LED路燈照度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

LED路燈照度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要

隨著“十二五”節(jié)能減排計(jì)劃的推進(jìn)，LED光源發(fā)光效率的不斷突破，國家發(fā)改委宣布，普通照明白熾燈將在未來五年將逐步退出市場。LED照明光源的廣泛應(yīng)用，以及不同于傳統(tǒng)光源的檢測方法，給LED光源檢測提出了新的要求，完善的檢測標(biāo)準(zhǔn)和檢測方法有利于資源的整合，有利于加速LED產(chǎn)品的快速發(fā)展，因此，LED光源檢測對于產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的作用。LED路燈作為LED照明光源之一，LED路燈燈具尺寸與普通照明用LED光源差別較大，LED路燈檢測環(huán)境條件要求嚴(yán)格，檢測難度大，檢測設(shè)備要求高，造成了檢測成本高，檢測方法普及性差。設(shè)計(jì)一種較為簡易，具有較高精確度的LED路燈光學(xué)性質(zhì)檢測系統(tǒng)具有必要性。綜合國內(nèi)外LED路燈光源檢測方法，文中采用燈具旋轉(zhuǎn)式分布光度計(jì)，通過傳感器固定，燈具旋轉(zhuǎn)的方式，測量LED路燈全空間范圍的光照強(qiáng)度。本文完成了光傳感器修正，并給出了光照強(qiáng)度測量的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)描述了硬件電路設(shè)計(jì)和軟件控制方案。電路主要由運(yùn)算放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路和顯示電路組成。采用具有高靈敏度、高線性度的硅光電池作為光傳感器，經(jīng)過人眼視覺特性曲線V(λ)和余弦修正后的硅光電池，將采集到的光信號輸出為線性、穩(wěn)定的電流信號，通過ICL7650前置放大電路將微弱電流放大到電壓信號，經(jīng)濾波處理，再經(jīng)二級放大電路放大到適合采集的電壓。由于光信號強(qiáng)度變化范圍跨度大，采用了MAX4602模擬開關(guān)自動(dòng)調(diào)節(jié)前置放大量程。放大電路輸出的電壓值輸入到16位高精度A/D轉(zhuǎn)換電路器MAX1134，將電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)單片機(jī)控制在液晶上顯示轉(zhuǎn)換值。根據(jù)光照強(qiáng)度與距離平方反比定律，通過軟件修正和校準(zhǔn)照度檢測系統(tǒng)。經(jīng)過系統(tǒng)測試，驗(yàn)證了LED路燈照度檢測系統(tǒng)基本上達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

引言（一級標(biāo)題、頂格、加粗、宋體四號、1.5倍行距）

1879年，愛迪生發(fā)明了鎢絲燈，成為第一盞具有實(shí)用價(jià)值的燈，開啟了人

類照明發(fā)展的新時(shí)代。直到20世紀(jì)50年代，英國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了砷化鎵發(fā)出的電

致發(fā)光和紅外輻射，從而誕生了第一個(gè)現(xiàn)代的發(fā)光二極管（LED）[1]。伴隨著科學(xué)研究的深入，橙色光、黃色光和綠光的發(fā)光二極管相繼制造出來，并且發(fā)光二極管也遵循自身的摩爾定律，大約每18個(gè)月亮度提高2倍左右。發(fā)光二極管發(fā)光效率和光能量的不斷提高，LED在大屏幕顯示、景觀照明及建筑物外觀照明、信號指示燈、汽車照明和普通照明等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。LED發(fā)光效率已遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般性光源，但是由于價(jià)格和技術(shù)等因數(shù)，LED還未能普及照明市場。2011年11月，國家發(fā)改委、商務(wù)部等部門聯(lián)合發(fā)表了《關(guān)于逐步禁止進(jìn)口和銷售普通照明白熾燈的公告》的公告，決定從2012年10月1日起，分階段按功率大小逐步禁止進(jìn)口和銷售普通白熾燈[2]。白熾燈的即將退市，點(diǎn)亮了LED的發(fā)展前途。LED的興起，由于具有不同于傳統(tǒng)光源的發(fā)光原理，LED光電檢測方法也不盡相同，給LED檢測帶了新的課題[3]。LED路燈作為大功率光源，與傳統(tǒng)高壓鈉燈路燈相比，具有耗電少、壽命長、顯色性好等優(yōu)點(diǎn)。目前，LED路燈已在多個(gè)城市試點(diǎn)安裝，但照明用LED檢測方法還不完善，檢測技術(shù)要求的正式標(biāo)準(zhǔn)還不健全，在分析光效、配光、光衰、色溫等技術(shù)問題上[4]，還存在檢測的漏洞。若果檢測問題不解決，將會(huì)引起LED照明產(chǎn)品盲目發(fā)展，造成了產(chǎn)品混亂，不利于新產(chǎn)品的研發(fā)和市場的推廣應(yīng)用。因此，LED照明檢測的發(fā)展將為制約LED照明發(fā)展的因素，檢測技術(shù)的進(jìn)步和檢測標(biāo)準(zhǔn)的制定將會(huì)促進(jìn)LED產(chǎn)業(yè)的合理發(fā)展，有利于資源的整合，對LED照明的發(fā)展具有重要的意義。

