摘  要： 為了測量LED的照度，在分析光電池工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為基礎(chǔ)的光照度測量系統(tǒng)。系統(tǒng)由光電池、A/D轉(zhuǎn)換器件、集成運(yùn)放、溫度傳感器和單片機(jī)組成。為了克服光電池的溫度非線性影響，采用了分段法進(jìn)行最小二乘標(biāo)定，即根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)分別采用線性和非線性標(biāo)定，測量時(shí)對溫度曲線查表線性內(nèi)插。測量系統(tǒng)具有原理清晰、結(jié)構(gòu)簡單、讀數(shù)容易、系統(tǒng)線性等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，表明測量系統(tǒng)性能良好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠。
關(guān)鍵詞： 光照度；測量；硅光電池；單片機(jī)；分段法標(biāo)定

    大功率LED廣泛應(yīng)用于室內(nèi)照明，無論采用發(fā)光陣列法還是采用二次配光法，既要保證光照度大小滿足規(guī)范要求，又要保證室內(nèi)照明的均勻性[1-2]。傳統(tǒng)測量儀器如TES1330A是以數(shù)字儀表ICL7135四位雙積分A/D轉(zhuǎn)換芯片為核心器件，用CD4511譯碼器驅(qū)動(dòng)液晶顯示測量值。目前對照度測量的方法有：利用ATmega16L單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換測量曝光成形的視圖平面照度[3]；采用數(shù)字照度傳感器BH1750實(shí)現(xiàn)多功能照度計(jì)[4]；用PIN光亮度傳感器LX1970和單片機(jī)AT89C51測量光照度，并控制室內(nèi)照度[5]；用PIN管和高精度集成運(yùn)放對UV燈的輻照度進(jìn)行測量以保證UV燈具的質(zhì)量[6]。為了精確測量LED的照度及分布，本文設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為主的測量系統(tǒng)。系統(tǒng)以硅光電池為主要器件，用集成運(yùn)放將光電流轉(zhuǎn)換成電壓，然后進(jìn)行A/D采樣電壓值，用分段最小二乘法標(biāo)定從而間接測量光照度。將該系統(tǒng)用于實(shí)地測量，系統(tǒng)具有快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確等特性。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)總體組成
    本測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由單片機(jī)、光電池、電流轉(zhuǎn)換電壓放大、A/D轉(zhuǎn)換、溫度測量、鍵盤輸入、LCD顯示及RS232通信模塊組成。單片機(jī)采用普芯達(dá)公司的8位CW89F52型單片機(jī)，它內(nèi)含8 KB Flash ROM和512 B RAM，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51單片機(jī)指令和管腳，主要用于數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理。測量光照度的傳感器為硅光電池，它輸出的短路電流與輸入光照度成正向比例關(guān)系。采用德州儀器的LM358將光電流轉(zhuǎn)換成電壓并進(jìn)行放大。為了保證測量具有一定的精度，A/D轉(zhuǎn)換采用美信公司的12位低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX187。系統(tǒng)工作時(shí)并對環(huán)境溫度進(jìn)行測量，溫度模塊則采用DHT11溫濕度復(fù)合傳感器，主要用來測量環(huán)境溫度和濕度。顯示模塊利用LCD1602顯示照度、溫度及濕度。RS232串口通信模塊采用PL-2303 USB橋接芯片與單片機(jī)串口相連，一方面用于單片機(jī)下載程序，另一方面用于與上位機(jī)通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。鍵盤輸入模塊主要用于系統(tǒng)的功能選擇。

