Thomas Brand

確定光強度可能至關重要，例如，如果您想設計房間的照明或準備拍攝照片。然而，在物聯網（IoT）時代，光強度在所謂的智能農業中也起著重要作用。在這里，一項關鍵任務是監測和控制有助于最大化植物生長和加速光合作用的重要植物參數。因此，光是智能農業中最重要的因素之一。大多數植物通常吸收可見光譜的紅色、橙色、藍色和紫色區域的波長的光。通常，光譜的綠色和黃色區域波長中的光被反射并且僅對生長有輕微的貢獻。通過控制各個生命階段的部分光譜和光照強度，可以最大化生長，并最終提高產量。

圖1顯示了相應的電路設計，用于測量可見光譜上的光強度，其中植物具有光合作用活性。這里使用了三種不同顏色的光電二極管（綠色、紅色和藍色），它們響應不同的波長。通過光電二極管測量的光強度現在可用于根據相應工廠的要求控制光源。

圖1.用于測量光強度的電路設計。

此處所示的電路由三個精密的電流電壓轉換器級（跨阻放大器）組成，綠色、紅色和藍色各一個。它們連接到Σ-Δ模數轉換器（ADC）的差分輸入端，例如，該轉換器將測量值作為數字數據提供給微控制器以進行進一步處理。

將光強度轉換為電流

根據光強度，或多或少的電流流過光電二極管。電流和光強度之間的關系近似線性，如圖2所示。它顯示了紅色 （CLS15-22C/L213R/TR8）、綠色 （CLS15-22C/L213G/TR8） 和藍色光電二極管 （CLS15-22C/L213B/TR8） 的輸出電流特性曲線與光強度的函數關系。

圖2.紅色、綠色和藍色光電二極管的電流與光強度的特性曲線。

但是，紅色、綠色和藍色二極管的相對靈敏度不同，因此每級的增益必須通過反饋電阻R 分別確定FB.為此，短路電流（I南卡羅來納州），必須取自數據手冊，然后取自數據手冊確定的工作點處的靈敏度S（pA/lux）。RFB然后按如下方式計算：

VFS，P-P表示所需的全輸出電壓范圍（滿量程、峰峰值）和 INT.MAX最大光強度，陽光直射時為 120，000 勒克斯。

電流-電壓轉換

對于高質量的電流-電壓轉換，運算放大器的最小偏置電流是理想的，因為光電二極管的輸出電流在皮安范圍內，因此會引起相當大的誤差。還應存在低失調電壓。ADI公司的AD1偏置電流典型值為1 pA，最大失調電壓為8500 mV，是這些應用的理想選擇。

模數轉換

為了進一步處理測量值，首先轉換為電壓的光電二極管電流必須作為數字值提供給微控制器。為此，可以使用具有多個差分輸入的ADC，例如16位ADC AD7798。因此，測量電壓的輸出代碼如下：

其中

AIN= 輸入電壓，

N = 位數，

GAIN= 內部放大器的增益因數，

VREF= 外部基準電壓。

為了進一步降低噪聲，ADC的每個差分輸入端均使用共模和差分濾波器。

所有所示元件都非常省電，使該電路非常適合電池供電的便攜式現場應用。

結論

必須考慮器件的偏置電流和失調電壓等誤差源。此外，不利的轉換器級放大因子會影響質量，從而影響電路結果。使用圖1所示的電路，光強度可以轉換為電值，以相對簡單的方式進行進一步的數據處理。