田安红， 付承彪

(曲靖师范学院 信息工程学院, 云南 曲靖 655011)

一种虚拟光照强度测试仪系统设计

田安红， 付承彪

(曲靖师范学院 信息工程学院, 云南 曲靖 655011)

在传感器课程实践教学中引入Proteus虚拟仿真软件辅助实验教学,设计了一种光照强度测试仪系统。该系统基于光敏电阻在不同光照射下具有不同阻值的特性,通过采集光信号、A/D转换、单片机处理,最终用数码管显示光照强度。为解决硫化镉光敏电阻的非线性特性问题,将光敏电阻特性曲线划分为光照较弱、光照适中和光照较强等3组小线段,而将小线段近似看作线性曲线以减少误差。将曲线划分为5组误差会更小。

光照强度测试仪； 虚拟仿真； 实践教学

传感器技术课程是曲靖师范学院物联网专业的主干课程,该课程注重实践操作。在传统实验课程中,学生使用实验箱直观感受传感器的演示效果。由于传感器电路被封装在实验箱内,学生不易深入理解传感器的工作原理。因此,在实践教学中引入虚拟仿真实验,使学生可以在Proteus中搭建硬件电路,熟悉各种硬件电路的配置,在Keil uVision环境中编写C语言代码,把编译调试通过的.HEX文件导入Proteus中的单片机中观察运行效果[1-5]。这种实践教学方式不仅能够让学生了解传感器电路的结构[6-9],而且也能锻炼学生编写代码的能力。与传统实验箱教学工作比较,虚拟仿真实验更易于帮助学生理解和掌握课程内容。

笔者设计了一个虚拟光照强度测试仪系统。该系统采集光敏电阻的电信号,然后利用ADC0831进行A/D转换,最后通过单片机处理数据，得到光照强度数值并显示在数码管上。由于硫化镉光敏电阻的非线性特性,导致电压与光照强度是非线性关系，可以将光敏电阻特性曲线分成很多小的线段,将小线段近似看作线性的并用线性公式计算。分别将光照划分为较弱、适中和较强3组和弱、较弱、适中、强、较强5组，并进行了对比分析,仿真效果较好。光照强度测试仪系统能够借鉴用于农业生产活动中[10-15]。

1 设计方案

1.1 系统结构

虚拟光照强度测试仪系统利用光敏电阻感应光照强度。光敏电阻是光敏感元件，在不同的光照强度E下,光敏电阻的阻值会发生变化,从而将光信号转换为电信号,再通过A/D转换模块得到信号电压UR。通过C语言编程,单片机能够根据电压与光照强度的换算关系计算出光照强度值,并通过数码管显示出来。

1.2 硬件设计

光照强度测试仪的硬件设计原理如图1所示。硬件主要包括单片机AT89C51、A/D转换器ADC0831、硫化镉光敏电阻和共阴极数码管。系统分为光传感器电路、模数转换电路、控制显示电路3部分。

图1 系统原理图

1.3 软件设计

光照强度测试仪的软件设计流程如图2所示。首先,系统启动后,进行初始化操作,并采集光敏电阻的电信号。然后,启动ADC0831进行A/D转换,单片机读取A/D转换的数据,并处理、分析、判断数据,依据公式计算,得出对应的光照强度值。最后,把光照强度值送到数码管显示出来。

图2 系统流程图

2 系统设计

2.1 电路分析

如图2所示,系统设计分为光传感器电路、模数转换电路、控制显示电路3部分。

(1) 光传感器电路。光传感器电路主要由两部分构成,即光敏电阻和分压电阻。因为光敏电阻的阻值随着光照强度的变化而改变,使得光敏电阻的分压不同,通过测量和画图的方式,可以得出电压值与光照强度的关系,进一步依据关系图分析数据,求出曲线表达式。

(2) A/D转换电路。A/D转换电路由一个ADC0831芯片构成,读取光敏电阻的电压,进行A/D转换后,交给AT89C51单片机进行控制显示。

(3) 控制显示电路。控制显示电路主要由一个AT89C51单片机芯片和一个共阴极4位数码管组成。通过在51单片机中编写程序来控制数码管的正确显示。

2.2 电路数据处理

硫化镉光敏电阻具有灵敏度高、体积小、耐振动等优点,但是其电阻特性是非线性的,经过分压后的输出电压也会呈现出非线性特性，如图3所示。由于曲线的变化是非线性的，因此需要对其进行分段调整。调整的方法是将该曲线分成很多小的线段，而这些小的线段可以近似看成是线性的，可以计算得出补偿规律。但是，因为每个小线段的变化规律不同(见图4)，所以补偿的方法也不同。

图3 光敏电阻特性曲线

根据光敏电阻的输出电压,可以将曲线分成下列区间,分别进行补偿。

图4 不同光照强度光敏电阻特性曲线

[0.14,0.17]：D*(-3846.1538)÷10+15692.308

[0.17,0.25]：D*(-4848.4211)÷10+17736.253

[0.25,0.33]：(D*(-2166.6667)+111500)÷10

[0.33,0.39]：(D*(-1000)+74000)÷10

[0.39,0.50]：(D*(-727.2727)+62000)÷10

[0.50,0.66]：(D*(-454.5455)+47000)÷10

[0.66,0.91]：(D*(-235.2941)+32294.12)÷10

[0.91,1.37]：(D*(-100)+19700)÷10

[1.37,2.22]：(D*(-41.1765)+11641.18)÷10

[2.22,2.63]：(D*(-19.512)+6831.66)÷10

[2.63,3.00]：(D*(-12.5)+4950)÷10

[3.00,3.41]：(D*(-9.375)+3990.63)÷10

[3.41,3.73]：(D*(-8)+3528)÷10

[3.73,4.01]：(D*(-6)+2782)÷10

[4.01,4.38]：(D*(-4.8571)+2319.98)÷10

[4.38,4.61]：(D*(-3.6364)+1782.74)÷10

[4.61,4.94]：(D*(-3.1818)+1576.35)÷10

2.3 误差分析与解决措施

A/D转换会产生一定的误差。从图4(c)中看出,光照越强,电压越趋于平稳,有时在一个很大的光照强度区间内的电压值都相同(取小数点后两位),继而数码管显示的光照强度是该区间的中间值,这造成了一定的误差。

