基于光敏二極管光強度測試儀設計

1、沈陽航空航天大學課程設計論文 基于光敏二極管的光強度測試儀的設計基于光敏二極管的光強度測試儀設計 魏祥 沈陽航空航天大學自動化學院 摘要：本文利用光敏二極管和LabVIEW編程設計了一個能實現(xiàn)光強度測量及顯示的虛擬儀器。該測試儀主要由數(shù)據(jù)采集、曲線擬合、公式生成和超值報警四個重要組成部分，不僅可以實現(xiàn)光強度的測量及顯示，還能擬合出照度與電壓的關系曲線。由于本設計使用虛擬儀器技術，用戶可以自定義儀器功能，將采集到的電壓值和測量所得的光強值在同一塊面板上顯示。同時可以直觀的從示波器上觀測照度和電壓的關系曲線，通過面板指示的測量值與上限閾值進行分析比較，進而實現(xiàn)超值報警功能。具有量程大，測量精度高等

2、優(yōu)點。關鍵詞：光敏二極管；LabVIEW；數(shù)據(jù)采集；曲線擬合1、 前言計算機和儀器的密切結合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。虛擬儀器是儀器技術與計算機技術深層次相結合的產(chǎn)物，是全新概念的測量儀器。自20世紀80年代誕生以來，與前幾代測試儀器相比，以前所未有的速度迅猛發(fā)展，是儀器領域的一次革命。虛擬儀器將傳統(tǒng)的儀器由硬件實現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析、處理與顯示等功能改為功能強大的計算機軟件來完成。通過配置以獲取調理信號為目的的I/O接口設備（數(shù)據(jù)采集（DAQ）卡、GPIB儀器、VXI總線儀器模塊以及串行口儀器等），實現(xiàn)不同的測量、測試功能軟件對采集獲得的信號進行分析處理。在開發(fā)、推廣虛擬儀器編程技術方面，出現(xiàn)了

3、許多虛擬儀器開發(fā)平臺，目前世界上最具代表性的還是美國國家儀器公司（NI）的兩個虛擬儀器開發(fā)平臺：LabWindows/CVI和Labview。 編譯型圖形化編程語言LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，類似于C和Basic開發(fā)環(huán)境，也是通用的編程系統(tǒng)。使用圖形化的編程語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖形式，有一個可完成任何編程任務的龐大的函數(shù)庫。廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接受，被公認為是標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，是目前國際上應用最廣泛的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境之一。本文設計的基于光敏二極管的光強度測試儀，采用虛擬儀器技術，運用LabVIEW編程，用戶可以自定義儀器功能，將采集到的電壓值和測量所

4、得的光強值在同一塊面板上顯示。具有量程大，測量精度高等優(yōu)點。同時還可以直觀的從示波器上觀測照度和電壓的關系曲線，通過面板指示的測量值與上限閾值進行分析比較，進而實現(xiàn)超值報警功能。2、 總體方案設計運用數(shù)據(jù)采集程序和硬件（NI公司的數(shù)據(jù)采集卡）實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，然后通過之前對發(fā)光二極管試驗的數(shù)據(jù)收集進行曲線擬合，在擬合曲線時，其關系是用二階曲線擬合，同時生成二階形式的曲線公式，最后用采集卡所采集的數(shù)據(jù)帶入擬合曲線中，找到對應的光照強度-電壓的關系，達到設計方案目的。其發(fā)光二極管的光強測試原理如圖:電壓顯示數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)測量光照光敏二極管照度顯示公式生成曲線擬合超值報警整個方案包括硬件線路連接和軟件

5、程序設計兩大部分。實現(xiàn)了實驗數(shù)據(jù)的采集以及軟件數(shù)據(jù)的輸入兩大基礎功能。硬件電路CSYG型光電傳感器實驗儀和數(shù)據(jù)采集卡兩部分構成，基于光敏二極管隨光照強度的變化輸出電壓發(fā)生改變。通過光電實驗臺FV表顯示并記錄多組光照強度對應電壓的數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)采集卡將光敏二極管在某個光照強度范圍內時，其輸出的電壓信號采集到計算機內。軟件程序主要由數(shù)據(jù)采集、曲線擬合、公式生成、比較報警四個子程序組成，根據(jù)實驗記錄的多組數(shù)據(jù)計算機自動生成一個光照強度電壓的二階函數(shù)。采集卡將電壓信號輸送到計算機后，根據(jù)程序設計計算機自動將電壓信號轉化成光強信號，從而實現(xiàn)對光強的測量。3、 硬件原理基于光敏二極管的光強度測試儀硬件電路

6、流程圖如圖所示：光照強度、電壓的試驗數(shù)據(jù)采集光敏二極管的光電特性實驗軟件設計電壓輸出并采集AI數(shù)據(jù)采集卡這個設計試驗的硬件部分需要分成兩塊分析：3.1.數(shù)據(jù)采集電路光敏二極管是一種PN結型半導體光電器件，它的PN結面積一般比普通二極管要大。此外，它一般以擴散層作為受光面。受光面一側的電極做的較小，為了提高光電轉換效率，PN結的結深比普通二極管淺，為了防止光的反射，減小暗電流和提高器件的穩(wěn)定性，在器件表現(xiàn)必須涂上一層防反射層。光敏二極管在電路中工作在反向狀態(tài)。無光照時，光敏二極管呈現(xiàn)出很大的反向電阻，可達兆歐姆，只有少數(shù)載流子在反向偏壓作用下流過PN結，形成微小的暗電流（反向飽和電流）。有光照射

7、時，PN結附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對。由于電場作用，在耗盡層中產(chǎn)生的電子向N+區(qū)漂移，并在擴散長度以內的電子、空穴也擴散到PN結兩側，然后在電場作用下分別通過耗盡層漂向N+和P區(qū)，從而使通過PN結的反向電流大大增加，這就形成了光電流。光電流通過外加負載電阻后產(chǎn)生電壓信號輸出。電路圖如下:3.2.數(shù)據(jù)采集卡NI是美國國家儀器公司(National Instrument)的簡稱，該公司出品的PCI-NI6024E是一塊應用在普通個人計算機上，使用內插式PCI插槽的數(shù)據(jù)采集卡。使用一根Cable連接至CB-68LP這塊具有68個接線柱的接線板上，從而達到數(shù)據(jù)采集卡上的輸入輸出與CB

8、68LP上一一對應。這68個接線柱中常用的是：68(AI 0+)，67(AI 0 GND)，34(AI 0-)，以上是模擬輸入通道一；22(AO 0)；55(AO GND)，上是模擬輸出通道一；52(D I/O 0)，4(D GND)，以上是數(shù)字輸入輸出口的第一位。并且從56到62是沒有定義的。PCI-NI6024E的有關技術資料如下：使用的總線：PCI總線模擬輸入：16個單端輸入通道或8個差分輸入通道輸入位數(shù)：12位輸入最大采樣率：200kS/s輸入電壓范圍：0.05到10V模擬輸出：2個通道輸出位數(shù)：12位輸出最大采樣率：10kS/s輸出電壓范圍：10V數(shù)字輸入輸出：8個定時器/計數(shù)器：2

9、個 各24位觸發(fā)方式：數(shù)字觸發(fā)BNC16S型多功能接口盒具有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(chǎn)生正弦波、方波、三角波以及TLL信號，并可通過旋鈕調節(jié)信號的幅值和頻率。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(shù)據(jù)采集卡聯(lián)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。BNC16S型多功能接口盒內部結構如圖3所示：

10、1. 68芯接口端子 6. 電源指示燈 11. 信號源幅度調節(jié)2. 16路單端/8路差分模擬輸入 7. 模擬輸出接口端子 12. 信號源頻率調節(jié)3. 測量方式選擇開關 8. 時頻信號接口端子 13. 信號發(fā)生器輸出選擇4. 數(shù)字I/O狀態(tài)LED顯示 9. 2路觸發(fā)源開關 14. 信號發(fā)生器輸出接口端子 5. 數(shù)字I/O接口端子 10. 信號源頻率范圍 15. 模擬輸入備用接口端子4、 軟件設計軟件程序設計主要包括數(shù)據(jù)采集子程序、曲線擬合子程序、公式生成子程序、超值報警子程序四個部分。軟件程序流程圖如圖所示：顯示照度公式生成曲線擬合數(shù)據(jù)采集超值報警測量值-8500?4.1.數(shù)據(jù)采集子程序數(shù)據(jù)采集

11、子程序框圖如圖所示：數(shù)據(jù)采集子程序框圖其中重要數(shù)據(jù)采集端子說明如下：4.1.1.AI Config子VI如圖所示，AI Config.vi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。圖6 AI Config.vi常用的端子有：Device：數(shù)據(jù)采集卡的設備號。Channel：指定模擬輸入通道號的串數(shù)組。Input limit：指定輸入信號的范圍達到調節(jié)硬件增益的目的。Buffer size：單位是scan，控制用于采集數(shù)據(jù)的AI Config占用計算機內存的大小。Interchannel delay：對掃描間隔設置通道間的偏差。4.1.2.AI Start子VI如圖所示

12、，AI Start啟動帶緩沖的模擬輸入操作。它控制數(shù)據(jù)采集速率，采集點的數(shù)目，及使用任何硬件觸發(fā)的選擇。它的兩個重要輸入是：Scan rate(scan/sec)：對每個通道采集的每秒掃描次數(shù)。Number of scans to acquire：對通道列表的掃描次數(shù)。 AI Start.vi4.1.3.AI Read子VI如圖所示，AI Read是從被AI Config分配的緩沖讀取數(shù)據(jù)。它能夠控制由緩沖讀取的點數(shù)，讀取數(shù)據(jù)在緩沖中的位置，以及是否返回二進制數(shù)或標度的電壓數(shù)。它的輸出是一個二維數(shù)組，其中每一列數(shù)據(jù)對應于通道列表中的一個通道。AI Read.vi4.1.4.AI Clear子V

13、I如圖所示，AI Clear是清除模擬輸入操作，清除計算機中分配的緩沖，釋放所有DAQ卡的資源，例如計數(shù)器等。圖9 AI Clear.vi該程序是由硬件電路輸出的電壓采樣信號通過數(shù)據(jù)采集卡進入數(shù)據(jù)采集子程序。最初采集到的電壓信號是不穩(wěn)定的波形信號，會影響到原始信號的準確性，進而導致測量結果的不精確，因此數(shù)據(jù)采集子程序中首先要用低通濾波器對采集到的不穩(wěn)定信號做初步的處理，除去采樣信號中的干擾信號，使采集到的信號相對穩(wěn)定。但經(jīng)低通濾波器處理后的采樣信號仍然在一定范圍內變化，并非一個確定的輸出值，所以其次要接Convert from dynamic data()，使采樣信號從動態(tài)變換的值轉變成穩(wěn)定的

14、值，最后進行算術平均運算后，采樣信號就會以較為準確的數(shù)值形式在前面板的電壓顯示器中顯示出來。4.2.曲線擬合子程序曲線擬合子程序框圖如圖所示：曲線擬合子程序框圖在該程序中，首先在前面板中建立兩個一維數(shù)組，分別表示電壓和光照強度，將實驗數(shù)據(jù)填入數(shù)組中。然后由（General Polynomial Fit.vi） 進行曲線擬合，輸出的y值與表征電壓輸入的x值經(jīng)（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Build Array.vi建立數(shù)組，即每個數(shù)組元素對應一條曲線。然后

