Luxmeter

Autori:	Marek Petráš
Študijný odbor:	Aplikovaná mechatronika	2. Ing. (2013)

Zadanie

1. Vytvorte luxmeter za pomoci senzoru TCS230

1. Preštudujte dokumentáciu k senzoru.
2. Senzor pripojte k mikrokontroléru
3. Napíšte program pre mikrokontrolár, ktorý načíta dáta zo senzoru, spracuje ich a odošle do PC
4. Vytvorte GUI aplikáciu pre meranie

Literatúra:

• Zoznam použitej literatúry, vrátane katalógových údajov (datasheet), internetových odkazov a pod.

Datasheet Tutorial pre kniznicu FreqCounter pre arduino

Analýza

TCS 230je programovateľný prevodník zo svetla na frekvenciu(light-to-frequency converter), kombinuje fotodiódy s prevodníkom prúdu na frekvenciu v jednom integrovanom obvode.Výstup je obdĺžnikový signál so striedou 50% a frekvenciou priamo úmernou intenzite svetla. Výstupná frekvencia môže byť škálovaná jednou z troch prednastavených hodnôt. Digitálne vstupy a výstupy umožňujú priame pripojenie k mikrokontroléru.

Technické parametre senzora:

1. - napájacie napätie 2,7 V - 5,5 V
2. - úsporný mód
3. - nelinerita 0,2% pri 50kHz
4. - stabilný teplotný koeficient 200ppm/°C
5. - spotreba 2 mA

1. GND 4 Zem
2. OE 3 Vstup - povolovací vstup
3. OUT 6 Výstup - výstupná frekvencia
4. S0, S1 1, 2 Vstup - výber škálovanie výstupnej frekvencie
5. S2, S3 7, 8 Vstup - výber typu fotodiód
6. VDD 5 Napájacie napätie

Maximálne rozlíšenie a presnosť je možné dosiahnuť meraním frekvencie. Meranie frekvencie oproti meraniu periódu má výhodu v tom, že sa obmedzení vplyv náhodných a vysokých frekvencií. Rozlíšenie je hlavne obmedzené veľkosťou čítača a prípustného meracieho času. Maximálna výstupná frekvencia senzoru je 600kHz a mikrokontrolér so zvolenou knižnicou na meranie frekvencie dokáže zmerať merať frekvencie do 8MHz. Meranie frekvencii je vhodné pre pomaly sa meniace alebo konštantú hodnoty osvetlenia.

Popis riešenia

Vzhľadom na to, že senzor obsahuje aj fotodiódy s farebnými filtrami, medzi ktorými sa vyberá pomocou vstupov, budú sa používať len diódy bez filtra. Na meranie výstupnej frekvencie som požil Timer1, ten má na starosti počítanie vonkajších impulzov a Timer2, ten má na starosti časovanie. O ich ovládanie sa stara kničnica FreqCounter.h

Schéma zapojenia snímača

Algoritmus a program

Kód pre mikrokntrolér bol napísaný vo vývojovom prostredí Arduino. Program je jednoduchý najprv sa nastavia potrebné výstupy(fotodiódy bez filtra, škálovanie), potom sa periodicky meria frekvencia a po prepočte sa odosiela do PC. Dominantná vlnová dĺžka slnečného svetla je podľa Wienovho zákonu na základe vzťahu λ = 0.0029 / T => 508nm. Vzhľadom na to, že datasheet neobsahuje hodnotu Hz/lux pre túto vlnovú dĺžku, ale len pre 470 nm a 524 nm, prepokladal som lineárnu závislosť medzi frekvenciou a vlnovou dĺžkou. Po vypočítaní rovnice priamky a dosadení vlnovej dĺžky 508 nm som dostal hodnotu 478 Hz/lux, ktorú som nakoniec použil na prepočet v mikrokontroléry.

Kód pre mikrokontrolér:

#include <FreqCounter.h>

#define S2 0
#define S3 1
#define S1 2
#define S0 3
#define enable 4

void setup() {
  pinMode(S2,OUTPUT);           //nastavenie vystupných pinov
  pinMode(S3,OUTPUT);
  pinMode(S1,OUTPUT);
  pinMode(S0,OUTPUT);
  pinMode(enable,OUTPUT);
  digitalWrite(enable,LOW);     // povelenie vystupu
  
  digitalWrite(S1,HIGH); 
  digitalWrite(S0,HIGH);        // nastavenie skalovania na 100%
 
  digitalWrite(S2,HIGH);
  digitalWrite(S3,LOW);         // zapnutie diod bez filtra
  
