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色温照度计的研制

作　者: 高世芝
导　师: 金尚忠
学　校:
专　业: 光学工程
关键词: 照度计光电积分余弦校正相关色温光电转换单片机
分类号: TH74
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在照明设计，摄影工程和交通安全等方面，现代工业对于照度设计要求越来越严格，照度测量的应用越来越普遍。对照度测量不仅仅局限于测试精度的提高和静态的单点测量，更要求实现瞬时动态多点测量，实现照度、色温等多个光度参数的测量，以及高精度高稳定性的测量。本论文基于单片机研制了一款能实现大量程，高精度，能瞬间动态响应，光度参数测量齐全的色温照度计。本论文的具体研究内容包括：（1）光学部分。在光度参数的计算方面，采用区域划分和线性插值的方法，优化相关色温和主波长的相关算法，减少了运算次数，提高了运算速度和精度。在光学结构的设计方面，设计选用了球壳形的余弦校正器来消除测试角度对于测试准确性的影响，并用Tracepro模拟验证了其修正效果；在总误差面积比例最小法的评价方法下，进行了校正滤光片的匹配优化，提出了在考虑斜光束影响下的校正滤光片厚度的优化公式，并通过实验验证了其准确性。（2）电路部分。选择芯片的典型应用，完成了+3.3V、-3.3V和0.3V三种稳压降压模块的设计，用于各种控制板和光电传感器的供电。设计选择6个光电传感器S1133，成对称分布，完成光电信号的准确采集。通过微处理器对模拟开关通道的选择控制，设计了可编程增益仪表放大器，完成了0~99990lx的照度测量范围的设计，同时提高了A/D转换的精度和测试的准确性。选择模拟开关CD4052完成测试通道的选择，合理的安排测试时序。设计选用STM8L101F3型号单片机进行硬件电路的控制，同时经过串口通信与PC机进行信号传输。（3）软件部分。完成了单片机和上位机的软件设计，编写相应程序完成了测量过程中增益的调节和与上位机的通信协议的设计。上位机部分编写相应代码完成了系统的配置模块的设计，保证了测试有序进行；完成与下位机的通信设计；完成了色度参数的运算处理和界面显示设计工作。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-9
目次  9-12
图清单  12-14
表清单  14-15
1 绪论  15-21
  1.1 选题的目的和意义  15-16
  1.2 国内外光照度测量的发展及现状  16-19
    1.2.1 国外光照度测量的发展及现状  16-17
    1.2.2 国内光照度测量的发展及现状  17-19
  1.3 光照度测量的发展趋势  19
  1.4 本论文的主要研究内容  19-21
2 光度学相关概念及总体方案设计  21-32
  2.1 光度学相关概念  21-24
  2.2 光度学参数的计算  24-29
    2.2.1 光谱三刺激值  25
    2.2.2 色品坐标 x，y；u，v  25-26
    2.2.3 相关色温  26-27
    2.2.4 主波长  27-29
  2.3 色温照度计总体方案设计  29-31
  2.4 本章小结  31-32
3 色温照度计的光学结构设计  32-45
  3.1 余弦校正器的设计  32-34
  3.2 校正滤光片的匹配  34-43
    3.2.1 校正滤光片的匹配及光谱透过率计算  34-37
    3.2.2 校正滤光片匹配精度的评价方法  37-38
    3.2.3 校正滤光片的特性及选择  38
    3.2.4 斜光束对校正滤光片匹配精度的影响  38-40
    3.2.5 优化的校正滤光片对精度的影响  40-41
    3.2.6 校正滤光片匹配结果  41-43
  3.3 色温照度计的校正定标  43-44
  3.4 本章小结  44-45
4 色温照度计的硬件电路设计  45-56
  4.1 稳压降压电路模块  45-47
    4.1.1 产生+3.3V 稳定电压的稳压降压模块  45-46
    4.1.2 -3.3V 稳压模块  46-47
    4.1.3 0.3V 参考电压模块  47
  4.2 光电传感器的选择  47-48
  4.3 运放与可编程增益放大模块  48-52
    4.3.1 运放与可编程增益模块原理  48-50
    4.3.2 运算放大电路的设计  50-51
    4.3.3 可编程增益模块设计  51-52
  4.4 测试通道的选择与 A/D 转换电路  52-54
  4.5 单片机控制电路  54-55
  4.6 本章小结  55-56
5 色温照度计软件设计  56-63
  5.1 单片机系统软件设计  56-60
    5.1.1 测试信号采集模块  57-59
    5.1.2 串口通信模块  59-60
  5.2 PC 机软件设计  60-62
    5.2.1 系统通信模块  60
    5.2.2 系统配置模块  60-61
    5.2.3 测试数据处理模块  61
    5.2.4 数据显示模块  61-62
  5.3 本章小结  62-63
6 结果和分析  63-68
  6.1 相对示值误差的检定  63-65
  6.2 余弦特性误差  65-66
  6.3 非线性误差  66
  6.4 换挡误差  66-68
7 总结与未来展望  68-70
  7.1 研究总结  68-69
  7.2 未来展望  69-70
参考文献  70-73
作者简历  73

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