基于USB接口的光照度记录仪的设计

　　0　引言

　　光照度是一个非常重要的气象参数,对作物的生长、人的生存居住、工业生产都有着密不可分的关系,光照度记录仪是工业控制、环境保护、科研部门检测环境、农业科研气象的专用仪器。近几年光照度记录仪品种繁多,这些产品一般具有大测量范围、实时显示、数据存储、PC设置采集参数、PC在线处理采集数据的功能。其中PC在线设置采集参数和处理数据过多的依赖PC在线处理给应用者带来了制约性。针对上述情况,文中设计的基于STC89C58RD+[1] 单片机的光照度记录仪,通过USB接口芯片CH375B[2]不仅可以从电脑设置记录参数以及读取数据,而且还可以脱离电脑随时设置采集参数和提取数据, 自动存储数据至TXT文件。

　　1　系统硬件设计

　　光照度记录仪的硬件部分主要包括STC89C58RD+主控制器、数据采集模块、设置参数和实时显示模块、掉电不丢失数据存储模块、USB主从传输模块。系统硬件框图如图1所示。

　　1. 1　主控制器的选型

　　仪器采用STC89C58RD +的CPU,具有较宽的电压范围3·4~5·5 V;片上集成了1024 Byte RAM,解决编程时RAM不足的问题;看门狗功能,有效地实现了抗干扰功能; ISP/IAP无需使用专用的编程器就可以通过串口P3. 0和P3. 1直接下载用户程序,节省了开发费用; 32 K的FLASH程序存储空间可以满足本程序20 KHEX机器码的应用。

　　1. 2　采集模块的设计

　　设计运用光电二极管短路电流与光照度呈正比例线性关系的原理,将光照度信号转换为模拟电流信号,再转换为电压信号,经过A/O转换电路,转换为能够被单片机所处理的数字信号[3]。光照采集模块电路如图2所示。

　　该仪器测量的对象为峰值波长在540 nm附近的可见光,采用硅光二极管2DU6和高输入阻抗的OP777运算放大器设计“电流电压转换电路”,将光电二极管短路电流Isc放大转换为0~5 V的模拟电压U0。2DU6的外部电路连接方式为电压零偏置,即在光电二极管两端不加电压源,当有光源照射到2DU6时,在2DU6内部P极近表面内激发出电子-空穴对(光生载流子),激发出的电子空穴对在内电场作用下分别飘移到N型区和P型区,当在PN结两端短路(RL=0)时,光生电压接近于零,流过 PN结两端的短路电流为

　　式中:Isc为电路中流经二极管的电流; Ip为光生电流; I0为二极管反方向饱和电流,温度一定时为常量; q为电子的电荷量1·602×10-9C;U为加在二极管两端的电压;k为波尔兹曼常数1·381×10-23J/K;T为绝对温度值。

　　又由式(2)和由OP777组成的“电流电压转换电路”放大转换为0~5V的模拟电压U0得: