Люксметр своими руками на arduino
Добавил пользователь Валентин П. Обновлено: 18.09.2024
Многие аквариумисты в своей практике сталкиваются с необходимостью измерить освещенность в своем аквариуме или просто сравнить освещенность после установки дополнительных ламп, отражателей, и.т. Для этих целей существуют специальные приборы, люксметры. Но приборы эти не дешевые, да и требуются не часто, что делает их покупку в большинстве случаев неоправданной. В то же время в сети есть попытки изготовления упрощенных самоделок на основе простеньких тестеров и фотоэлементов (солнечных батарей) от калькуляторов и появившихся последнее время в продаже дешевых "садовых светильников". Вот и я решил сделать подобный приборчик. За основу взял элемент от
Navigator NSL-MT цена 84 руб
.
Элемент имеет размеры 4х4см, снаружи выполнен из силикатного стекла, изнутри из пластика, уже герметичен и имеет неплохую равномерность преобразования светового потока в электрический ток. В качестве прибора регистрирующего этот ток взял один из самых дешевых и распространенных китайских тестеров серии DT-830. Такие у многих есть дома, у меня нашелся DT-832.
Основная ошибка самодельщиков, попытка измерять напряжение на выводах элемента, а не ток им продуцируемый. Такой подход приводит к очень большой нелинейности преобразования, сложностью интерпретации полученных значений, . , короче ничего хорошего. Подробно останавливаться на этом не буду, поверим мне наслово (коротко затрагивали Эксперимент по проверке эффективности отражателей ). Так выглядит элемент от Navigator NSL-MT после удаления всего "лишнего".
Что нужно сделать для того что бы мерять ток, а не напряжение? Правильно, надо что бы этот ток хотя бы был. Для этого подключим к нему наш прибор в режиме измерения тока 2000 мкА. Теперь при освещении элемента, через относительно низкое входное сопротивление прибора пойдет эл. ток (в режиме измерения напряжения входное сопротивление прибора очень велико, и в первом приближении считается что его нет). Для калибровки прибора потребуется люксметр (придется где то одолжить на вечер). Мне удалось одолжить целых два и на долго. Но о приборах и методике калибровки позже.
В результате получили такую табличку зависимости тока от освещенности, рис 1. Да, получили, но удобно ли ей пользоваться? Нет, во первых ее надо всегда иметь под рукой. Во вторых, как определить освещенность, если например прибор показывает ток 1000 мкА? Придется или каждый раз делать какие то вычисления или составлять более подробную таблицу или график. А можно ли как то проще? Попробуем. Для этого вначале вспомним, как обычно измеряют эл. ток. В большинстве случаев измеряют падение напряжения на резисторе включенном в цепь этого тока. Так и сделаем, подключим резистор и будем мерять на нем напряжение. На рисунке 2 приведены все три схемы.
Встает естественный вопрос, а какого номинала выбрать этот резистор? С одной стороны, чем меньше резистор, тем выше линейность зависимости тока от освещенности, но тем меньше падение напряжения на резисторе, ниже точность. А вот тут самое интересное! Выбираем такой номинал резистора, при котором падение напряжения по величине совпадает с величиной освещенности измеренной настоящим люксметром. Для этого устанавливаем подстроечный резистор, например такой рис 4. Далее делаем так, устанавливаем освещенность 2000 лк и выставляем подстроечным резистором (рис 3) напряжение на приборе 200 мВ (диапазон 2000 мВ). Далее меняя освещенность записываем полученные прибором данные. На значениях до 200 мВ переключаем тестер на диапазон 200 мВ, при бОльших переходим на диапазон 2000 мВ. Получаем такую таблицу (рис 5). Ну как, впечатляет? Меня такая точность без всяких таблиц преобразований вполне устроит. Погрешность заводского прибора использованного для калибровки 8%.
PS
Хочу напоследок заметить, в таких приборах самое главное это качественный преобразователь (включая соответствующие фильтры), а в этом приборе он упрощенный, без всяких фильтров, так что проблемы со спектральными характеристиками дадут о себе знать. Будут и другие. Можно конечно усложнить схему, дополнить электроникой, дорабатывать сам преобразователь, но смысла в этом никакого не визу. Как не приводи в соответствие показания этой самоделки настоящему люксметру, она им не станет. Но на это никто и не претендует. Это вариант очень дешевого прибора для "прикидочных" измерений-сравнений. На большее рассчитывать не стоит. Хотя бюджетные резервы повысить точность преобразования еще есть, и я их позже приведу.