  Serial.begin(9600);           // pripojenie sa k seriovemu portu
}

unsigned long int frq;
unsigned long int ill;
void loop() {

       FreqCounter::f_comp= 8;             // nastavenie kompenzacie
       FreqCounter::start(100);            // Start merací čas 100ms
       while (FreqCounter::f_ready == 0)   //cakaj kym nie je citac pripraveny
       frq=FreqCounter::f_freq;  
       
       ill =  frq/478;                 //prevod z frekvencie
       if(ill<= 2500 && ill>=0)             // obmedzenie vystupu
       {  
        Serial.println(ill);                // odoslanie namerenej hodnoty
       }
       delay(250);                          //oneskorenie
}

GUI bolo vytvorené vo Visula Studiu 2015 v jazyku C#. Po spustení sa automaticky načíta zoznam COM portov, z ktorých sa vyberie z rozbalovacieho menu(comboBox). Po vybratí sa začnú dáta automaticky zobrazovať na grafe.Vzhľad GUI sa robil už z predpripravených prvkov dostupných vo Visual Studiu, ale bolo potrebne doplniť EventListenery. Na obrázku je znázornené GUI s testovacími dátami.

Inicializažný kód:

        Series dataVsetky;   //predstavuje mnozinu vsetkzch nameranych dat 
        ulong vzCount = 0;   // pocet prijatych vzoriek
        public Form1()
        {
            InitializeComponent();
        }

        private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)  //spusta sa pri nacitani
        {
            foreach (string s in SerialPort.GetPortNames())  //nacitanie vsetkzch dostupnzch COM portov
            {
                comboBox1.Items.Add(s);                      //priradenie portov do comboBox, na vyber portu
             }
            serialPort1.DataBits = 8;                        //nastavenie seriovej komunikacie
            serialPort1.Parity = Parity.None;
            serialPort1.StopBits = StopBits.One;
            serialPort1.BaudRate = 9600;
            dataVsetky = chart1.Series.Add("Luxy");          //priradenie mnoziny dat grafu
        }

Kód výberu portu:

        private void comboBox1_DropDownClosed(object sender, EventArgs e)  //spusta po zatvoreni comboBoxu
        {
            try
            {
                serialPort1.Close();                                       //zatvori sa otvoreny port
                serialPort1.PortName = comboBox1.SelectedItem.ToString();  //priradi sa pozadovaný nazov portu
                serialPort1.Open();                                        //Otvorenie portu
            }
            catch (System.NullReferenceException)
            { }
            catch (System.ArgumentException)                               //ostrenie pripadu, ked sa vybere ziadny port
            { }
        }

Kód spracovania dát:

        private void serialPort1_DataReceived(object sender, System.IO.Ports.SerialDataReceivedEventArgs e)  //spusta sa pri prijati dat zo serioveho portu
        {
            
            String lastLine;        //obsahuje poslednu prijatu hodnotu ako string
            double lastValue;       //obsahuje poslednu prijatu hodnotu ako cislo
            bool valueOK;           //urcuje ci je prijata hodnota v poriadku
            try
            {
                lastLine = serialPort1.ReadLine();  //precita 
                valueOK = true;
            }
            catch (System.ArgumentOutOfRangeException)
            {
                valueOK = false;
                lastLine = "0";
            }
            catch (System.OverflowException)
            {
                valueOK = false;
                lastLine = "0";
            }
             catch (System.IndexOutOfRangeException)
            {
                valueOK = false;
                lastLine = "0";
            }
            if (this.InvokeRequired)      //umoznuje pristupovat k prvkom z inych treadov
            {
                this.BeginInvoke(new EventHandler<SerialDataReceivedEventArgs>(serialPort1_DataReceived), new object[] { sender, e });
                return;
            }
            if (dataVsetky.Points.Count >= 50)  //obmedzenie poctu zobrazench dat na 50
            {
                dataVsetky.Points.Remove(dataVsetky.Points.First());   //odobera sa vzdy prva vzorka
            }
            try
            {
                lastValue = Convert.ToDouble(lastLine);   //converzia na cislo
                if (valueOK == true)       //zapisat len ak je sa nevyskytol problem
                {
                    if (lastValue <= 2500 && lastValue >= 0)
                    {
                        dataVsetky.Points.Add(lastValue);               // pridanie hondty
                        vzCount++;                                      //pocet vzoriek
                        if (vzCount % 10 == 0)
                        {
                            dataVsetky.AxisLabel = DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss"); //cas na x-osi sa pridava kazdu desiatu vzorku kvoli miestu
                        }
                    }
                    
                }
            }
            catch(FormatException)
            {
            }
        }

Zvyšný kód bol generovaný vývojovým prostredím.

Zdrojový kód: LuxARdu.c LuxForm1.cs LuxForm1.Designer.cs LuxProgram.cs LuxProjekt.zip

Overenie

Po spustení stačí rozbaliť menu, a vybrať port na ktorom je pripojený luxmeter. O zvyšok sa stará program. Ak by v menu neboli k dispozícii žiadne porty pravdepodobne je problém s nimi.