主要特点在于采用硅光电池作为测量元件，多层滤光片模块来保证精度和准确性，可变放大器和低噪声放大器来控制信号，采用AD转换器和微控制器来处理数据，并通过蓝牙和Wi-Fi等多种方式来传输数据。

通过这种设计，可以满足不同测量需求的商业和科研用途。

文章编号：1005-5630(2021)01-0056-07DOI : 10.3969/j.issn.1005-5630.2021.01.009基于单片机的模拟光照度计设计刘建钊1,2，王 宁1,2（1．上海理工大学 上海市现代光学系统重点实验室，上海 200093；2．上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093）摘要：为了能使照度计显示照度的同时，将照度值所对应的感应电压值也显示出来，方便对光电探测器的工作状态进行实时监测，设计了基于单片机的模拟光照度计。

对该光照度计的光电转换电路、放大滤波电路、A/D 转换电路、显示电路以及报警电路进行了设计，搭建了硬件电路系统，做出了光照度计的实物，并完成了对实物的调试工作。

实验证明，所设计的光照度计可有效显示感应电压值。

关键词：感应电压；照度测量；单片机；实物调试中图分类号：TK 01+9 文献标志码：ADesign of analog illuminometer based onsingle chip microcomputerLIU Jianzhao 1,2，WANG Ning1,2（1. Shanghai Key Laboratory of Modern Optical System, University of Shanghai forScience and Technology, Shanghai 200093, China;2. School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai forScience and Technology, Shanghai 200093, China ）Abstract: In order to display the luxmeter of illumination and the induced voltage of illuminance,we design illuminometer based on a single chip microcomputer simulation, and the photoelectric conversion circuit, amplifier filtering circuit, A/D conversion circuit, display circuit and alarm circuit. The hardware circuit system is built. The debugging is completed. Experiments show that the system of illuminometer can display the induced voltage effectively.Keywords: induced voltage ；illumination measurement ；single chip microcomputer ；physical debugging收稿日期 ：2020-11-05基金项目 ：国家自然科学基金（61804096）；国家重点研发计划（2017YFB0503102、2018YFC1313803、2018YFA0701800）作者简介 ：刘建钊(1997—)，男，硕士研究生，研究方向为光电检测。

基于ELVIS光电池照度计设计学士北方民族大学学士学位论文论文题目:基于ELVIS光电池照度计设计系(部)名称:电气信息工程学院学生姓名:葛良均专业:测控技术与仪器学号: 20070028指导教师姓名:盛洪江论文提交时间:2011年5月 21日论文答辩时间:2011年5月28日学位授予时间:北方民族大学教务处制摘要虚拟仪器(Ⅵ) 是计算机技术和传统的仪器仪表技术相结合的产物,是仪器发展的一个重要方向。

与传统仪器技术不同，虚拟仪器技术指在包含数据采集设备的通用计算机平台上，根据需要可以高效率地构建起形形色色的测量系统。

对大多数用户而言，主要的工作变成了软件设计。

LabVIEW是一个基于图形化编程语言的虚拟仪器软件开发工具，本文阐明了运用LabVIEW图形化编程语言开发虚拟照度计的设计过程。

它是利用硅光电池将接收到的光信号转换成电信号，然后利用A／D转换器将输入的模拟电压信号转化成数字信号，再将采集到的数字信号送到设计好的虚拟照度计中进行运算处理后显示。