1.2 光電池選擇
    系統(tǒng)的傳感器選用龍信達(dá)公司的LXD6×6CV硅光電池，其光敏面積為5.7 mm×5.7 mm，波長響應(yīng)范圍為320 nm～1 100 nm，峰值波長為760 nm。這種傳感器在可見光范圍內(nèi)有良好的靈敏度，廣泛應(yīng)用于光學(xué)領(lǐng)域的光度計(jì)、白度計(jì)、光功率計(jì)等方面。光電池的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)PN結(jié)，在光照下能產(chǎn)生光電流。在檢測時(shí)需要使其工作在短路電流方式下，此時(shí)的光電流與輸入光照度成比例變化，這個(gè)點(diǎn)即為線性工作的臨界點(diǎn)。臨界狀態(tài)時(shí)的輸出電流接近于短路電流，它與輸入的光照度關(guān)系為：
  
    根據(jù)式(2)，只要測量出Usc和標(biāo)定出光照靈敏度便能得到光照度。
    光照度定義為單位面積接受的光通量，光學(xué)量與輻射量之間的關(guān)系決定于人的視覺特性[7]。根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]，傳感器的光譜響應(yīng)應(yīng)與人眼一致，光學(xué)量與輻射量之間與單色光的絕對光譜效率成比例關(guān)系，否則需要修正。由于硅光電池存在峰值波長及光譜曲線不匹配，為了正確測量出光照度值，系統(tǒng)的光電池上加上了藍(lán)色濾光片進(jìn)行光譜校正。該濾光片的作用是使它的“光譜響應(yīng)度”或“視見函數(shù)”與國際照明委員會(huì)明視覺光譜光效函數(shù)相匹配[7]。
1.3 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的信號(hào)處理電路包括電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、有源濾波電路、電壓放大、電壓跟隨電路，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.4 數(shù)模轉(zhuǎn)換和溫度模塊
    設(shè)計(jì)的模數(shù)轉(zhuǎn)換及測溫接口電路如圖3所示。前期實(shí)驗(yàn)測量采用8位、10位A/D，由于分辨率過小，測量光照度精度不是很理想。因此采用MAXIM公司的12位串行A/D轉(zhuǎn)換器件。它由單電源5 V供電，其串行外設(shè)總線接口既簡化了接口電路又便于軟件編程，只需3根線與單片機(jī)相連，具體見圖3。單片機(jī)通過P1.0口與MAX187的串行時(shí)鐘SCLK相連接，并為其提供外部工作時(shí)鐘。MAX187的片選端口與單片機(jī)P1.1連接，串行數(shù)據(jù)輸出DOUT與單片機(jī)P1.2連接。注意編程產(chǎn)生的串行時(shí)鐘不得超過5 MHz，采用外部參考電壓且為5 V。

    為了測量在不同溫度下輸出電壓與輸入光照度的關(guān)系，設(shè)計(jì)了DHT11測量實(shí)時(shí)溫度和相對濕度模塊。DHT11是已經(jīng)校準(zhǔn)的單總線數(shù)字信號(hào)輸出的溫、濕度復(fù)合傳感器，由一個(gè)感濕式電阻元件和一個(gè)負(fù)溫度特性的熱敏電阻組成。校準(zhǔn)系數(shù)存儲(chǔ)在傳感器內(nèi)部ROM，測量的數(shù)據(jù)通過DATA單總線與單片機(jī)進(jìn)行通信，一次通信時(shí)間約為4 ms。完整的數(shù)據(jù)為40位，高位先出，其格式為：8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)、8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)、8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)、8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)及8位校驗(yàn)和。
1.5 系統(tǒng)余弦修正
    傳感器的接收表面會(huì)將斜向輸入傳感器表面的光線部分反射，根據(jù)照度的定義可知它是投影到單位面積的光通量，系統(tǒng)采用的傳感器表面積較大，如果對于斜向輸入的光線不做修正則會(huì)導(dǎo)致測量值產(chǎn)生誤差。所謂余弦修正是入射光線與輸入平面的法線組成方向角成余弦比例關(guān)系，修正時(shí)按照余弦關(guān)系進(jìn)行修正。為了正確測量照度必須進(jìn)行余弦修正，具體做法是在傳感器的表面前加裝光照半球或漫散射器件。本系統(tǒng)采用內(nèi)徑22 mm、高18 mm的乳白色塑料半球進(jìn)行余弦修正。
2 測量實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理
2.1 照度、電壓關(guān)系測量實(shí)驗(yàn)
    為了研究傳感器在不同溫度下的輸入輸出特性，設(shè)計(jì)了傳感器特性測量實(shí)驗(yàn)，將LED燈改成高度可調(diào)以達(dá)到接收照度變化的目的。設(shè)計(jì)的單片機(jī)程序首先測量環(huán)境溫度，然后對輸出電壓進(jìn)行A/D采樣，對應(yīng)一個(gè)照度值測量10次輸出電壓并取算術(shù)平均送LCD1602顯示。同時(shí)，將照度計(jì)放置于與測量系統(tǒng)等照度位置，記錄輸入的照度值。分別測量了室溫在28 ℃、25 ℃、23 ℃、21 ℃、18 ℃、16 ℃下的輸入照度和輸出電壓，并用Matlab7.0軟件得到如圖4所示光照度-電壓關(guān)系圖。圖中的虛線為不同溫度下的測量值連線。圖4表明輸入光照度與電路輸出電壓不完全是線性比例關(guān)系。系統(tǒng)可采用3次曲線擬合，擬合的曲線公式為：
    