• 緒論（一級標(biāo)題、頂格、加粗、宋體四號、1.5倍）
  

1.1LED照明發(fā)展概述

2011年聯(lián)合國氣候大會(huì)在南非城市德班召開，大會(huì)關(guān)注的主題是“節(jié)能減排”，減少對地球環(huán)境的污染�！肮�(jié)能減排”的目標(biāo)就是節(jié)約能源、降低能源消耗、減少污染排放。LED照明將受益于節(jié)能減排計(jì)劃，將會(huì)推動(dòng)LED產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。從LED的誕生到現(xiàn)在，隨著LED光效的逐步提高，給世界各國照明市場帶來了新的希望。1968年，LED第一批產(chǎn)品應(yīng)用于指示燈，發(fā)光效率僅為0.1lm/w，90年代期間，芯片尺寸和材料技術(shù)的發(fā)展使商用LED光通量提高了近20倍，1998年，Lumiled公司推出了1W級的大功率器件，LED第一次顯露出進(jìn)入普通照明領(lǐng)域曙光[5]。在各國對半導(dǎo)體支持力度方面，日本在1998年率先開展“21世紀(jì)照明”計(jì)劃，要求LED發(fā)光效率提高到傳統(tǒng)熒光燈的兩倍。從2000年起，美國決定投資5億美元用于支持“國家半導(dǎo)體照明計(jì)劃”。歐盟在2000年宣布啟動(dòng)“彩虹計(jì)劃”，補(bǔ)助推廣白光LED的應(yīng)用。韓國從2000年到2008年的“GaN半導(dǎo)體計(jì)劃”，研究以GaN為材料的LED[6]。為了緊跟國外發(fā)達(dá)國家的新型能源的發(fā)展戰(zhàn)略，我國在2003年，由中國科技部牽頭開始建立半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基地。2006年，半導(dǎo)體照明列為國家“十一五”重大科技攻關(guān)項(xiàng)目。2009年初，中國科技部推出“十城萬盞”計(jì)劃，旨在推動(dòng)中國LED行業(yè)的發(fā)展，降低能耗，在21個(gè)國內(nèi)發(fā)達(dá)城市實(shí)行路燈改造計(jì)劃，未來一段時(shí)間內(nèi)，逐步擴(kuò)大成新型LED

路燈�！笆�城萬盞”計(jì)劃推動(dòng)了LED路燈的快速發(fā)展，LED路燈發(fā)光效率不斷提高。2011年10月31日，中華人民共和國工業(yè)和信息化部公布，由中國科學(xué)院福建物構(gòu)所、三安光電股份有限公司及福建萬邦光電科技有限公司聯(lián)合研制出的LED路燈整體初始光效達(dá)到131.42lm/W，達(dá)到了世界最高值。

1.2LED檢測技術(shù)

1.2.1LED光電檢測發(fā)展概述

光電檢測是光學(xué)系統(tǒng)和電系統(tǒng)的結(jié)合，它將光輻射流經(jīng)過一定規(guī)律的變換，形成帶有信息的光信號，并通過光電傳感器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號[7]，將微弱電信號放大后，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號，通過顯示設(shè)備顯示出檢測值的過程。

