基于光電池的光強度測試儀的設計

沈陽航空航天大學課程設計（論文）題目基于光電池的光強度測試儀的設計班級學號學生姓名指導教師沈陽航空航天大學課程設計任務書課程名稱虛擬儀器課程設計院（系）自動化學院專業(yè)測控技術與儀器班級學號姓名課程設計題目基于光電池的光強度測試儀設計課程設計時間:年3月5日至年3月16日課程設計的內容及要求：1.內容利用光電池和Labview設計一個能實現光強度測量及顯示的虛擬儀器。照度顯示為XXX.XLx，范圍為0--1000Lx，擬合出照度與電壓的關系曲線?？稍O定閾值，并具有超值報警功能。2.要求 制定設計方案，并繪制出系統(tǒng)工作框圖。利用CSY系列傳感器系統(tǒng)實驗儀進行硬件電路設計及調試。用Labview進行軟件程序設計與調試，要求虛擬儀器前面板的設計美觀大方、操作方便，后面板的設計簡潔、布線合理、功能完善。指導教師年月日負責教師年月日學生簽字年月日沈陽航空航天大學課程設計成績評定單課程名稱虛擬儀器課程設計院（系）自動化學院專業(yè)測控技術與儀器課程設計題目基于光電池的光強度測試儀設計學號姓名答辯日期年3月16日指導教師（答辯組）評語： 課程設計成績指導教師（答辯組）簽字年3月16日目錄0.前言 51.總體方案設計 61.1程序流程圖 62.硬件設計 72.1光電傳感工作器原理 72.1硬件電路設計框圖 73.軟件設計 83.1信號采集模塊的設計 83.1.1數據采集系統(tǒng)的設計原理 83.1.2數據采集過程的設計 93.2曲線擬合子程序 103.3公式生成子程序 113.4超值報警模塊的設計 124.調試及結果分析 134.1硬件電路的調試 134.2軟件程序的調試 145.結論及進一步設想 15參考文獻 16附錄 17課設體會 19基于光電池的光強度測試儀的設計張遠康沈陽航空航天大學自動化學院摘要：光電式傳感器是將光信號轉換成電信號的一種器件，簡稱光電器件。它的物理基礎是光電效應。它可以用于檢測隨光強變化的一些物理量。如電壓，電流，電阻等。本次課程設計主要是通過對LabVIEW軟件的使用和調試，設計一個基于光電池的光強度測試儀，以此來實現對光強度的測量和顯示。設計電路的關鍵是數據采集和曲線擬合程序，為了解決數據采集的問題，采用了CSY-G型光電傳感器實驗儀來實現的。它先將接收到的不同強度的光轉換成不同的電壓值，再由采集到的電壓值和對應的光強值寫入一個二元一次方程y=a*x*x+b*x+c，擬合成二次函數的曲線；同時由BNC16S型多功能接口盒將采集到的電壓值進行數據處理，并利用曲線生成的公式將電壓轉換成光強，當光強度值超出設定的閾值時，報警電路產生提示。該設計應用范圍較廣，原理簡單，使用方便，測量準確度較高。關鍵字：光電傳感器，LabVIEW，超值報警0.前言虛擬儀器技術是基于計算機的儀器與測量技術。與傳統(tǒng)儀器技術不同，虛擬儀器技術指在包含數據采集設備的計算機平臺上，根據需求可以高效率的構建起形形色色的測量系統(tǒng)。對大多數用戶而言，重要的工作變成了軟件設計。在虛擬儀器系統(tǒng)中，信號的獲取與采集由以計算機為核心的硬件平臺來完成，在這一平臺上，調用不同功能的軟件可構成不同功能的虛擬儀器，軟件是根據不同的信號分析與處理技術編制的。時至今日，信號的分析與處理方法很多，在設計虛擬儀器時，需要根據儀器的功能要求和所處理信號的實際情況選擇合適的分析和處理方法。信號分析與處理要求所得信號的特征值，如峰值、有效值、均值、方差、頻譜、相關函數、概率密度函數等。若用硬件電路來實現，其電路既復雜又昂貴，甚至不易實現，然而用軟件編程的方式是很容易實現的。這也是虛擬儀器比傳統(tǒng)儀器具有優(yōu)勢的所在。光電傳感器是利用光敏元件將光信號轉換成電信號的一種傳感器。它由于具有精度高，反應快，性能可靠，非接觸等優(yōu)點，而且可測參數多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，體積小，已獲得了廣泛應用。例如：在我們日常生活中常見的光控大門，食品業(yè)包裝充填物高度檢測等。本課題以虛擬儀器技術為開發(fā)平臺，采用光電傳感器進行數據采集，應用現代信號分析處理方法建立電壓與光強度分析處理系統(tǒng)，對光強度的測量有很好的應用。1.總體方案設計本文設計主要利用LabVIEW的數據采集系統(tǒng)和方便的函數信號處理能力，實現利用光電傳感器進行光強度的測量，并在前面板顯示光強度值與電壓值的關系曲線圖。首先由光電傳感器產生相應的電壓信號，然后利用LabVIEW的數據采集系統(tǒng)測得所需數據即光強度與電壓的關系。其中電壓信號又通過中級模入VI采集進來以便進行測量和顯示，然后通過一定的數值轉換關系，便可測得課程設計所要求的光強度。整體設計原理圖如圖1所示。光源光光源光電池計算機實驗數據采集數據采集卡數據采集卡操操作系統(tǒng)Labview軟件照照度顯示曲線擬合圖1原理框圖1.1程序流程圖整個電路工作原理是：基于光電池隨光照強度的變化輸出電壓發(fā)生改變。這里通過實驗法測量按照光強照度由小到大變化時光電池兩端產生的電壓大小，為方便起見，通過光電實驗臺F\V表顯示并記錄十組光照強度對應電壓的數據。通過數據采集卡將光電池輸出的電壓信號采集到計算機內。同時用軟件設計一個程序，根據實驗記錄的十組數據計算機自動生成一個光強關于電壓的二階函數。采集卡將電壓信號輸送到計算機后，根據程序設計計算機將采集得到的數據代入公式y(tǒng)=a*x*x+b*x+c中，得到不同電壓值對應的光強度值，從而達到通過測量光電池兩端的電壓來實現對光強測量的目的，并判斷光強是否超出設定閾值，即是否在某個范圍內變化，如果超出某個范圍就報警。于是，整體設計流程框圖如圖2所示。開開始設定采樣點數和采樣頻率光設定采樣點數和采樣頻率光電池實驗電電壓采集實驗數據采集濾濾波均值處理曲線擬合、公式生成電電壓顯示轉換成照度并顯示結結束超值報警圖2整體程序流程框圖2.硬件設計2.1光電傳感器工作原理光電池的介紹：光電池是一種自發(fā)電式的光電元件，它受到光照時自身能產生一定方向的電動勢，在不加電源的情況下，只要接通外電路,便有電流通過。光電池的種類很多，有硅光電池、硒光電池、硫化鎘光電池等，其中硅光電池和硒光電池用的比較多。光電池的一類應用是作為能源，如太陽能電池，利用光生伏特效應直接將太陽能轉換為電能，已在宇宙開發(fā)、航空、日常生活等領域獲得應用。光電池的另一類應用，則是利用它們對可見光和近紅外光敏感、性能穩(wěn)定、頻率特性較好、能耐高溫輻射等性能，常用于檢測、控制等方面構成分析儀器、測量儀器或自動控制系統(tǒng)。光電池的工作原理：光電池是一種直接將光能轉換成電能的光電器件，它是一個大面積的PN結。當光照射到PN結上時，便在PN結的兩端產生電動勢（P區(qū)為正，N區(qū)為負）。如果在PN結兩端裝上電極，用一只內阻極高的電壓表接在兩個電極上，就可發(fā)現P區(qū)端和N區(qū)端之間存在著電勢差。P區(qū)帶正電，為光電池的正極，N區(qū)帶負電，為光電池的負極。如果用導線把P區(qū)端與N區(qū)端連接起來，導線中串接一只電流表，電流表中就有電流流過。如上所述，在光的作用下，產生一定方向一定大小的電動勢的現象，叫作光生伏特效應。光電傳感器是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現控制的。光電傳感器在一般情況下，有三部分構成，其原理圖由圖3所示。它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。