Światłomierz mobilny

Światłomierz podłączany do wejścia mikrofonowego telefonu komórkowego. Światłomierz podłączony do telefonu komórkowego z systemem Android

Projekt światłomierza wykonałem w ramach przedmiotu "Wstęp do programowania aplikacji mobilnych" na wydziale EiTI PW na I semestrze moich studiów magisterskich. Wybrałem projekt sprzętowy ze względu na możliwość zrobienia czegoś ciekawszego niż kolejna apka na Androida z integracją z Facebookiem. Istotna była też możliwość połączenia w jednym projekcie kilku moich zainteresowań, dzięki czemu dał mi on sporo satysfakcji. Jednocześnie tanim kosztem zbudowałem własny, całkiem funkcjonalny światłomierz. Nie ukrywam, że inspiracją był dla mnie projekt LUMU.

Pierwszym pomysłem było podłączenie fotoopornika/fotodiody bezpośrednio do wejścia mikrofonowego i mierzenie uzyskanego sygnału. Takie rozwiązanie nie miało jednak szans na powodzenie, ponieważ wejście mikrofonowe odcina składową stałą i nie nadaje się do mierzenia poziomów sygnałów stałych. Trzeba było znaleźć inne rowiązanie. Wpadłem na pomysł aby skorzystać ze znanego układu NE555 jako multiwibratora astabilnego. Użyłem go jako generatora częstotliwości w zakresie akustycznym, o wartości zależnej od ilości światła padającego na fotoopornik. Fotoopornik jest podłączony jako jeden z elementów obwodu RC regulujących generowaną częstotliwość.

Pomiary charakterystyki czułości fotoopornika za pomocą aparatu fotograficznego Pomiary charakterystyki czułości fotoopornika za pomocą aparatu fotograficznego

Aby nie działać zupełnie na ślepo przy dobieraniu wartości elementów musiałem poznać zależność rezystacji od oświetlenia dla fotoopornika, którego będę używał. Na jej podstawie, wyliczając zależność częstotliwości od wartości rezystancji, mogłem poznać wynikową charakterystykę układu. Do tego celu użyłem aparatu fotograficznego i multimetru w roli omomierza. W różnorodnych warunkach oświetleniowych robiłem zdjęcia miernika z przyczepionym fotoopornikiem, ustawiając zawsze ekspozycję w trybie punktowym na kawałek białej kartki przyklejony tuż obok fotoopornika. Z takich zdjęć mogłem odczytać zmierzoną wartość rezystancji, a parametry naświetlania mówiły mi o intensywności oświetlenia. Głównym ograniczeniem dokładności takich pomiarów była dokładność światłomierza w aparacie, który działa z krokiem 1/3EV. Była ona jednak wystarczająca do moich celów.

Przybliżone charakterysyki czułości widmowej różnych fotooporników Przybliżone charakterysyki czułości widmowej różnych fotooporników

Starałem się wykonywać pomiary w możliwie szerokim zakresie intensywności oświetlenia. Okazało się niestety, że odczyty znacząco różnią się w zależności od rodzaju oświetlenia. Między światłem słonecznym a sztucznym oświetleniem w pokoju było ok. 2/3EV różnicy. Wywnioskowałem, że winny jest fotoopornik RPP111, a dokładniej jego czułość widmowa przesunięta w kierunku podczerwieni.

Innym problemem okazała się bardzo stroma i nieliniowa charakterystyka takich fotorezystorów: ich opór bardzo szybko, wykładniczo rośnie wraz ze spadkiem natężenia oświetlenia, nawet do wartości rzędu 20-30MOm. Utrudnia to bardzo uzyskanie dobrej charakterystyki całego układu, która umożliwiałaby działanie w dużym zakresie natężenia światła i oferowała jednocześnie zadowalającą dokładność. Wykorzystać można bowiem tylko częstotliwości z zakresu akustycznego, a więc ok. 20Hz-20kHz. Z tych powódów musiałem poszukać zamiennika o bardziej odpowiedniej czułości widomowej jak i charakterystyce. Spośród elementów dostępnych w Warszawskich sklepach najodpowiedniejszy okazał się model GL5616D. Aby poprawić jeszcze jego charakterystykę czułości widmowej zastosowałem 1/4 -Green z zestawu próbników firmy Lee.

Prototypowy układ służący do testów i pomiarów wynikowej charakterystyki Prototypowy układ służący do testów i pomiarów wynikowej charakterystyki

Mając odpowiedni fotorezystor i znając jego charakterystykę, z pomocą arkusza kalkulacyjnego dobrałem wartości pozostałych elementów układu. Na tej podstawie zmontowałem układ prototypowy. Posłużył on do kolejnych pomiarów, tym razem już rzeczywistej charakterystyki częstotliwości na wyjściu układu w zależności od natężenia oświetlenia. Zasada była podobna jak podczas zbierania charakterystyki samego fotoopornika. Jedyną różnicą było to, że multimetr mierzył częstotliwość generowanego sygnału zamiast oporu elementu.

Schemat układu - generator astabilny oparty o układ scalony NE555 Schemat układu - generator astabilny oparty o układ scalony NE555

Osiągane rezultaty zauważalnie różniły się od teoretycznych założeń, dlatego niezbędne były drobne korekty wartości elementów. Było to dość żmudne zdanie, bowiem po każdej zmianie niezbędne było wykonywanie ponownych pomiarów w zróżnicowanych warunkach oświetleniowych: od pełnego światła słonecznego do półmroku. Za każdym razem należało zmieniać wartośćci kilku elementów jednocześnie aby zachować odpowiedni zakres generowanych częstotliwości, przez co ostateczne ich wartości są pewnym kompromisem. Na schemacie zamieściłem wartości poszczególnych elementów, których ostatecznie użyłem. Ponieważ jednak poszczególne egzemplarze fotooporników mogą znacząco różnić się charakterystyką, chcąc zbudować kolejne egzemplarze trzeba by proces wyznaczania charakterystyki i kalibracji rozpoczynać niemal od nowa.

Pomiary generowanych częstotliwości przez układ prototypowy Pomiary generowanych częstotliwości przez układ prototypowy

Poniżej znajduje się wykres przedstawiający uzyskaną charaktertystykę układu. Granatowa linia oznacza wartości teoretyczne, błękitne linie wyznaczają założony obszar dopuszczalnego błędu pomiaru jasności wynoszący +-1/2EV. Na charakterystyce oznaczone zostały również punkty z rzeczywistych pomiarów wraz z ich niepewnościami. Charakterystyka jest wyraźnie nieliniowa: w środkowej części zakresu, ok. 5-12EV jest dość stroma i zapewnia dobrą dokładność. Poniżej i powyżej tego zakresu dość szybko się wypłaszcza powodując znaczący spadek dokładności pomiaru, gdyż nawet znaczne zmiany oświetlenia powodują niewielką zmianę generowanej częstotliwości. Jak widać wszystkie wykonane pomiary mieszczą się jednak w przyjętym zakresie +-1/2EV, co uważam za zadowalający wynik. Pełny zakres działania światłomierza oceniam na -1 - 17EV, przy czym dobra dokładność pomiarów jest w zakresie 3 - 14EV.

Uzyskana charakterystyka układu: częstotliwość w funkcji jasności wyrażonej w EV Uzyskana charakterystyka układu: częstotliwość w funkcji jasności wyrażonej w EV

Mając przygotowany układ prototypowy przystąpiłem do zmontowania docelowego urządzenia w małej i estetycznej obudowie. Wykorzystałem do tego uniwersalną obudowę przeznaczoną m.in. do pilotów do alarmów samochodowych o wymiarach 51x36x15mm. Właściwy układ rozlokowałem na kawałku płytki uniwersalnej o wymiarach ok.15x25mm. Wewnątrz zmieściła się również standardowa bateria 12V o oznaczeniu 23A, przełącznik zasilania oraz 4-polowa wtyczka jack wystająca z obudowy, służąca do podłączenia urządzenia do smartfona.