1960年成功研制紅寶石激光器后，相繼又發(fā)明了He-Ne激光的氣體激光器和GaAs半導(dǎo)體激光器。激光器推到了光電檢測技術(shù)的極大發(fā)展，不僅因?yàn)榧す馄鹘o光電檢測儀器提供了主動(dòng)照明的可能性，而且實(shí)現(xiàn)了傳送、接收和加工光電信息的方法，大大提高了光電檢測的精確性和抗干擾能力。

1970年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出了第一個(gè)攝像器件（CCD）[8]，CCD不僅可以完成人眼視覺范圍的圖像測量，還能測量紅外波段和紫外波段的光譜測量。1982年，推出了隧道顯微鏡，能夠測量出微小尺寸的電荷密度，1986年原子力顯微鏡問世，提高了光電測量精度。微電子的問世，使得處理器得以高速發(fā)展。由于微機(jī)具有運(yùn)算、處理、校驗(yàn)、邏輯判斷、存儲(chǔ)等功能，檢測設(shè)備和微機(jī)相結(jié)合，使得光電檢測趨向于智能化發(fā)展[9]。

LED光源具有不同于傳統(tǒng)光源的發(fā)光原理。傳統(tǒng)光源是以熱輻射形式發(fā)出光，而LED是一種固態(tài)半導(dǎo)體器件，可以直接把電能轉(zhuǎn)化為光。LED

的最主要部件是一個(gè)半導(dǎo)體晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，接電源負(fù)極，一端接電源正極，整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于半導(dǎo)體晶片的

PN結(jié)時(shí)，電子會(huì)被推向P區(qū)，P區(qū)的空穴和電子復(fù)合，就會(huì)以光子的形式發(fā)出光[10]。傳統(tǒng)光源是以自發(fā)輻射的方式發(fā)出光子。LED光源和傳統(tǒng)光源發(fā)光原理的差異，造成了光源光譜和光電檢測方面的特殊性。

LED光源與傳統(tǒng)光源的比較有以下特點(diǎn)：

（1）LED體積小，外形尺寸各不相同，根據(jù)外形尺寸的不同應(yīng)用于不同場所；

（2）LED可以發(fā)出多種顏色，紫外光、綠光、黃色光、紅色光到紅外光，可以通過RGB混色得到白光；

（3）LED的發(fā)光結(jié)構(gòu)是一個(gè)PN結(jié)，因此，其光學(xué)參數(shù)與溫度變化有關(guān)；

（4）LED有各種不同的配光曲線，沒有確定的光軸；

（5）LED光學(xué)參數(shù)還與觀察角度有關(guān)。

LED的檢測方面，近年來，LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常迅速，在技術(shù)方面不斷取得突破，應(yīng)用越來越廣泛，人們對LED光、電、色參數(shù)的檢測也提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)[11]。為此，國內(nèi)外部分科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)研制出了一些具有較高水平的檢測設(shè)備和儀器。例如美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究院(NIST)的分布光譜輻射計(jì)系統(tǒng)，德國國家計(jì)量院(PTB)的新一代分布光度計(jì)，英國國家物理實(shí)驗(yàn)室(NPL)中心旋轉(zhuǎn)反射鏡式分布光度計(jì)，美國照明研究中心（LRC）的FLUX-O-METER分布光度計(jì)系統(tǒng)等[12-13]。

我國一直緊盯國際前沿檢測技術(shù)不斷開發(fā)適應(yīng)于LED特性的檢測方法和設(shè)備，初步LED檢測體系已經(jīng)形成，我國產(chǎn)業(yè)所需的多數(shù)儀器和相關(guān)檢測技術(shù)已能自主提供。國家科技部組織和部署了半導(dǎo)體照明標(biāo)準(zhǔn)檢測方面的863高新技術(shù)項(xiàng)目課題，通過自主創(chuàng)新解決LED檢測和標(biāo)準(zhǔn)方面的關(guān)鍵問題，在高新技術(shù)課題的帶動(dòng)下，我國部分LED檢測技術(shù)和儀器不僅跟蹤了國際先進(jìn)水平，在某些方面達(dá)到了國際領(lǐng)先水平，而且實(shí)現(xiàn)了完整的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)[14]。例如我國中國計(jì)量研究院的復(fù)合式大型自動(dòng)分布光度計(jì)，以及遠(yuǎn)方公司的全空間快速分布光度計(jì)系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到國際水準(zhǔn)，但從總體來說，相比于歐美發(fā)達(dá)國家在LED的檢測技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)LED的檢測水相對比較落后，LED檢測技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)滯后于歐美等國家。