發(fā)送器對準目標發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應用該信號。本次課程設計用的發(fā)送器是發(fā)光二極管，接收器是光電池，光電池受光照后產生電壓，直接將該電壓連接到F/V表上讀取數據便可。圖3光電傳感器原理圖2.2硬件電路設計框圖硬件電路設計的總體框圖如圖4所示。因為本實驗用到的是輻射式光電傳感器，其工作原理將接受到的光信號轉換成電信號，然后送到采集卡的輸入通道，將模擬信號轉化成為數字信號，送入計算機。光光源光電傳感器電壓顯示圖4硬件電路框圖3.軟件設計軟件設計包括數據采集部分、曲線擬合部分、數據處理部分、閾值比較報警部分。總體步驟如下：當采集系統(tǒng)0通道外引腳接到傳感器電壓輸出端后，電壓信號就被采集到計算機內部程序中。采集的電壓信號是一個不穩(wěn)定的信號，需要對電壓信號進行算術平均濾波。濾波后的電壓信號是一個較為平穩(wěn)的信號。將此信號值在前面板中顯示出來，用來和實際電壓值進行比較。將處理過的電壓信號接入曲線擬合程序中。在此之前把在實驗臺上測得的二十四組數據輸入前面板的表格中。運行程序時計算機根據表格中的數據生成一個電壓關于光照強度的二階函數。當采集卡把處理過后的電壓信號送到曲線擬合程序中后，計算機根據生成的二階函數將電壓轉化成光強。光強信號通過閾值比較程序決定是否報警，執(zhí)行完后此程序結束。光電池的光照強度測試總體流程圖如圖5所示。開始開始光電池輸出電壓信號光電池輸出電壓信號電壓數據采集電壓數據采集信號預處理，濾波整形信號預處理，濾波整形電壓顯示電壓顯示曲線擬合曲線擬合線性系數輸出（a,b,c線性系數輸出（a,b,c）電壓，光強換算電壓，光強換算是照度超限？是照度超限？否否光照強度顯示報警光照強度顯示報警結束結束圖5光電池的光強度測試儀總體流程圖主程序包括數據采集，曲線擬合，數據運算，以及照度報警等四大部分，其中除數據采集之外的其它三部分包括在一個whileloop中，這樣可以保證測試系統(tǒng)的核心部分循環(huán)穩(wěn)定的工作。3.1信號采集模塊的設計3.1.1數據采集系統(tǒng)的設計原理硬件連接：BNC16S型多功能接口盒各部分的功能。多功能接口盒具有16路單端/8路差分模擬輸入，可以測量三種模擬輸入信號：差分浮地信號（DIFF_FS）、差分有參考地信號（DIFF_GS）、單端有參考地信號（SINGLE_RSE）。多功能接口盒的信號發(fā)生器可以產生正弦波、方波、三角波以及TLL信號，并可通過旋鈕調節(jié)信號的光強度值。該多功能接口盒還具有2路模擬輸出。在關機狀態(tài)，將泛華BNC16S型多功能接口盒與PC機上的數據采集卡聯結。如果連接正常，則多功能接口盒上的紅色電源指示燈處于點亮狀態(tài)。將接口盒的信號發(fā)生器SOURCE端口與某一模擬輸入通道相連。要將數據采集到計算機里，并對其進行合理的組織，需要構建一個完整的數據采集系統(tǒng)。它包括：傳感器和變換器、信號調理設備、數據采集卡、驅動程序、硬件配置管理軟件、應用軟件和計算機等。使用不同的傳感器和變換器可以測量各種不同的物理量，并將它們轉化成電信號；信號調理設備可對采集到的信號進行加工，使它們適合數據采集卡等設備的需求；計算機通過數據采集卡等獲得測量數據；軟件則控制著整個測量系統(tǒng)，它告訴采集設備什么時候從哪個通道獲取設備，同時還對原始數據作分析處理，并將最后的結果表示成容易理解的方式。3.1.2數據采集過程的設計（1）打開程序框圖編輯窗口。（2）放置中級模入VI。在AllFunctons>>NIMeasurements>>DataAcquisition>>AnalogInput中找到所需的VI。