Цифровой люксметр (измеритель освещённости) своими руками
Во время учебного процесса потребовался нам в кабинет охраны труда прибор для измерения освещённости — люксметр. Передо мной стала задача решить проблему отсутствия такого прибора в кратчайшие сроки наиболее эффективным методом. Исходя из этого, пришлось разрабатывать и собирать люксметр из того, что было.
Общие сведения.
Сердцем люксметра является микроконтроллер Atmega8. В качестве датчика освещённости применен фоторезистор. Поскольку модель этого фоторезистора неизвестна, а соответственно, неизвестны и его параметры, то в схеме предусмотрена возможность калибровки.
Также, важной особенностью является то, что фоторезистор — нелинейный элемент. То есть при изменении освещенности на одну и ту же величину, его сопротивление изменяется неодинаково. Поэтому для обработки нелинейного сигнала был применён метод, который называется «линейно-кусочная аппроксимация». Вдаваться в подробности этого метода в рамках этой статьи нет смысла, так как это довольно обширная тема, хотя и ничего особо сложного в ней нет. Возможно, об этом методе будет написана отдельная статья.
Данная характеристика была снята при помощи программы «Люксметр» на смартфоне Android. Конечно, цифровые значения с характеристики носят характер приблизительных, однако позволяют понять принцип изменения параметров датчика. Не забываем также про возможность калибровки. Отмечу, что прибор получился довольно точный.
В качестве стабилизатора напряжение применён классический интегральный линейный стабилизатор L7805. Запитывать устройство можно как и от батарейки типа 6F22 («Крона»), либо от любого другого источника питания напряжением 6-30 В.
Принцип работы схемы.
Сигнал с резистивного делителя LDR1-RV1, в одном плече которого установлен фоторезистор, поступает на вход ADC1 микроконтроллера. АЦП микроконтроллера производит измерение и преобразование результата. Потенциометр RV1 предназначен для калибровки прибора. Его значение не обязательно должно быть 3.3 кОм. В моём случае установлен многооборотный подстроечный резистор на 15 кОм (что было под рукой).
Вывод результатов измерений производится на двухстрочный индикатор WH1602 (на контроллере HD44780), который подключен к микроконтроллеру по 4-битной шине. Потенциометр RV2 также может иметь любой номинал. Он предназначен для регулировки контрастности дисплея. Вывод движка потенциометра подключен на вывод VEE индикатора (иногда встречается V0), а два крайних вывода к +5 В и земле соответственно. При включении устройства на дисплее может ничего не высветиться. Для устранения этого вращаем вращаем ручку подстроечного резистора RV2 и добиваемся чёткого изображения.
Если показания будут прыгать или быстро изменяться, то рекомендую запаять параллельно фоторезистору электролитический конденсатор ёмкостью около 50 мкФ (не критично). Такой эффект может возникать в результате мешающего влияния электромагнитных полей, окружающих нас. У меня изначально фоторезистор был установлен на плате и такой проблемы не было. Но когда я его сделал выносным для монтажа в корпусе, несмотря на то, что длина проводов была небольшой, появилась такая проблема. Всё решилось после установки конденсатора.
В программе производится усреднение значения по 60 замерам, что довольно неплохо.
Максимально измеряемое значение составляет около 2500 Лк. Для измерения в помещениях этого достаточно. А для измерения на улице (тем более, в солнечную погоду) требуется уже другой прибор — измеритель КЕО (коэффициента естественного освещения).
Фотографии готового устройства.
Печатная плата получилась не совсем удачной, т.к. были проблемы с принтером. Из-за этого пришлось делать широкие дорожки и размеры платы получились довольно большими (хотя для меня это не критично). Если применить SMD компоненты, то получится совсем миниатюрное устройство.
В последствии, «Крона» была заменена на 4 пальчиковых батарейки типа AA.
Источник
2 Схемы
Принципиальные электросхемы, подключение устройств и распиновка разъёмов
Простой Люксметр: обзор и схема
Люксметр — это прибор для измерения освещенности, по своей сути он представляет собой фотоэлемент, подключенный к микроамперметру, который калиброван единицах освещенности – люксах. Один люкс равен освещённости поверхности сферы радиусом 1 м, создаваемой точечным источником света, находящимся в её центре, силой света в 1 кд [ru.wikipedia.org/wiki/Люкс]. Один люкс это довольно малая величина, на практике приходится иметь дело с освещенностями измеряемыми сотнями и тысячами люкс.