Zmontowany układ bez przedniej obudowy Zmontowany układ bez przedniej obudowy

Po założeniu przedniej obudowy widoczna jest jedynie dioda informująca o włączeniu światłomierza oraz biała sfera zbierająca światło z różnych kierunków, wykonana z fragmentu piłeczki pingpongowej. Znajduje się pod nią dodatkowo kawałek filtra korekcyjnego 1/4 -Green, który koryguje charakterystykę widmową fotoopornika.

Urządzenie pobiera około 7mA, więc umieszczona w nim bateria powinna wystarczyć na ok. 3-4 godziny pracy.

Uruchomiony układ podłączony do telefonu komórkowego Uruchomiony układ podłączony do telefonu komórkowego

Aplikację do obsługi światłomierza nazwałem Światłozmierz. Jest ona stosunkowo prosta i została napisana pod system Android. Jej głównym zadaniem jest rejestracja sygnału na wejściu mikrofonowym, wyznaczenie jego częstotliwości oraz przeliczenie jej na wartość oświetlenia wyrażoną w EV, zgodnie z wyznaczoną wcześniej charakterystyką. Pomiar częstotliwości odbywa się co 0,5 sek. w oddzielnym wątku, na zasadzie zliczania ilości zboczy rosnących zarejestrowanych w tym czasie. Dokładność takiego pomiaru szacuję na ok. +-10Hz, a więc w porównaniu z niedokładnością wyznaczenia charakterystyki układu jest to pomijalna wartość.

Screeny z aplikacji Screeny z aplikacji

Program potrafi wykryć czy światłomierz jest podłączony do gniazda słuchawkowego telefonu oraz czy jest włączone jego zasilanie (czy na wejściu jest odpowiedni sygnał). Czułość matrycy/kliszy jest ustawiana wyłącznie przez użytkownika, ze względu na założenie, że główne zastosowanie tego światłomierza to aparaty analogowe. Aplikacja automatycznie dobiera do niej czas i przysłonę tak, aby uzyskać poprawne naświetlenie przy uzględnieniu aktualnego poziomu oświetlenia. Wybrane przez program parametry można korygować w kroku co 1/2EV, gdyż z taką dokładnością wykonywany jest pomiar. Dostępna jest również funkcja korekcji ekspozycji oraz zatrzymiania pomiaru.

Prezentacja działania: lewe zdjęcie wykonane wg. wskazań światłomierza wbudowanego w aparat, prawe wg. pomiaru Światłozmierza Prezentacja działania: lewe zdjęcie wykonane wg. wskazań światłomierza wbudowanego w aparat, prawe wg. pomiaru Światłozmierza

Jak widać na powyższym przykładzie światłomierz radzi sobie całkiem dobrze i zgodnie z założeniami nie jest podatny na jasność fotografowanej sceny. Jest to główna zaleta światłomierza zewnętrznego: mierzy on bowiem rzeczywistą wartość światła padającego na obiekt. Inaczej jest w przypadku światłomierza wbudowanego w aparat, który mierzy światło odbite od sceny i dlatego może łatwo zostać wprowadzony w błąd.

Mimo, że projekt udał się całkiem nieźle i osiągnąłem zadowalającą dokładność oraz zakres działania, nie wydaje mi się żebym zaczął używać go w praktyce w fotografii. Technika cyfrowa rozleniwia i w dzisiejszych czasach szybciej jest cyknąć fotkę i sprawdzić histogram niż wyciągać świałomierz i mierzyć oświetlenie tradycyjnymi sposobami.

Copyright © 2005-, Michał Bemowski