基于bp神经网络照度检测

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1、基于BP神经网络的数字式光照度计设计摘 要：设计了一种基于BP神经网络和硅光电池的宽量程、高精度数字式光照度计，并详细介绍了这种光照度计的工作原理、软硬件设计以及数据拟合的过程。实验数据表明，该光照度计量程宽、精度高，完全能够满足农作物生长环境检测的应用要求。关键词：光照度计；BP神经网络；硅光电池　　光照度，即通常所说的勒克司度(Lox)，表示被摄主体表面单位面积上受到的光通量。在农业生产中，光照度是影响农作物生长的重要参数之一，因此，现在光照度的检测越来越受到农业科技工作者的重视。农作物在生长过程中主要吸收利用的是可见光，其光照度范

2、围很广，黑夜最低时只有几十lux，而白天最高时可达几十万lux。目前市场上成品数字光照度计大多量程范围有限，不适合这样大范围光照度的测量。因此本文提出一种基于BP神经网络和硅光电池的光照度计的设计[1]。1硅光电池的光电转换原理　　光电池是一种自发式光电转换元件，它不需要外加电源直接把光能转换为电能。光电池的种类很多，常见的有硒、锗、硅、砷化镓、氧化铜等，其中硅光电池因具有性能稳定、光谱响应范围宽、转换效率高、线性响应好、使用寿命长、耐高温辐射、光谱灵敏度和人眼灵敏度相近等优点而得到广泛应用。　　硅光电池的工作原理是基于光生伏特效应。硅

3、光电池其实就是在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型杂质而形成的一个大面积PN结。当光照射到P区表面时，如果光子能量大于硅的禁带宽度，则在P型区内每吸收一个光子便产生一个“电子-空穴”对。P区表面吸收的光子越多，激发的“电子-空穴”对越多，而流向内部的光子越少，这种浓度差便形成从表面向内部扩散的自然趋势。由于PN结内电场的方向是由N区指向P区，所以扩散到PN结附近的“电子-空穴”对会分离。光生电子被推向N区，光生空穴被留在P区，从而使N区带负电，P区带正电，形成光生电动势。如果用导线将P区和N区连接在一起，电路中就会有光电流通过[2-

4、3]。2光照度计硬件电路设计　　本文所描述的光照度计在设计硬件电路时充分考虑到其高精度、宽量程和实用性，设计硬件电路由7大模块组成，分别为核心处理器模块、前向数据采集模块、液晶显示模块、按键控制模块、通信模块、存储模块和电源模块。其电路结构框图如图1所示[4]。其中，前向数据采集模块的设计是重中之重，它关系到能否实现光照度计高精度和宽量程的实用效果，因此对该模块加以重点介绍，其他模块均属常规硬件电路，在这里不予说明。　　在设计前向数据采集模块时需要注意3个问题：　　(1)光谱灵敏度　　严格地讲，光照度计被直接用于农业气象观测是不合适的，

5、这是因为植物光合作用强度的光谱曲线与人眼视见函数曲线并不相同。为获得正确的测量结果，必须修正硅光电池的光谱灵敏度，使之尽可能精确地逼近国际照明委员会（CIE）给出的标准人眼视觉灵敏度函数V(λ)（在通常的照度范围内使用明视觉函数，测量微弱光照度时应使用暗视觉函数）。这可通过在硅光电池前端按加法(并列)或减法(串接)安装选择性滤光器来实现。但要注意所使用的滤光器必须能把可见光波长以外的光谱响应滤除干净，而且不允许有次峰的存在，特别是在近红外区域，硅光电池在这个区域有最高的灵敏度，次峰的存在可能导致显著的误差产生。对于那些未经任何修正直接采

6、用硅光电池作为光接收元件的简易照度计，则只能用于那些类型与色温已知且已经预先校准并给出了修正系数的光源的光照度测量，否则可能产生相当大的测量误差[5]。　　(2)余弦响应的角特性　　根据光照度定律，任一被照平面的光照度和入射光线与该被照平面法线方向夹角的余弦成正比。因此，为了正确地测量光照度，要求光照度计应该具有余弦响应的角特性。许多研究结果表明，在光电器件的光敏表面前加装漫散射器件(如乳白玻璃)，可以获得期望的这种特性，它将减少光电池在斜射光照时由于探头盒壁阴影效应以及表面光反射损失的增加而造成的角响应降低[6-7]。　　(3)信号的

7、转换与放大　　经灵敏度函数V(λ)和余弦校正器修正过的硅光电池由于受到滤光器的切割以及乳白玻璃的漫射作用，信号已经有了很大程度的衰减，其有效光电流输出即便在使用了较大面积的光电池后仍然很低。此外，ADμC7026的ADC通道要求的输入信号为电压信号，并且由于线性退化的原因要求电压信号必须在线性区域内才能保证精度。因此，需先将硅光电池转换的有效电流信号经过一个串联电阻变为电压信号并适当放大后才可使用。　　基于以上3点，在设计电路时应首先在硅光电池的前端安装滤光器和余弦校正器。滤光器采用有色光学玻璃材料制作，并且将2种或2种以上的滤光器用串

8、联的方法加以适当地组合使滤光效果更好[8]。余弦校正器采用环球型乳白玻璃，其稳定性好、表面硬度高而耐磨，适用于在恶劣环境条件下工作的仪器及标准仪器。在硅光电池后串联1个可调电阻，并且安装一级运放电路，最后再