LED相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方面，

1924年國際照明委員會(huì)(CIE)正式推薦光譜效率函數(shù)V(λ)作為測量光的基本函數(shù)，1931年規(guī)定了顏色測量的三原色，1933年國際照明委員會(huì)(CIE)正式采用V(λ)函數(shù)[15]。1965年出版第一個(gè)版本的顯色指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)(CIE13)，到1974年發(fā)行主要的版本(CIE13.2)，直到1995年，CIE13.3的出版是基于CIE13.2的改進(jìn)版。LED發(fā)光效率的提高，引起人們對LED的重視，LED光電檢測方法的變化，相應(yīng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)也進(jìn)行了完善和技術(shù)改進(jìn)。2007年，CIE通過了CIE177-2007和CIE127-2007標(biāo)準(zhǔn)。CIE177-2007是對白光LED光源顯示指數(shù)制定的標(biāo)準(zhǔn)；CIE127-2007是關(guān)于LED光源的測量，是對CIE127-1997標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充和改進(jìn)。國際電工委員會(huì)（IEC）發(fā)布的LED標(biāo)準(zhǔn)有IEC62031(2008)——普通LED模塊安全規(guī)范，IEC60838(2006)——LED模塊連接器的特殊要求。2008年，北美照明學(xué)會(huì)推出LM-79-2008標(biāo)準(zhǔn)——《固態(tài)照明產(chǎn)品批準(zhǔn)的電氣和光度測量方法》，該標(biāo)準(zhǔn)被用作為美國商用LED產(chǎn)品和美國能源之星有效評估的主要參考之一。2004年，日本照明學(xué)會(huì)、日本照明委員會(huì)、日本電球工業(yè)協(xié)會(huì)和日本照明器具工業(yè)會(huì)共同制定了《照明用白色LED測光方法通則》，2006年發(fā)布了修訂版，增加了色度量和光通量方面的規(guī)范。我國標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)在2009-2010年期間，頒布了LED新標(biāo)準(zhǔn)有：GB/T24824-2009普通照明用LED模塊測試方法、GB/T24823普通照明用LED模塊性能要求、GB/T24826普通照明用LED和LED模塊術(shù)語和定義和GB/T24819普通照明用LED模塊安全要求等標(biāo)準(zhǔn)[16]。

1.2.2LED照度檢測發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，LED照度檢測[17]主要分為便攜式照度計(jì)和大型分布光度計(jì)檢測系統(tǒng)。便攜式照度計(jì)一般用于日常生活中的光照強(qiáng)度測量，如果要求測量其他光參數(shù)，需要采用其他檢測設(shè)備，但便攜式照度計(jì)具有體積小、功耗低、方便攜帶等特點(diǎn)。而大型分布光度計(jì)主要用于實(shí)驗(yàn)室或者檢測部門中，其體積大、設(shè)備昂貴，普及型不高，而且對于環(huán)境要求高，但是測量精度高一般性的光電檢測設(shè)備。LED照度檢測是利用光傳感器、控制電路和計(jì)算理論與技術(shù)對光進(jìn)行測量。

如圖1.1所示，照度測量系統(tǒng)主要由光傳感器、運(yùn)算放大電路、濾波電路、A/D部分、控制電路、顯示部分和電源部分組成。

1.3LED檢測技術(shù)發(fā)展趨勢

現(xiàn)代檢測技術(shù)是科研部門及工業(yè)領(lǐng)域正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)，而光電檢測不僅是現(xiàn)

代檢測技術(shù)的重要組成部分，而且隨著獨(dú)特的檢測方式適合近代檢測的發(fā)展方

向，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V泛[18]。

光電檢測具有的特點(diǎn)：

• 光電檢測自動(dòng)化
  

隨著生產(chǎn)的發(fā)展，用于光電檢測的時(shí)間和人力將占相當(dāng)大的比重，因此為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度，要求光電檢測必須實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。先進(jìn)的檢測方法和儀器設(shè)備，應(yīng)能在工業(yè)生產(chǎn)或者生活應(yīng)用中進(jìn)行自動(dòng)測量，這樣既可減少工作人員，又可以節(jié)省檢測時(shí)間，提高生產(chǎn)率。光電檢測發(fā)展趨勢如圖1.2所示，微處理的應(yīng)用將逐步取代人腦實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量。