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
Принципиальная схема простейшего 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.
Прибор для измерения освещенности обычно используется для измерения уровня светового потока, падающего на поверхность. Световой поток – видимый компонент, который определяется человеческим глазом в видимом спектре. Это означает, что прибор хорошо подходит для уровня освещенности, подходящему для глаза. Но есть разница между спектрами реакции обычных кремниевых фотодиодов и человеческим глазом, поэтому они не могут быть использованы для качественного люксметра.
Схема люксметра
Фотодиод желательно использовать такой, который пропорционален входной мощности света. В этой схеме, выходной ток преобразуется в напряжение с I-V преобразователя, он обрабатывается контроллером Attiny-26 и значение показыватся LED индикаторами. Элемент U1 в этой схеме выступает в качестве вольт-амперного преобразователя и его коэффициент пересчета становится 50 мв/мкА по обратной связи R5. Конденсатор С5 вводит коррекцию коэффициента усиления, он нейтрализует собственную ёмкость фотодиода.
Прибор для измерения освещенности получает питание от 9 В батареи. Чтобы минимизировать для аккумулятора, он установил контакт с двумя кусок пружины изготовлены из никелированной меди, фосфора сплава вместо батареи оснастки. Однако это не анти-реверс вставки структура, любая защита цепи нужна. Транзистор Q1 является своеобразным предохранителем. Управляет питанием Q3 и Q4, через Q4.
7-сегментный светодиодный дисплей в 14 контактном DIP пакете. Это полезно для стационарного оборудования, но плохо подходит для работы от батареи, потому что потребляет немало тока, лучше конечно ставить ЖКИ.
Светодиоды будут мигать в случае низкого уровня заряда батареи. Выключение питания проиводится с помощью самого микроконтроллера, управляющего питанием. Это полезно для предотвращения забывания выключения прибора. Люксметр сам отключит питание через 60 секунд.
Калибровка
Ток Ікз = 0.16 мкА/100lux, согласно паспорта на S1087. Он станет на уровне 2 мкА при 1250 ЛК. Для тестирования выведен вход (ТР1), куда подают строго 100 мВ – это эквивалентно 1250 Lux на фотодиоде. Для выполнения калибровки, через резистор несколько килоом нужно подать на вход указанное питание. Низкий диапазон калибруется при -100 мВ на ТР1, высокий диапазон калибруется при -1 В на ТР1. Естественно фотодиода должен быть закрыт во время калибровки, иначе результат будет недействительным. Файлы платы и прошивки микроконтроллера тут.
Коммуникативный педагогический тренинг: способы взаимодействия с разными категориями учащихся
Сертификат и скидка на обучение каждому участнику
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
Выполнил: Губкин Глеб,
Геращенко Владимир
МБОУ СОШ № 2
8а класс
Руководитель: Караванов С. Ф .
г. Салехард 2017
Актуальность. Обоснование проблемы и формулировка темы проекта.
Некачественное освещение часто бывает причиной для недомогания, ухудшения зрения, а иногда и серьезных проблем со здоровьем. Свет имеет множество параметров, не воспринимаемых нами на сознательном уровне, но влияющих на функционирование организма. Далеко не все осветительные приборы дают качественный свет.
Объект исследования: освещаемые жилые и производственные помещения.
Предмет исследования: искусственное и естественное освещение.
Гипотеза исследования: Мы решили, что хватит быть потребителем, и надо внести свой вклад в развитие ресурса, мы предположили, что в домашних условиях можно создать прибор, с помощью которого будем, производят замеры освещенности и находить самое яркое место в помещении.
Цель и задачи проекта.
Цели проекта: Сконструировать в домашних условиях прибор, с помощью которого будем, производят замер уровня света в кабинете технологии, дома.
Составление плана работы.
Изучение теоретического материала по теме проекта, используя учебную литературу и интернет ресурсы.
Проведение экономических расчетов с точки зрения выгоды нашего проекта.
Сборка прибора, используя микроконтроллер Arduino.
Создание корпуса из деталей конструктора Lego .
Проведение замеров уровня света.
Сбор информации по теме проекта. Анализ прототипов.
Анализ возможных идей. Выбор оптимальных идей.
Нами было проанализировано множество видов люксметров, прежде чем я пришёл к выводу.
Выбор технологии изготовления изделия.
Анализируя выше продемонстрированные прототипы мы пришли к выводу, что проще и дешевле будет собрать свой люксметр на основе Arduino , а корпус из Лего.
Экономическая и экологическая оценка будущего изделия и технологии его изготовления.
Резистор 1 кОм -2 руб., резисторы 220 Ом (6 штук)- 12 рублей, светодиоды (2 красных, 2 желтых)- 54 рубля, макетная плата-140 рублей, фоторезистор – 30 рублей, провода тип М-М 7 штук – 30 рублей.
Для экологии наше изделие не нанесёт значительного вреда, так как оно слишком мало и незначительно, а материал, в дальнейшем, можно пустить на повторное производство.
Разработка конструкторской документации.
Разрабатываем схему соединения
подготавливаем нужные детали.
Плата Arduino UNO , резистор (7 шт), провода, макетка, светодиоды
(2 красных, 2 синих,
Собираем согласно схеме
Пишем программу на языке C ++
оболочка Arduino для C++
Упаковка схемы в корпус
Описание изготовления изделия.
Описание окончательного варианта изделия.
Чтобы наша система заработала её необходимо запитать. Есть два варианта: подключить внешнее питание 5V(аккумулятор) или же через USB подключить к компьютеру. Почему именно 5V? Потому что именно на такое напряжение рассчитана работа микроконтроллера и именно такое подаётся на него при подключении через USB порт к компьютеру.
На фоторезистор падает свет. Фоторезистор изменяет своё сопротивление в зависимости от интенсивности падающего света. Изменение, которые происходят на резисторе считывает микроконтроллер через провод, подключённый к катоду фоторезистора. Далее, отталкиваясь от полученных данных, процессор микроконтроллера посылает напряжение на выход, к которому подключен светодиод желтого, красного, зеленого цвета.
Первый синий показывает что освещение абсолютно подходит, следующий синий показывает оптимальный уровень освещения; Желтый первый - приемлимый уровень освещения, второй - недостаток освещения; Красный первый - уровень освещения не подходит, второй -абсолютно не подходит.
23 люкса в комнате, в 13:44 без света, сбоку от окна в марте.
Под светодиодной настольной лампой все 240 люкс. На прямых солнечный лучах ≈41000. В свете фонарика UltraFire 1000 люкс, при фокусировке на датчике- все 14000! Что можно сказать об этом чудо- устройстве? Если кому-то надо понять, нормально ли освещено помещение (А норма рабочего места- 150 люкс). (видеофайл 1)
Эстетическая оценка выбранного варианта.
Люксметр благодаря ярким деталям конструктора Лего получился ярким и сочным. Он с лёгкостью сможет вписаться в интерьер.
Для экологии наше изделие не нанесёт значительного вреда, так как оно слишком мало и незначительно, а материал, в дальнейшем, можно пустить на повторное производство.
Наш люксметр обладает массой преимуществ: он позволяет следить за уровнем освещения, тем самым помогая вам следить за зрением, он яркий и необычный и тем самым служит ярким элементом декора, оберегающим ваше здоровье.
Плохое освещение вызывает преждевременное утомление, ухудшает качественные показатели, притупляет внимание работающего человека, снижает производительность труда, и может оказаться причиной несчастного случая. Измерение освещенности поможет правильно обеспечить хорошую видимость, создать благоприятную обстановку и предотвратит возможность ухудшения зрения.
Мы изучили вопрос возможности конструирования прибора люксметра, и пришли к выводу, что: данный прибор можно легко сконструировать в домашних условиях. Также наш прибор прост в использовании, и его может создать любой школьник владеющий небольшими знаниями радиотехники и программирования.
Данная конструкция позволяет осуществить измерение освещенности, яркости и пульсации ламп и других источников света, строго по требованиям санитарных и других норм РФ.
люксметр можно измерять освещённость в жилых и школьных помещениях, чтобы иметь объективные показатели и не полагаться на русские Авось, Небось и Как-нибудь.
Люксметр, конечно, не является совершенно необходимым прибором, но его польза для получения объективной оценки освещённости очевидна и не требует дополнительных доказательств.
Список используемой литературы
Г.Я Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский: под редакц. Н.А. Парфентьевой. 10 класс: учебн. Для общеобразоват. Организаций : базовый и профильный уровень. – М. Просвещение, 2014 Физика.
Г.Я Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский: под редакц. Н.А. Парфентьевой. 11 класс: учебн. Для общеобразоват. Организаций : базовый и профильный уровень. – М. Просвещение, 2014 Физика.
Читайте также: