一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器及测量方法

摘要

一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器，该光线敏感器由电源系统、光敏二极管、测量系统、微处理器和外部接口组成；外部接口与微处理器连接，微处理器与测量系统和电源系统连接，测量系统和光敏二极管及电源系统连接，电源系统与光敏二极管、测量系统和微处理器连接，光敏二极管与电源系统和测量系统连接；一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器的测量方法，它有五大步骤：步骤一：将系统组成件连线和供电；步骤二：入射光分解投影；步骤三：产生反向电流及测量电压；步骤四：测量VT；步骤五：处理计算。本发明的光线采集采用光敏二极管，成本低，算法简单，运算速度快，入射方向越接近中心测量精度越高，非常适合运用于光线跟踪系统。

主权项

一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器的测量方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一：将系统组成件连线和供电：采用ADC0809芯片作为测量系统中的模数转换模块，微处理器是采用ATMEGA128芯片，三枚光敏二极管分别按空间直角坐标系的x、y、z三轴方向安装连接，测量系统将测得三颗光敏二极管上的光强，分别是I_x，I_y，I_z，I_x＝I₀cosα，I_y＝I₀cosβ，I_z＝I₀cosλ其中，I₀为入射光强，α为入射光矢量与x轴的夹角，β为入射光矢量与y轴的夹角，λ为入射光与z轴的夹角；测量系统将测量值I_x、I_y、I_z读出并传给微处理器，微处理器首先合成入射光矢量强度$I_0=\sqrt{I_x^2+I_y^2+I_z^2}$再计算出入射光矢量与x、y、z三轴的夹角α＝arccos(I_x/I₀)，β＝arccos(I_y/_I0)，λ＝arccos(I_z/I₀)最后将结果转换为欧拉角或者四元数的形式，进行保存或者发送给其他设备；步骤二：入射光分解投影：入射光矢量投影到空间直角坐标系的x、y、z三轴上，投影之后的光强为I_x＝I₀cosα，I_y＝I₀cosβ，I_z＝I0cosλ；步骤三：产生反向电流及测量电压：在光敏二极管两端加上反向电压，再串联一个电阻，光敏二极管在受到光照时反向电流随光照增强而增大，通过测量电路中的电流即得到光敏二极管上的光照强度；在电阻的高压端引出测量电压VT，由欧姆定律得电路中电流为I＝VT/R，由此得电流I与测量电压VT是正比例关系，即将VT标识为当前的光照强度；步骤四：测量VT：R1、R2、R3电阻的高压端模拟信号分别接在ADC0809的IN0、IN1、IN2口，正参考REF+端口接VCC，负参考REF‑端口接GND，ADC0809上的三个地址端口ADD A、ADD B、ADD C和地址锁存端口ALE分别接在ATMEGA128的PE3、PE2、PE1、PE0口；ADC0809的时钟端口CLK、开始转换端口START、输出允许端口OE分别接在ATMEGA128的PA0、PA1、PA2口；ADC0809的转换完成标志端口EOC接在ATMEGA128的PD0口，ADC0809的数据端口D0～D7口分别接在ATMEGA128的PB0～PB7口，时钟端口CLK频率范围为1MHZ以下；设备运行时，第一步由ATMEGA128给出地址和地址锁存信号；第二步由ATMEGA给出START信号；第三步等待ADC0809进行模拟量到数字量的转换，直到EOC端口输出高电平；第四步由ATMEGA128给出输出使能OE信号；第五步由ATMEGA128从D0～D7口读出转换结果；到此一次转换结束，如需再次转换，重复第一步到第五步即可；其中，IN0、IN1、IN2对应的地址编码分别是000、001、010；START信号、地址锁存信号是正向脉冲信号，OE信号是高电平信号，OE端口需要在整个数据读取过程中维持高电平；步骤五：处理计算：入射光矢量为I₀＝(I_x,I_y,I_z)，投影在三正交坐标轴上，照射到光敏二极管上，产生反向电流，引起的VT分别为(V_ax,V_ay,V_az)，通过数模转换测量到三电压的数字量为(V_dx,V_dy,V_dz)，则最终测量到的入射光方向矢量为R＝(‑V_dx,‑V_dy,‑V_dz)入射光与x、y、z三轴的夹角分别为$\alpha =\arccos (V_{\mathrm{dx}}/\sqrt{V_{\mathrm{dx}}^2+V_{\mathrm{dy}}^2+V_{\mathrm{dz}}^2})$$\beta =\arccos (V_{\mathrm{dy}}/\sqrt{V_{\mathrm{dx}}^2+V_{\mathrm{dy}}^2+V_{\mathrm{dz}}^2})$$\lambda =\arccos (V_{\mathrm{dz}}/\sqrt{V_{\mathrm{dx}}^2+V_{\mathrm{dy}}^2+V_{\mathrm{dz}}^2})$其中，从(V_ax,V_ay,V_az)到(V_dx,V_dy,V_dz)的误差很小，忽略不计；从(I_x,I_y,I_z)到(V_ax,V_ay,V_az)的误差为系统测量的主要误差，主要来源于光敏二极管个体之间的差异，要减小该误差进行如下操作：给出一个标准的入射光I＝(‑1,‑1,‑1)，测量是否有V_dx＝V_dy＝V_dz，若不相等，则调节与光敏二极管串联的电阻大小，使之相等。