15、接入XY示波器，將擬合前后的照度光強關系曲線同時顯示在XY示波器中。4.3.公式生成子程序公式生成子程序框圖如圖所示：公式生成子程序框圖在該程序中，將電壓和照度所表示的2個一維數(shù)組進行曲線擬合。一般來說，曲線階數(shù)越高，逼近實際測量值的精度越高，但階數(shù)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(shù)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(shù)定為2階。General Polynomial Fit.vi的Polynomial Fit Coefficients端子將輸出一個以擬合曲線各階系數(shù)為元素組成的一維數(shù)組，提取數(shù)組中各個系數(shù)元素，根據(jù)擬合曲線函數(shù)表達式：進行乘、

16、加運算，并將結果輸入到照度顯示控件中顯示。General Polynomial Fit.vi引腳圖如圖所示：General Polynomial Fit.vi能接受一維數(shù)組形式的輸入，同時要求提供與數(shù)組Y對應的X數(shù)組。所用引腳功能：Y：參與擬合的數(shù)組輸入端子X：參與擬合的數(shù)組輸入端子polynomial order：設定擬合曲線的階數(shù)Best olynomial Fit：輸出擬合后的Y數(shù)組Polynomial Fit Coefficients：以數(shù)組形式輸出擬合曲線對應關系式的系數(shù)mse：輸出均方差4.4.比較報警子程序比較報警子程序框圖如圖所示：圖9 比較報警子程序測量之前先在前面板上設置照

17、度報警上限限度，報警程序將計算所得的照度值分別與預先設定的測量上限值做減法運算并與0進行比較，經(jīng)過True循環(huán)判斷后連接報警指示燈。如果測量結果超出預先設定的測量上限值，則指示燈亮報警，反之，不報警指示燈不亮。5、 調試分析完成軟件程序的設計和硬件線路的搭接之后，需要對硬、軟件進行聯(lián)合調試。調試的過程就是檢查程序的運行方式和結果是否與設計要求相一致的過程，調試過程中出現(xiàn)的錯誤大致可分為硬件線路連接錯誤、軟件程序結構和邏輯錯誤。本次調試系統(tǒng)主要由硬件調試系統(tǒng)、軟件調試系統(tǒng)和硬、軟件聯(lián)調三部分組成。其中硬件調試系統(tǒng)主要由CSYG型光電傳感器系統(tǒng)實驗儀和BNC16S型多功能接口盒實現(xiàn)。其中CSYG型

18、光電傳感器系統(tǒng)實驗儀提供了光敏二極管特性試驗裝置，BNC16S型多功能接口盒是數(shù)據(jù)采集的關鍵，是連接硬、軟件的樞紐。軟件調試系統(tǒng)使用了美國 NI公司開發(fā)的LabVIEW，LabVIEW與C或 C+開發(fā)環(huán)境一樣，也是一種程序語言開發(fā)環(huán)境。與現(xiàn)有的計算機高級語言不同的是，LabVIEW采用圖形化編程語言G語言，產(chǎn)生塊狀的程序。這對于研究儀器儀表方向的我們來說，編程就像設計電路圖一樣，使我們可以輕松熟練的掌握。硬、軟件聯(lián)調即將硬件電路和軟件程序通過BNC16S型多功能接口盒結合起來，對測量結果和設計指標做最終檢測并紀錄結果。5.1.硬件電路調試CSY-G型光電傳感器實驗儀主要由發(fā)光管、光敏二極管、測

19、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)射到光敏二極管上，產(chǎn)生光電流，經(jīng)負載轉化為電壓信號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。試驗測量結果如表所示：數(shù)據(jù)測量結果照度（Lx）050100150200250300350電壓（V）00.0750.1620.2740.3990.5250.6770.811照度（Lx）400450500550600650700750電壓（V）1.0221.2011.3261.4441.5762.002.032.42照度（Lx）800850900電壓（V）