• 光電檢測無接觸化
  

由于無接觸，沒有力作用于被測物體，不會(huì)對檢測物體造成沖擊，對檢測儀表亦無損害。另外測量裝置具有壽命長、反映速度快、工作可靠、準(zhǔn)確度高、對被測物無形狀和大小要求、檢測距離大等優(yōu)點(diǎn)。

• 光電檢測電路集成化
  

光電檢測設(shè)備采用集成芯片，檢測系統(tǒng)具有體積小、重量輕、工作可靠、壽

命長、使用方便和工作速度高等優(yōu)點(diǎn)。

• 光電檢測數(shù)字化
  

光電檢測采用數(shù)字化處理、顯示，具有測量精度高、靈敏度高、測量速度快、指示值客觀性、易于自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。

• 光電檢測系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)通信
  

計(jì)算機(jī)具有數(shù)據(jù)運(yùn)算、處理、校驗(yàn)、邏輯判斷、存儲(chǔ)等功能。光電檢測系統(tǒng)

與它相結(jié)合后，能實(shí)現(xiàn)一般儀表無法實(shí)現(xiàn)的功能，使光電檢測系統(tǒng)的測量精度、速度和性能顯著提高。

1.4課題的研究的意義

LED照明產(chǎn)業(yè)作為新型能源，正處于高速發(fā)展時(shí)期，國內(nèi)外各國紛紛加大對LED研發(fā)的投入，包括LED產(chǎn)品技術(shù)和LED相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。由于不同于傳統(tǒng)光源的發(fā)光原理，LED光電檢測的發(fā)展以及標(biāo)準(zhǔn)的制定，對于如何正確引導(dǎo)LED產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展至關(guān)重要。正確的LED光源光電檢測技術(shù)和完善的標(biāo)準(zhǔn)，能夠有效的規(guī)范市場，整合資源，為LED產(chǎn)品的研發(fā)和推廣起到關(guān)鍵性的作用。

本文結(jié)合與當(dāng)前光照強(qiáng)度檢測發(fā)展特點(diǎn)以及LED路燈產(chǎn)品的特性[19]，設(shè)計(jì)一種方便的LED路燈光照強(qiáng)度檢測系統(tǒng)，相比于普通照度計(jì)，能和其他光學(xué)參

量檢測模塊，通過計(jì)算機(jī)控制完成空間光強(qiáng)分布測量，該系統(tǒng)具有高的測量精度。

單獨(dú)使用可以用于日常生活中光照強(qiáng)度的測量。具有比大型分布光度計(jì)體積小、

成本低、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

1.5論文的組織結(jié)構(gòu)

本課題研究的目的是設(shè)計(jì)LED路燈照度檢測系統(tǒng)。光照強(qiáng)度作為光學(xué)參量的幾個(gè)基本常量之一，與人們生活密切聯(lián)系著，因此在本文中對光照強(qiáng)度展開研

究與測量方法設(shè)計(jì)。主要研究內(nèi)容如下：

1．緒論。分析國內(nèi)光電測量發(fā)展現(xiàn)狀，介紹照度檢測的發(fā)展趨勢。

2.光照強(qiáng)度檢測工作原理。介紹光度量基本定律，及光度量測量方法，其中重點(diǎn)講解幾種常用LED路燈光照強(qiáng)度的測量方法。

3.光照強(qiáng)度檢測系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)。包括主控制電路、電源模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊和顯示模塊的設(shè)計(jì)。

4.光照強(qiáng)度檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件和硬件結(jié)合，解決一些硬件遺留問題，并完成光照強(qiáng)度檢測系統(tǒng)的校準(zhǔn)。