（3）函數的設置AIConfigVI:對指定的通道設置模擬輸入操作，包括硬件、計算機內buffer的分配。AIStartVI:啟動帶緩沖的模擬輸入操作。它控制數據采集速率，采集點的數目，及使用任何硬件觸發(fā)的選擇。它的兩個重要輸入是：Scanrate(scan/sec)：對每個通道采集的每秒掃描次數。Numberofscanstoacquire：對通道列表的掃描次數。AIReadVI:是從被AIConfig分配的緩沖讀取數據。它能夠控制由緩沖讀取的點數，讀取數據在緩沖中的位置，以及是否返回二進制數或標度的電壓數。它的輸出是一個二維數組，其中每一列數據對應于通道列表中的一個通道。AIClearVI:清屏函數,清除模入操作、計算機中分配的緩沖、釋放所有DAQ卡的資源。（4）為各VI相應的端口建立輸入輸出控件。選擇需要建立輸入輸出控件的端口，在右鍵的快捷菜單中，執(zhí)行Creat>>Constant\Control\Indicator操作。（5）連線。完成編輯的程序框圖。（6）參數設置：device：設備號，在NI采集設置工具中設定。該參數告訴用戶使用什么卡，它可以使采集VI本身獨立于卡的類型。本課設選用BNC16S數據采集卡，所以設定為1。Channels：通道,用于指定數據樣本的信號源。選用的是0號通道設定為0。Scanrate：指每個通道的掃描速率，即采樣頻率。采樣頻率設置默認1000Hz0.Numberofscanstoread：采樣點數，本實驗設置為-1。圖6數據采集功能框圖數據采集系統(tǒng)的程序設計是由中級模入VI來實現。由AIConfigVI指定使用的采集卡和通道，并指定獲取的樣本數，AIStartVI啟動掃描，并將得到的數據放入緩存，然后由AIReadVI從計算機的緩存中讀取頻率，While循環(huán)可以實現連續(xù)采集的功能。3.2曲線擬合子程序在該程序中，首先在前面板中建立電壓——照度關系表，將光電傳感器實驗采集到的電壓值與相應的照度值輸入到表中，輸出一個由電壓元素和照度元素組成的二維數組。這時表中的元素是以字符串形式輸出的，然后要經過（Fract/ExpStringToNumber.vi）將輸出字符串形式的數組轉化成為浮點型數組。其次通過（indexArray.vi）將Table表輸出的二維數組分離為兩個一維數組，分別代表一組電壓輸入和一組照度輸入，然后再由（GeneralPolynomialFit.vi）進行曲線擬合，輸出的y值與表征電壓輸入的x值經（Bundle.vi）打包成簇后接入XY示波器。為了方便觀察比較擬合前后曲線的變化情況，將擬合前后的兩組x、y值由Bundle.vi打包成簇，然后把兩個這樣的簇作為元素通過BuildArray.vi建立數組，即每個數組元素對應一條曲線。然后接入XY示波器，將擬合前后的電壓——照度關系曲線同時顯示在XY示波器中。曲線擬合子程序框圖如圖7所示。圖7曲線擬合子程序框圖3.3公式生成子程序在該程序中，將電壓—照度關系表的輸出由字符串形式轉化為浮點型后，經indexArray.vi分離為兩個一維數組，輸入到GeneralPolynomialFit.vi進行曲線擬合。一般來說，曲線階數越高，逼近實際測量值的精度越高，但階數的增高將使計算繁冗，編程復雜，計算時間也迅速增加，因此選取擬合曲線階數時只要將誤差控制到一定范圍就可以了，本課設擬合曲線階數定為2階。GeneralPolynomialFit.vi的PolynomialFitCoefficients端子將輸出一個以擬合曲線y=a*x*x+b*x+c各階系數為元素組成的一維數組，通過（indexArray.vi）提取數組中各個系數元素，根據擬合曲線函數表達式：y=a*x*x+b*x+c，進行乘、加運算，并將結果輸入到照度顯示控件中顯示。公式生成子程序框圖如圖8所示。