通过显示的电压和对应采集的标准照度进行数据标定，再经过最小二乘法对两组数据进行直线拟合，通过拟合的数值进行反求照度就达到了测量照度的目的。

关键词：LabVIEW,照度计,数据采集ABSTRACTVirtual instrument (VI) is the combination of the computer technology and the traditional instruments technology, is an important direction in the development of instrument. With traditional instruments, the virtual instrument technology means that on the general-purpose computer platform which contains data acquisition device, according to needs, you can construct various measurement system efficiently. For most users, the main work is a software design.LabVIEW is a programming language based graphical of virtual instrument software development tools, this paper expounds LabVIEW graphical programming language used to develop virtual design of the digital filter process. Silicon pv changes the optical signal into the electronic signa1．The analogy voltage is changed to digital one by the A／D(analog to digita1)converter.Then sent the collected digital signal to the virtual illuminance meter for operational treatment display.By displaying the voltage and the corresponding data collected by calibrated standard illumination, go through the least square method linear fit two sets of data, Values by fitting an anti-seeking illumination illumination to achieve the purpose of measurement.KEY WORDS: LabVIEW，Illuminance meter ，Data Acquisition目录第1章照度计及虚拟仪器概述 (2)1.1照度的定义 (2)1.2 照度计的作用 (2)1.3 虚拟仪器简介 (3)1.4 虚拟仪器的发展 (4)1.5 虚拟仪器与传统仪器比较 (5)1.6 虚拟仪器方案 (6)1.7 LabVIEW简介 (7)1.8 用LabVIEW设计虚拟仪器的步骤 (8)1.9 本章小结 (8)第2章光电池 (9)2.1 光电池简介 (9)2.2 硅光电池的基本结构 (9)2.3 硅光电池的工作原理 (10)2.4 硅光电池的特性参数 (10)2.5 本章小结 (12)第3章数据采集 (13)3.1 数据采集系统的基本组成 (13)3.2 数据采集系统的主要性能指标 (15)3.3 数据采集原理 (16)3.4 采样定理 (16)3.5 NI ELVIS 原型设计面板 (16)3.6 高速率M系列PCI-6251 (18)3.7本章小结 (19)第4章系统设计 (20)4.1 设计的要求 (20)4.2 前面板的设计 (20)4.3 后面板的设计 (22)4.4 程序调试 (24)4.4 本章小结 (26)第5章数据处理 (27)5.1 照度计的标定 (27)5.2 标定数据的处理 (27)5.3 本章小结 (31)结束语 (32)致谢 (33)参考文献 (34)附录1基于ELVIS的光电池照度计最后运行结果图 (35)附录2基于ELVIS的光电池照度计最后运行程序框图 (36)附录3 硬件连接图 (37)附录4英文原文 (38)附录5中文译文 (45)前言仪器是人类认识世界的基本工具，也是信息社会人们获取信息的主要手段之一。

目录1 技术指标 (1)2设计方案及其比较 (1)2.1 方案一 (1)2.2 方案二 (2)2.3 方案三 (2)2.4 方案比较 (3)3 实现方案 (3)3.1 硬件部分 (3)3.2 软件部分 (8)3.3 测试电路 (20)4 调试过程及结论 (20)4.1调试过程的现象 (20)4.2 调试过程中出现的问题 (21)4.3 调试结论 (21)5心得体会 (21)6 参考文献 (22)基于Si光电池的照度计设计与调试1技术指标（1）要求系统测量范围为0-200lx，测量精度达到1lx；（2）设计光电池输出信号处理电路，要求可以控制处理后的电压幅度；（3）设计照度计硬件电路系统，要求系统各个模块能够正常工作；（4）设计照度计软件控制系统，要求系统整体工作稳定；（5）给设计系统定标，要求测量结果误差在1%以内。

2 设计方案及其比较当光电池的光敏面收到光照射时，PN节耗尽区内的光生电子与空穴在内建电场力的作用下分别向N区和P区运动，在闭合的电路中产生光电流。

首先将光电流经过I/V变换和电压放大后形成直流电压信号，其次通过模数转换电路将处理得到的直流电压信号转换为数字电压信号，再通过单片机处理后得到可以反应光照度的数字信号，最后通过LCD 实时显示出来。

照度计的系统框图如图1所示。

图1 照度计系统框图2.1方案一通过电阻转换的方式进行I/V转换，如图2，之后将电压放大后的直流电压信号通过由ADC0809构成的A/D转换模块得到数字电压信号，然后，通过单片机得到可以反应光照度的数字信号，最后，通过LED数码管实时显示出来。

图2 电阻转换模块2.2方案二通过三极管构建放大电路得到电压信号进行I/V转换，如图3，之后将电压放大后的直流电压信号通过由ADC0809构成的A/D转换模块得到数字电压信号，然后，通过单片机得到可以反应光照度的数字信号，最后，通过LED数码管实时显示出来。

图3 三极管转换模式2.3方案三通过集成运放芯片构建放大电路得到电压信号进行I/V转换，如图4，之后将电压放大后的直流电压信号通过由ADC0809构成的A/D转换模块得到数字电压信号，然后，通过单片机得到可以反应光照度的数字信号，最后，通过LED数码管实时显示出来。