Для примера приведем таблицу типичных значений освещенности в разных условиях:
| Тип помещения | Освещенность, лк |
| Комнаты операторов ЭВМ | 400 |
| Проектные залы, конструкторские комнаты | 500 |
| Производственный цех, работы малой точности | 150-250 |
| Производственный цех, работы средней точности | 250-350 |
| Производственный цех, работы высокой точности | 400-500 |
| Производственный цех, работы наивысшей точности | 1000-5000 |
| Аудитории, учебные кабинеты (ВУЗы, техникумы) | 400-500 |
| Посадочные площадки общественного транспорта | 10 |
| Парковая зона | 2 |
Данный прибор размещается в кожаном кофре с ремнем для переноски.
Внутри имеется ряд отделений и креплений для всех деталей люксметра.
В большом отделении располагается непосредственно сам прибор. Корпус прибора выполнен из пластика. Габариты корпуса 210 х 125 х 75 мм.
К крышке пристегнут фотоэлемент. Диаметр фотоэлемента составляет 85 мм, провод для подключения к люксметру имеет длину 1,4 м.
Следует заметить, что в кофре имеется отверстие для разъема, так что можно подключить фотоэлемент не извлекая люксметр из кофра.
Кроме этого в кофре имеется два небольших отделение для хранения ослабляющих насадок для измерения большой освещенности. В комплект входим насадки М, Р, Т дающие ослабление в 10, 100 и 1000 раз, вместе с ними обязательно надевается насадка К.
Насадка М, дающая ослабление в 10 раз
Насадка Р, дающая ослабление в 100 раз
Насадка Т, дающая ослабление в 1000 раз затерялась за давностью лет.
Использование люксметра
Для проведения измерений необходимо подключить фотоэлемент к разъему на корпусе люксметра. При этом надо соблюдать полярность, что бы стрелка прибора отклонялась в правильном направлении. Никаких ключей на разъеме нет, хотя возможно разъем данного прибора самодельный. Собственно внутреннее устройство данного люксметра весьма незамысловато. Это просто микроамперметр, к которому подключен фотоэлемент. Кроме этого на передней панели располагается две кнопки с фиксацией для переключения пределов измерения. Эти кнопки коммутируют резисторы в делителе напряжения. Открутив четыре винта на задней стенке корпуса, можно познакомиться с небогатым внутренним миром люксметра.
Принципиальная схема люксметра
Следует заметить, что прибор не имеет источника питания.
Непосредственно, без масок прибор способен измерять низкие освещенности в 30 и 100 люкс. Под кнопками проставлены пределы измерения прибора с соответствующими насадками. Насадки М, Р, Т надеваются на фотоэлемент и фиксируются сверху насадкой К.
При не нажатых кнопках прибор отключен. При нажатой левой кнопке отсчет следует вести по шкале с 30 делениями, при нажатой правой кнопке следует использовать шкалу со 100 делениями. На фото ниже на люксметр надета насадка Р, предел измерения до 1000 Лк.
Выводы
В целом, неплохой прибор, вполне способный выполнять свои функции, хотя сейчас его удел — служить наглядным пособием. Простота прибора делает возможным его копирование даже для самых начинающих радиолюбителей. Автор обзора — Denev.
Источник
Измеритель освещенности своими руками
Индикатор светового излучения
Автор: SSMix
Опубликовано 20.09.2014
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса «Поздравь Кота по-человечески 2014»
Предлагаемый Вашему вниманию многофункциональный прибор может использоваться для многих целей: как люксметр для измерения уровня светового излучения, как измеритель индекса ультрафиолетового излучения, как индикатор формы видимого и инфракрасного излучения от разных источников с осциллографированием в полосе частот от 20Гц до 200кГц и выводом осциллограммы на графический ЖКИ. Благодаря малым габаритам прибора и легкости в использовании он станет незаменимым помощником при выборе и покупке безопасных для здоровья энергосберегающих лампочек, мониторов, телевизоров, смартфонов, планшетов, телефонов и всего прочего, излучающего свет или имеющего дисплей. Таким прибором можно легко проверить эффективность солнцезащитных очков, исправность любого ИК-пульта, а также производить сравнения по силе света разных источников, например лампочек или светодиодов.
