Измеритель освещенности на основе твердотельного сенсора с цифровым интерфейсом

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.317.3

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

Измеритель освещенности на основе твердотельного сенсора с цифровым интерфейсом

А.А.Кабанов, А.Н. Тамбовцев, А.И. Щелканов

Аннотация

цифровой измеритель кремниевый датчик

Рассмотрены вопросы создания цифровых измерителей освещенности, выполненных на основе кремниевых фотодиодов, интегрированных в структуру программируемого датчика с цифровым интерфейсом. Проведен анализ основных режимов работы .

Ключевые слова: Осветительные системы, светодиоды, датчики светового потока, микроконтроллер.

Для жизнедеятельности человека показатели освещенности являются очень важным аспектом, так как восприятие мира для человеческого зрения связано именно со светом. При недостаточном освещении рабочий плохо видит окружающие предметы и плохо ориентируется в производственной обстановке. Хорошее освещение необходимо для нормального видения окружающих предметов и предотвращения заболеваний зрительного анализатора. Оно воздействует через сетчатку глаза на рабочие процессы мозга, влияет на функциональное состояние слухового аппарата, эндокринных органов, имеет бактерицидное и витаминообразующее действие. Недостаточная освещённость угнетает, понижается работоспособность, появляется сонливость. Слишком яркий свет, наоборот, возбуждает, способствует подключению дополнительных ресурсов организма, вызывая их повышенный износ.

Управление современными осветительными системами, реализованными на мощных светодиодах, предполагает измерение таких физических величин, как температура, давление, влажность воздуха и освещенность поверхности. Специфика условий эксплуатации таких систем обусловливает актуальность корректного выбора измерительных интерфейсов датчиков.

Анализ применения датчиков с точки зрения минимизации аппаратурных затрат и обеспечения высокой надежности выявил весьма высокую перспективность датчиков с цифровым последовательным коммуникационным интерфейсом I2C. При этом обеспечивается значительное упрощение монтажа датчиков на объекте, унифицируется встроенное программное обеспечение управляющего микроконтроллера, повышается надежность системы управления в целом.

Если для датчиков температуры, давления и влажности воздуха можно найти стандартное, описанное в литературе решение, то для датчиков светотехнических параметров не все так просто.

Датчики светового потока, выполненные на основе кремниевых фотодиодов (фирма Freescale), присутствующие на рынке средств измерений, имеют недостаточно высокие метрологические характеристики и приемлемые для практики условия эксплуатации. Характерная для полупроводниковых датчиков значительная температурная погрешность достаточно трудно минимизируется программными средствами из за отсутствия аналитических зависимостей номинальной статической характеристики преобразования [1].

Появившиеся в последнее время цифровые датчики освещенности представлены фирмой Intersil и имеют самые высокие в своем классе метрологические характеристики. Эти датчики имеют интегрированный в структуру кристалла фотодиод, прецизионный аналого-цифровой преобразователь и программно-аппаратные средства коррекции аддитивных и мультипликативных погрешностей фотодиода, обусловленных изменениями температуры окружающей среды. Таким образом, обеспечивается также и компенсация технологического разброса датчиков.

Многоточечная схема измерения может быть реализована простым параллельным соединением датчиков на шине I2C. Исключение конфликтов между датчиками на шине обеспечивается назначением уникального адреса каждому датчику или, при невозможности выполнения последнего, введением шинного арбитра [3].

На рис.1 приведена структурная схема миниатюрного микропроцессорного измерителя освещенности.

Первичный измерительный преобразователь (ПИП) через масштабирующий преобразователь (МП) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) подключен к Arduino (Arduino). Конструктивно ПИП, МП и АЦП выполнены в едином технологическом цикле на кремниевом кристалле и имеют стандартный последовательный коммуникационный интерфейс [2].

Для обеспечения комплекса необходимых сервисных функций в устройство введены жидкокристаллический символьно-цифровой дисплей.

Питание узлов структуры осуществляется источником питания (ИП) на основе литий-полимерного аккумулятора.

Рис.1. Структурная схема миниатюрного микропроцессорного измерителя освещенности

На Рис.2. представлена принципиальная схема подключения датчика освещенности и дисплея к Arduino.

Рис.2. Принципиальная схема миниатюрного микропроцессорного измерителя освещенности

Проведенные экспериментальные исследования изготовленного макетного образца с датчиком, снабженным интерфейсом I2C, показали полную работоспособность устройства. Основная относительная погрешность измерения в диапазоне 300…65535 люкс не превысила 1%. Возможно дальнейшее улучшение метрологических характеристик за счет совершенствования алгоритма коррекции аддитивных погрешностей.

Отказ от передачи слабых аналоговых сигналов по линиям связи за счет применения цифрового последовательного интерфейса позволяет значительно повысить помехозащищенность устройства и упростить выполнение требований технического задания в части электромагнитной совместимости при разработке конструкторской документации [4].

Унификация интерфейса для всех датчиков, используемых в устройстве управления, обеспечивает упрощение задачи создания прикладного программного обеспечения.

Библиографический список

1. Раннев Г.Г. Методы и средства измерений. 2003г.

2. Агуров П.В. Последовательные интерфейсы ПК. Практика программирования.-СПб.: БХВ-Петербург, 2004. - 496 с.: ил.

3. Семенов Б.Ю. Шина I2C в радиотехнических конструкциях.-М.: СОЛОН-Р, 2002. - 189 с.: ил.

4. Орнатский П.П. Теоретические основы информационно-измерительной техники/ П.П.Орнатский -2-е изд., перераб. и доп.- Киев: Вища школа, Головное изд-во, 1983. - 455с.

Размещено на Allbest.ru