目录1 技术指标 (1)2设计方案及其比较 (1)2.1 方案一 (1)2.2 方案二 (2)2.3 方案三 (2)2.4 方案比较 (3)3 实现方案 (3)3.1 硬件部分 (3)3.2 软件部分 (8)3.3 测试电路 (20)4 调试过程及结论 (20)4.1调试过程的现象 (20)4.2 调试过程中出现的问题 (21)4.3 调试结论 (21)5心得体会 (21)6 参考文献 (22)基于Si光电池的照度计设计与调试1技术指标（1）要求系统测量范围为0-200lx，测量精度达到1lx；（2）设计光电池输出信号处理电路，要求可以控制处理后的电压幅度；（3）设计照度计硬件电路系统，要求系统各个模块能够正常工作；（4）设计照度计软件控制系统，要求系统整体工作稳定；（5）给设计系统定标，要求测量结果误差在1%以内。

2 设计方案及其比较当光电池的光敏面收到光照射时，PN节耗尽区内的光生电子与空穴在内建电场力的作用下分别向N区和P区运动，在闭合的电路中产生光电流。

首先将光电流经过I/V变换和电压放大后形成直流电压信号，其次通过模数转换电路将处理得到的直流电压信号转换为数字电压信号，再通过单片机处理后得到可以反应光照度的数字信号，最后通过LCD 实时显示出来。

照度计的系统框图如图1所示。

图1 照度计系统框图2.1方案一通过电阻转换的方式进行I/V转换，如图2，之后将电压放大后的直流电压信号通过由ADC0809构成的A/D转换模块得到数字电压信号，然后，通过单片机得到可以反应光照度的数字信号，最后，通过LED数码管实时显示出来。

图2 电阻转换模块2.2方案二通过三极管构建放大电路得到电压信号进行I/V转换，如图3，之后将电压放大后的直流电压信号通过由ADC0809构成的A/D转换模块得到数字电压信号，然后，通过单片机得到可以反应光照度的数字信号，最后，通过LED数码管实时显示出来。

图3 三极管转换模式2.3方案三通过集成运放芯片构建放大电路得到电压信号进行I/V转换，如图4，之后将电压放大后的直流电压信号通过由ADC0809构成的A/D转换模块得到数字电压信号，然后，通过单片机得到可以反应光照度的数字信号，最后，通过LED数码管实时显示出来。

基于Si光电池的照度计调试与设计1.技术指标利用硅光电池对光的灵敏性，设计出一个照度计。

要求系统测量范围为0-200lx，测量精度达到1lx，设计光电池输出信号处理电路，要求可以控制处理后的电压幅度,设计照度计硬件电路系统，要求系统各个模块能够正常工作,设计照度计软件控制系统，要求系统整体工作稳定,给设计系统定标，要求测量结果误差在1%以内。

2.设计方案及其比较根据设计原理，硅光电池受光的影响产生电流，经过并联采样电阻产生电压信号。

此信号进入放大器的同相放大端进行放大。

经过放大后产生伏级的电压输出信号，即电平输出信号。

该信号经过数模转换电路转换为数字电压信号，然后经过单片机处理转变为数字信号。

最后通过LCD实时显示出来。

图1 照度计系统框图对于测量系统，核心控制芯片只能处理数字信号，所以必须把处理法得到的模拟电压信号经过模数转换得到相应的数字电压信号，以便系统的控制和处理。

模数转换电路设计的好坏直接影响了测量系统的精度，该模数转换模块采用的是国家半导体生产的ADC0809。

其管脚装封图如下：图2 ADC0809管脚图各脚功能如下：D7-D0：8位数字量输出引脚]3[。

IN0-IN7：8位模拟量输入引脚。

VCC：+5V工作电压。

GND：地。

REF（+）：参考电压正端。

REF（-）：参考电压负端。

START：A/D转换启动信号输入端。

ALE：地址锁存允许信号输入端。

（以上两种信号用于启动A/D 转换）. EOC：转换结束信号输出引脚开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。

OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。

根据光电转换前置放大的三种电路，可以设计三种方案，它们分别是方案一：电阻转换模式，方案二：三极管转换模式，方案三：集成运放转换模式。

2.1 方案一本方案的光电前置放大模块采用电阻转换模式，其电路图如下：图3 电阻转换电路本方案的光电前置放大模块采用三极管转换模式，其电路图如下：图4 三极管转换电路2.3 方案三本方案的光电前置放大模块采用三极管转换模式，其电路图如下：图5 集成运放转换电路2.4 方案比较三种方案各有优缺点，它们的不同之处在于光电信号处理模块。