    圖4中5條曲線從左至右分別為28 ℃、25 ℃、23 ℃、21 ℃、18 ℃、16 ℃的測量曲線，由圖可知，28 ℃時(shí)輸入照度在1 160 lx以下線性關(guān)系較明顯，超過此值非線性效應(yīng)明顯。25 ℃、23 ℃、21 ℃、18 ℃、16 ℃時(shí)輸入小于1 400 lx為線性關(guān)系。1 400 lx附近為線性區(qū)域與非線性區(qū)域的臨界點(diǎn)，即大于1 400 lx非線性效應(yīng)較明顯。因此，可以根據(jù)式(4)進(jìn)行反演，通過測量電壓值反算出照度值。將式(4)變換為：
    

    非線性區(qū)間則按式(5)用最小二乘法求得不同溫度下的系數(shù)，見表1。直接將表1的系數(shù)保存在單片機(jī)程序段。測量時(shí)，單片機(jī)先獲取環(huán)境溫度，然后對電壓A/D轉(zhuǎn)換，并計(jì)算電壓大小。當(dāng)電壓值≤0.25 V時(shí)，直接用線性插值方法計(jì)算光照度；否則通過溫度查表得到系數(shù)計(jì)算照度。如果溫度不在表中范圍，可以查出相鄰溫度系數(shù)得到照度，然后用線性插值方法求出對應(yīng)溫度的照度。
2.3 測量誤差分析
    為了研究采用上述方法設(shè)計(jì)的數(shù)字照度計(jì)的精度，將該照度計(jì)和TES1330A照度計(jì)分別對大功率LED燈的照度進(jìn)行測量，結(jié)果如表2所示。其中測量值為本設(shè)計(jì)照度計(jì)所測，對比值為TES1330A照度計(jì)所測。
    實(shí)測數(shù)據(jù)表明，測量值和對比值在線性區(qū)域的偏差較小，在非線性區(qū)域偏差較大。例如光照度在3 000 lx時(shí)，測量值為2 931，對比值為2 980，相差49 lx。根據(jù)表2數(shù)據(jù)計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)差為±7.001 5 lx。
    應(yīng)用上述方法設(shè)計(jì)了光照度測量儀，并用于大功率LED燈光照度測試。系統(tǒng)以硅光電池作為傳感器，并進(jìn)行了光譜函數(shù)補(bǔ)償、余弦修正和零點(diǎn)修正。設(shè)計(jì)的照度計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，測量精度在10 lx以內(nèi)，測量照度范圍在0～3 000 lx，數(shù)據(jù)處理將區(qū)間分成兩段，分別采用線性曲線和非線性曲線標(biāo)定，有效地解決了光電池存在的非線性問題。在實(shí)際應(yīng)用過程中取得了較好的效果。
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