20、2.803.383.535.2.軟件程序調試軟件調試是軟件開發(fā)過程中一項艱巨的腦力勞動，是程序在進行了成功的測試之后才開始的工作。調試的目的是確定錯誤的原因和位置，并改正錯誤，因此調試也叫做改錯。具體地說，調試過程由兩個步驟組成，它從表示程序中存在錯誤的某跡象開始，首先確定錯誤的準確位置，也就是找出哪個模塊或哪個語句引起的錯誤。然后仔細研究推斷確定問題的原因，并設法改正。當然更重要的還是調試的策略。調試的策略主要有試探法、歸納法、演繹法、對分查找法和回溯法5種方法。本設計調試的方法主要是演繹法即從一般原理或前提出發(fā)，經(jīng)過刪除和精化的過程推導出結論。用演繹法調試開始時先列出可能成立的原因或假設，

21、然后依次地排除列舉出的原因。最后，證明剩下的原因是錯誤的根源。5.3.硬、軟件聯(lián)調硬、軟件聯(lián)調結果如表所示： 實際照度100200300400500實際電壓0.1620.3990.6771.0221.201測量照度101.256200.873299.437401.795501.683測量電壓0.1580.4120.7111.1111.181光電傳感器上調節(jié)電壓旋鈕，改變輸出電壓值為0.158V時，軟件測量照度顯示為101.256Lx，將傳感器上發(fā)光管調至光強測量端，照度表顯示實際照度為100Lx，可求得此時測量誤差為1.256%，誤差在允許范圍內，測量結果精確，聯(lián)調成功。5.4.故障及原因分析

22、調試的目的是排除硬件和軟件的故障，使研制的樣機符合預定設計目標，下面就調試過程中遇到的問題及其解決方法逐一敘述 。問題一:外界影響。光照測量時難免會遇到一些外界光的干擾，以及儀器本身的不規(guī)范，導致測量結果不夠準確。解決方法: 謹慎小心，多次測量比較，取誤差最小的測量結果。問題二:元器件問題。（1）應用BNC16S型多功能接口盒進行數(shù)據(jù)采集,有時不能正常送出采集數(shù)據(jù)。（2）CSYG型光電傳感器系統(tǒng)實驗儀輸入光強沒有零點，而且上限也達不到要求的1000lx,造成數(shù)據(jù)誤差偏大。解決方法:（1）經(jīng)反復調試,找到原因: BNC16S型多功能接口盒老化,導致性能不穩(wěn)定。更換新的接口盒后能夠正常進行采集數(shù)據(jù)

23、。（2）調節(jié)采樣電阻及增益的大小，使其采集到的電壓限制在0-5V.從而使其采樣結果更精確。6、 結論及進一步設想上面介紹了基于光敏二極管的光強度測試儀的設計結構，在科研領域，光強度測試儀有很多種，就本設計來講，有以下優(yōu)缺點。優(yōu)點：利用光電傳感器和BNC16S型多功能接口盒組成的數(shù)據(jù)采集部分可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)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(jīng)過調試顯示精度高，測量準確，而且具有超值報警功能。缺點：由于外界條件的干擾，數(shù)據(jù)采集時會耗費較多的時間，而且在Labview中必須得連接采集卡后某些器件才可以使用，對我們寫報告會很麻煩。另外由于機器老化情況嚴重，做硬件電路實

24、驗時，光照沒零點，而且極限照度也較小，誤差較大。展望：從此課題的優(yōu)缺點來看，適用于多個領域，但需要在發(fā)光管的密封效果上加以改進，減小外界因素對數(shù)據(jù)采集的干擾。對于電渦流傳感器，這樣既保留了原來的優(yōu)點，又對已有的缺點進行有機的改進，相信光強測試儀的設計會逐步走向完善，最終以既經(jīng)濟，又方便快捷的方式走向市場，造?？蒲?，造福人類。7、 參考文獻1胡立夫 劉利秋.傳感技術綜合實驗指導書.自動化學院，測控技術與儀器教研室，2011.92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，2009.93侯國屏 葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設計.清華大學出版社，2005.24李江全 劉恩博.虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與串口通信測控應用實戰(zhàn).人民郵電出版社5張桐 陳國順 王正林.精通LabVIEW程序設計.電子工業(yè)出版社8、 課設體會虛擬控制平臺具有實際儀器的功能，大大降低了儀器的開發(fā)周期