История создания описываемого в данной статье прибора следующая. В своё время автор никак не мог понять один интересный момент. Раньше, работая по 4-6 часов в день за кинескопным монитором Samsung без каких-либо неприятных ощущений, а затем пересев на новый ЖК-монитор LG L1715S, уже через 30-40 минут появлялась резь и покраснение в глазах, а затем добавлялась головная боль. Аналогичный эффект проявлялся и при длительном пользовании смартфоном Nokia 6220 classic. Выяснить причину это явления удалось случайно через несколько лет.
Проблема оказалась в ШИМ-модуляции подсветки дисплея. Видимо, производители упомянутых выше устройств не особенно заморачивались с регулировкой яркости подсветки, и использовали самый примитивный способ, т.е. диммирование. Какие последст-вия для самочувствия и здоровья пользователей имеет мерцание экрана (с полным размахом по яркости, кстати), производителей похоже не интересует.
В сети Интернет есть форумы, посвящённые выбору мониторов и телевизоров без ШИМ-мерцания. Для выявления ШИМ используются в основном “карандашный тест” (стробоскопический эффект при кратности частоты колебаний зажатого между двумя пальцами карандаша и частоты ШИМ) и видео камеры телефонов, но надежней и точней, пожалуй, использование фотодиода и осциллографа. Правда, при непосредственном подключении фотодиода к стандартному 1М-омному входу осциллографа имеет место сильный завал частотной характеристики из-за низкой скорости заряда-разряда суммарной ёмкости в образовавшейся RC-цепи.
На практике таким способом можно увидеть пульсации сигнала частотой до нескольких кГц (в зависимости от суммарной ёмкости фотодиода, кабеля, осциллографа и монтажа).
Нагрузив фотодиод сопротивлением 10…100 кОм можно расширить частотный диапазон измерений за счет уменьшения постоянной времени τ=RC, однако при этом во столько же раз упадёт чувствительность.
На практике фотодиод обычно используют совместно с операционным усилителем (ОУ) по следующей типовой схеме включения:
“Секрет” данной схемы заключается в том, что при заземленном неинвертирующем входе ОУ отрицательная обратная связь стремится установить такое напряжение на выходе усилителя, чтобы выровнять потенциал с инвертирующим входом. А поскольку фотодиод включен непосредственно между входами ОУ, создаётся режим работы, близкий к короткому замыканию для фотодиода, что обеспечивает малое τ, и, как следствие, высокое быстродействие схемы.
При помощи такой схемы было выяснено, что у монитора LG L1715S имеет место мерцание частотой 100кГц промодулированное частотой около 375Гц. У смартфона Nokia 6220 classic измеренная частота ШИМ составила 290-295Гц. При максимальной яркости подсветки мерцание исчезает, но яркость получается слишком избыточной.
Вот лишь несколько кратких выдержек из различных статей о негативном воздействии мерцания света, выложенных в Интернете:
“Одной из важных характеристик искусственного освещения является пульсация светового потока или, как часто говорят, мерцание света. Пульсация светового потока на глаз практически не воспринимается, так как частота пульсации превышает критическую частоту слияния мельканий, но неблагоприятно влияет на человека, вызывая повышенную утомляемость. Отрицательное воздействие пульсации возрастает с ее увеличением, появляется напряжение на глазах, усталость, трудность сосредоточения на сложной работе, головная боль.”
“По санитарным нормам при работе с монитором компьютера уровень пульсаций, частотой до 300 Гц, не должен превышать 5%.”
“Частота пульсаций светового потока 100 Гц превышает критическую частоту слияния световых мельканий, поэтому колебания света зрительно не воспринимаются, однако их отрицательное воздействие на организм человека установлено в многочисленных исследованиях. Многочисленными экспериментами установлено, что при частоте колебаний света 100 Гц отрицательное воздействие на организм человека достаточно мало только при глубине пульсации не более 5-6 %. При питании источников света током частотой 300 Гц и выше глубина пульсации не имеет значения, так как на эту частоту мозг не реагирует.”