解决办法之一是分组尽量细一些,分得越细,误差就越小。

解决办法之二是调整电压的有效数字的个数,使得获取的数据更加准确,通过计算得出的数值也更准确。但此法会增加数据量,从而影响系统运行速度。

3 仿真结果

在Keil uVision4环境中,用C语言编写代码,导出生成的.HEX文件；在Proteus环境中按照图1搭建的系统原理图,连接好各元器件,并把Keil uVision4环境中的.HEX文件导入Proteus中的单片机中。

在将光照强度划分为3组的情况下,设置光照强度为908 lx,运行效果如图5(a)所示,在数码管中显示光照强度值为915.4 lx。对于存在的误差,在2.3小节已分析了产生误差的原因且与实际相符。图5(b)是划分为5组的实验结果,设置光照强度为915 lx,可以看出误差很小。

图5 仿真结果图

4 结语

通过引入虚拟仿真软件Proteus辅助传感器课程的实践教学,易于让学生理解传感器的电路原理,更好地掌握传感器的知识。针对光敏电阻的非线性特性,给出一种减少测量误差的方法,即将光照强度-电压曲线分成很多小的线段,并将小线段近似看作是线性的并用线性表达式进行计算。经过实验验证,将曲线划分为5组的仿真效果更好。该光照强度测试仪系统能够在现代化农业生产管理中得到应用和推广。

References)

[1] 曾宇,宋永端,王弼堃.基于Proteus和Keil软件的温室环境监测系统开发[J].农业工程学报,2012,28(14):177-183.

[2] 刘胜,杨夏.基于Proteus的数字电路虚拟实验室[J].电气电子教学学报,2012,34(3):85-87.

[3] 王娟.Proteus软件在单片机专题实训中的应用[J].实验室研究与探索,2012,31(8):72-74,110.

[4] 杨延宁,刘立军,张志勇.基于Proteus的单片机汉字点阵显示电路设计[J].液晶与显示,2009,24(1):98-102.

[5] 方天红,张升义.Proteus在“数字逻辑电路”课程项目驱动教学中的应用[J].实验室研究与探索,2014,33(4):195-197,285.

[6] 胡中玉,岳强,任杰,等.基于Proteus仿真的电工电子课程教学创新[J].实验技术与管理,2016,33(4):128-130.

[7] 姚睿,李增武,付大丰,等.基于Proteus的DSP虚拟实验系统设计与开发[J].实验技术与管理,2015,32(3):123-125,136.

[8] 朱清慧,张凤蕊,翟天蒿,等.Protues教程：电子线路设计、制版与仿真[M].2版.北京:清华大学出版社,2011.

[9] 周灵彬,任开杰.基于Proteus的电路与PCB设计[M].北京:电子工业出版社,2010.

[10] 毛立彦,慕小倩,董改改,等.光照强度对曼陀罗和紫花曼陀罗生长发育的影响[J].植物生态学报,2012,36(3):243-252.

[11] 孙莹,石锦安,邵小鹏,等.不同生境条件下光照强度对蓝花楹光合色素含量及开花的影响[J].应用与环境生物学报,2015,21(6):1150-1156.

[12] 王晓冬,唐焕伟,曲彦婷.光照强度对郁金香生长发育和内源激素含量的影响[J].北方园艺,2012,25(1):84-86.

[13] 高庆玉,蒋明凤,张丙秀,等.光照处理对树莓品种费尔杜德花芽分化的影响[J].东北农业大学学报,2012,43(10):69-73.

[14] 孟庆宽,张漫,杨耿煌,等.自然光照下基于粒子群算法的农业机械导航路径识别[J].农业机械学报,2016,47(6):11-20.

[15] 黄晓慰,陆丽莉,江朝晖.光照不变性研究及在农业领域中的应用[J].农机化研究,2011(12):43-46,50.

Design of virtual light intensity tester system

Tian Anhong， Fu Chengbiao

(School of Information Engineering,Qujing Normal College,Qujing 655011,China)

Experiment box has been demonstrated in the traditional practical teaching of Sensor course, which causes the lack of establishing hardware circuit and training code programming for students,Proteus virtual simulation software has been introduced into experiment teaching. This paper designs a virtual light tester system,students can master the hardware components and exercise code programming ability,by establishing hardware circuit in the Proteus environment,and programming in the Keil uVision environment. In view of the different resistance for photosensitive resistance in the different light conditions, the light intensity value can be displayed on the digital tube by the processing of collecting light signal,AD conversion and single-chip microcomputer operation. In addition,due to the nonlinear resistance characteristics of cadmium sulfide photosensitive resistance,the line is divided into three groups,namely the weak light,moderate light and strong light illumination,in order to reduce error,the small segments can be approximately seen as linear curve features,at the same time,the error of five groups is smaller than that of three groups.

light intensity tester; virtual simulation; practical teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.029

2016-10-16

国家自然科学基金项目(31660680)；云南省教育厅自然科学基金项目(2016ZDX127)

田安红(1984—),女(土家族),贵州安顺，硕士，讲师，主要研究方向为物联网技术和无线定位导航.

E-mail：tianfucb@163.com

TP274

A

1002-4956(2017)4-0115-03