圖8公式生成子程序框圖3.4超值報警模塊的設計本課設要求照度顯示為XXX.XLx，范圍為0—1000Lx?？稍O定閾值，并具有超值報警功能，此主要通過算術比較算法實現。這里將上限照度設置為1200lx，即當采集電壓為正且光強超過1200lx時，上限報警的布爾型指示燈被點亮；下限照度設置為200類型，即當光強低于200lx或采集電壓為負時，下限報警的布爾型指示燈被點亮。超值報警程序框圖如圖8所示。圖9比較報警程序框圖4.調試及結果分析4.1硬件電路的調試CSY-G型光電傳感器實驗儀主要由發(fā)光管、光電池、測量電路、儀表顯示四部分組成。已調節(jié)照度的光束由發(fā)光管發(fā)射到光電池上，產生電壓，并在電壓表上顯示出來。光電傳感器結構簡單，便于操作，但試驗內容易受外界條件影響，測量結果變化較大，需要耐心調試，多次采集，才能得到理想的結果。實驗測量結果如表1所示:表1實驗數據測量結果照度（Lx）1002003004005006007008009001000電壓（V）0.0450.0810.1210.1530.1840.2010.2140.2250.2330.2354.2軟件程序的調試通過虛擬面板設定好參數，發(fā)出測試命令時，虛擬面板控制程序調用相應的模塊數據執(zhí)行動作。采集卡的連接：在關機狀態(tài)下，將數據采集卡多功能接口盒與PC機上的數據采集卡連接，當連接正常時，多功能接口盒上的紅色電源指示燈處于點亮狀態(tài)，將接口盒的信號發(fā)生器SOURCE端口與斷續(xù)器式傳感器的模擬輸入通道相連。據采集部分在整個監(jiān)測系統(tǒng)中占有重要的地位，采樣數據的質量直接影響到后面的處理、分析和顯示等功能能否正確實現。此模塊主要對設備的采樣參數進行設置，包括通道的選擇、采樣點數、采樣間隔、采樣頻率的設置等。當照度顯示超出設定的閾值時，報警指示燈點亮。當照度在200-1200lx范圍之內時，程序正常運行，燈不亮，如圖10；圖10程序正常運行當照度在超過1200lx時，程序報警，上限指示燈亮，如圖11所示；圖11程序上限報警當照度在低于200lx時，程序報警，下限指示燈亮，如圖12所示。圖12程序下限報警5.結論及進一步設想通過對光電傳感器的使用，我明白了光電傳感器的特性，得到了線性度較好的數據，電壓信號也被穩(wěn)定的采集進來。充分發(fā)揮了LabVIEW方便的數據采集能力和靈活的信息處理功能，得到了整潔美觀的前面板，完成了課程設計的要求。本次課設利用光電傳感器和BNC16S型多功能接口盒組成的數據采集部分可以實現數據采集，利用LabVIEW軟件可以把繁雜的操作過程轉化為簡單程序處理。經過調試顯示精度較高，測量較為準確，而且具有超值報警功能。根據實驗結果，本設計基本完成了設計要求，但是由于實驗元件和時間等原因還存在著一些缺陷，可以通過內加一些軟件、外加一些硬件來進一步改善電路的性能。這些都能有效的提高本次課程設計的性能。在用光電傳感器實驗儀做實驗時，發(fā)現存在一定的誤差：1.發(fā)光管與光電池不可能完全對準；2.發(fā)光管的密封不是很好，外界光源會影響光強度的測量值；3.儀器的靈敏度不高，讀數時不可能很準確。隨著時間的推移，科學技術的發(fā)展，我相信光強測試儀的靈敏度將逐漸提高，對于光強度得測量將更加準確，對我們未來的生活將有長遠的影響。參考文獻[1]胡立夫劉利秋.傳感技術綜合實驗指導書.沈陽航空航天大學，20010.9[2]宋琦徐濤胡立夫.虛擬儀器技術實驗指導書.沈陽航空航天大學，2010.9[3]侯國屏王坤葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設計，2010.8[4]劉紅麗張菊秀.傳感與檢測技術，2007.6[5]郭會軍，