“Установлено, что повышенная пульсация освещенности оказывает негативное воздействие на центральную нервную систему, причем в большей степени – непосредственно на нервные элементы коры головного мозга и фоторецепторные элементы сетчатки глаз.
Исследования показывают, что у человека снижается работоспособность (производительность труда и качество выполняемых работ), появляется напряжение в глазах, повышается усталость, труднее сосредотачиваться на сложной работе, ухудшается память, чаще возникает головная боль. Отрицательное воздействие пульсации возрастает с увеличением ее глубины.
По данным Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии АН СССР (РАН), мозг пользователя ПЭВМ крайне отрицательно реагирует на два (и более) одновременных, но различных по частоте и не кратных друг другу ритма световых раздражений. При этом на биоритмы мозга накладываются пульсации от изображений на экране дисплея и пульсации от осветительных установок.”
СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы». Пункт 6.14: «Коэффициент пульсации не должен превышать 5%».
Таким образом, отрицательное воздействие на человека оказывает вообще освещение с мерцанием. Те же энергосберегающие и светодиодные лампочки в зависимости от производителя могут также иметь запредельный уровень пульсаций, а при их старении, по мере выгорания люминофора, склонны добавлять ещё и долю ультрафиолета!
Также существенное влияние оказывает именно импульсный характер ШИМ-пульсаций светодиодной подсветки дисплеев. Поскольку светодиоды обладают малой инерционностью в процессе включения/выключения, возникает резкий перепад импульсов света в отличие от прежних кинескопных экранов.
Поэтому возникла идея разработать карманный прибор для оценки безопасности мониторов, телевизоров, лампочек и т.п., чтобы не таскать с собой осциллограф с разными приставками.
В результате получился прибор со следующими техническими характеристиками:
— диапазон развертки для осциллографирования
светового излучения (380. 1100 нм)…………………. 5мс/дел…5мкс/дел
— максимальная частота дискретизации АЦП.………. 1 МГц
— диапазон измеряемой частоты………………………. 20Гц…200кГц
— коэф. пульсаций………………………………………. 0…100%
— диапазон измерения УФ излучения (240. 370 нм)….0…20UVI*
— диапазон измерения уровня освещённости в
видимом диапазоне светового излучения……………. 0…100000 люкс
— дисплей………………………………………………. графический ЖК, 96х68 пикс.
— питание…………………………………………………. Li-Po аккумулятор (150мА∙ч)
— потребляемый ток в рабочем режиме………………. 13 мА
— потребляемый ток в энергосберегающем режиме……22 мкА
— габаритные размеры……………………………………. 65х50х17,5мм
— вес………………………………………………………. 40г.
*При индексе УФ излучения менее 0 UVI замер производится в диапазоне (0…69) мВт/см2.
Для измерений используются 3 датчика: 1) УФ излучения, 2) для осциллографирования, и 3) уровня освещённости, с которых на дисплей прибора выводится следующая информация:
В верхней строке:
— индекс ультрафиолетового излучения (UVI) или мощность в мВт/см2;
— напряжение аккумулятора (в Вольтах) в первые 3 сек. после включения питания, затем уровень освещённости в люксах;
— символ батарейки, заполняемый пропорционально уровню заряда аккумулятора.
В основной части экрана выводится осциллограмма светового излучения с сеткой.
В нижней строке:
— коэффициент пульсаций светового излучения в %;
— частота пульсаций;
— скорость развертки.
В самом низу экрана выводится аналоговая шкала уровня осциллографируемого светового излучения для оценки его интенсивности.
Масштабирование осциллограммы по вертикали осуществляется автоматически. По горизонтали переключение скорости развертки по умолчанию после включения осуществляется автоматически (символ * после скорости развёртки). При кратковременном нажатии кнопки “ ” осуществляется выбор скорости вручную. При этом символ * после скорости развёртки исчезает. Повторное включение автоматического переключения скорости развёртки осуществляется одновременным нажатием кнопок “ ”. При нажатии и удержании кнопки “>” более 2 сек происходит фиксация всех показаний на дисплее (кроме символа батареи). Переход в режим замеров осуществляется по нажатию любой кнопки.
При отсутствии нажатия кнопок в течение 2 мин после включения питания происходит переход в энергосберегающий режим с выводом сообщения о выключении. В течение 5 секунд нажатием любой из кнопок можно отменить выключение. Для повторного включения прибора необходимо кратковременно нажать любую из кнопок или выключить и заново включить питание.
Схема электрическая прибора:
Для его удешевления выбран недорогой микроконтроллер DD1 STM32F050F4P в корпусе TSSOP20, имеющий на борту 16кБ Flash-памяти, 4кБ ОЗУ, АЦП с максимальной частотой выборок 1МГц, и обладающий быстродействием ядра до 48 МГц. На выбор главным образом повлияла очень низкая цена и довольно быстродействующий 12-разрядный АЦП.
Тактовый генератор микроконтроллера работает от кварца 4 МГц с умножением до 28 МГц. Данная частота выбрана для получения максимальной скорости выборок встроенного АЦП.
Для индикации использован дешевый и пока ещё доступный у ремонтников дисплей от серии телефонов Nokia 1202_1203_1280 с разрешением 96х68 пикс. Черно-белый дисплей выбран для удобства считывания с него данных при ярком солнечном свете, т.к. цветной дисплей в при таком интенсивном освещении становится практически нечитаемым. Выбранный дисплей имеет встроенную светодиодную подсветку, яркость которой можно установить подбором сопротивления резистора R25.
В качестве датчика для осциллографирования HL1 использован быстродействующий фотодиод SFH229, работающий в широком спектральном диапазоне 380. 1100 нм. Он подключен по типовой схеме к ОУ DA1.2 MCP6022. Коэффициент передачи для очень малых сигналов определяется сопротивлением резистора R6, а для больших – R1.
В качестве датчика ультрафиолетового излучения использован фотодиод HL2 GUVA-S12SD, работающий в диапазоне UV-B (240. 370нм), и имеющий нормированную характеристику индекса ультрафиолетового солнечного излучения. Данный фотодиод можно заказать в Китае, а можно аккуратно (двумя паяльниками) выпаять из готовой платы UV Sensor TOY0044 (слева) или SEN00700P (справа):
Такие готовые платы используются в качестве внешних модулей для Arduino и широко распространены в Интернет-магазинах. Схема включения фотодиода скопирована с платы TOY0044. Для усилителя сигнала использована вторая половинка ОУ DA1.2.
В качестве датчика освещенности DA4 использован очень дешевый аналоговый сенсор NOA1211 от On Semiconductor, представляющий собой совмещённые в одном корпусе фотодиод с усилителем с переключаемым коэффициентом усиления по выводам GB1, GB2. Поскольку у микроконтроллера задействованы все линии, GB1 и GB2 подключены к питающему напряжению, что соответствует минимальной чувствительности и самому широкому диапазону измерений от 0 до 100000 люкс. Токовый выход датчика нагружен на цепь R5, C6, с которой полученное напряжение подаётся на вход АЦП микроконтроллера.
Питание на датчики и дисплей подаётся через ключ VT1, управляемый микроконтроллером.
Напряжение питания составляет +3В, и формируется линейным стабилизатором DA3 MCP1700-3002E/TT, который через выключатель питания SA1 подключается к аккумулятору GB1. Резистор R17 предназначен для быстрой разрядки ёмкостей по цепи питания и сброса микроконтроллера, что ускоряет последующее включение.
Для зарядки аккумулятора использована специализированная микросхема DA2 MCP73831T-2ATI. Ток зарядки задаётся сопротивлением резистора R11 и в данном случае составляет 100 мА. Зарядка осуществляется от внешнего источника напряжением 5В, подключаемым к разъёму X1 miniUSB. Светодиоды HL3, HL4 служат для индикации процесса зарядки. Красный светодиод HL3 указывает на заряд, зелёный HL4 – на завершение.
Разъём X2 предназначен для программирования микроконтроллера через интерфейс USART. Если на выводе 1 (BOOT0) DD1 в момент подачи питания или после сброса присутствует лог.1 – задействуется внутренний бутлоадер для загрузки программы извне. Высокий уровень может быть сформирован как от программатора, так и установкой джампера на контакты разъёма X3 (справа по схеме). Для работы микроконтроллера на выводе 1 (BOOT0) DD1 должен присутствовать лог.0.
Прибор собран на односторонней печатной плате толщиной 1 мм с габаритами 58,5х43,5 мм, разработанной под стандартный пластиковый корпус Z69.
Источник