5.檢測系統(tǒng)噪聲分析，以及減少噪聲的方法和措施。

6.系統(tǒng)測試，給出了系統(tǒng)的一些硬件實(shí)物圖，并對系統(tǒng)的軟硬件做了系統(tǒng)測試。

7.總結(jié)與展望�？偨Y(jié)了當(dāng)前的主要工作，補(bǔ)充了其他光電參數(shù)的測方法，及未來工作的重點(diǎn)。

2.照度檢測工作原理

2.1光度量

光度量是光輻射量在人眼上的視覺感應(yīng)強(qiáng)度值，由人眼的視覺功能特性可知，人眼對于不同波長的光，造成的響應(yīng)度不同，能量相同但是波長不同的光，在人眼視覺中觸發(fā)的響應(yīng)度不同。國際照明委員會(huì)（CIE）推薦采用平均值的方法，確定人眼視覺對各種波長的光的平均響應(yīng)靈敏度，稱為光譜視見函數(shù)V(λ)。人眼對于光譜感應(yīng)區(qū)間為380nm-780nm之間，V(λ)的在555nm處為最大值，規(guī)定在555nm處V(λ)=1，其他波長V(λ)均小于1。

表2.1列出了基本的光度量、定義式、單位和符號。

表2.1光度量和單位

2.1.1光通量

光通量是指人眼視覺所能感覺到得光譜輻射強(qiáng)度值，它等于單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光亮值，如圖2.1所示，光通量的表達(dá)式為：

(2.1)

發(fā)光強(qiáng)度為光源在給定方向上單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量，定義式為

I=dΦ/dω（2.2）

式(2.2)中，Φ表示光通量，ω為空間立體角，發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德拉（cd）。

光照強(qiáng)度定義為被照物體單位面積上入射的光通量，如圖2.2所示，光照強(qiáng)度定義式：

E=dΦ/dA（2.3）

式(2.3)中，dΦ為給定點(diǎn)處的面元面積為dA上的光通量。光照強(qiáng)度的單位微機(jī)勒克斯（lx）。

光的傳播是通過能量傳播的，接收面上單位時(shí)間內(nèi)接收到總輻射能成為該面

元的輻射通量，人眼感受到得輻射量是指單位時(shí)間內(nèi)一定接受面的光能量，即光

通量Φ。由式（2.1）可知，

dΦ=Igdω（2.4）

代人式（2.3）中得到，

E=Igdω/dA（2.5）

如圖2.2所示，單位立體角dω表示為

dω=dAcosθ/I^2（2.6）

代入式（2.5）中得到，

E=Icosθ/I^2（2.7）

圖2.2單位立體角的光照強(qiáng)度

光源表面上一點(diǎn)的面積為dA，在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度dI與該面元在垂直給定方向的面元上的正投影面積之比，為該光源在該方向上的光亮度：

L=dI/dAcosθ（2.8）

式(2.8)中，θ為給定方向與面元法線的夾角。光亮度的單位為坎德拉每平方米，單位為cd／m^2。

2.2光照強(qiáng)度檢測基本特性

2.2.1人眼視覺特性

人眼視覺的主要作用區(qū)域是視網(wǎng)膜，視網(wǎng)膜是把光信息轉(zhuǎn)換為神經(jīng)信號送給大腦皮層視覺接受區(qū)[20]。由于人眼所具有的特殊功能，只能在380nm-780nm范

圍內(nèi)的可見光有感應(yīng)，超出范圍內(nèi)的紅外、紫外光，人眼不具備感應(yīng)到。而且由

于外界光譜的不同，使得人眼感應(yīng)到不用的顏色即顏色視覺，因此人眼能夠感受

到外界色彩的變化。根據(jù)人眼視覺生理特性和亮度變化，分為明視覺、中間視覺和暗視覺。一般認(rèn)為亮度水平大于3cd·m^-2為明視覺，0.001~3cd·m^-2范圍內(nèi)的亮度為中間視覺，小于0.001cd·m^-2為暗視覺。人眼視網(wǎng)膜的生理構(gòu)造決定了視覺不同。感光細(xì)胞能感受不同亮度的光線，把光轉(zhuǎn)換成神經(jīng)脈沖。感光細(xì)胞分為柱狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞。柱狀細(xì)胞對光的敏感性強(qiáng)于錐狀細(xì)胞，能感應(yīng)暗視覺條件下的光線，在較亮條件下，柱狀細(xì)胞響應(yīng)度趨于飽和。而錐狀細(xì)胞主要感應(yīng)較強(qiáng)光線。中間視覺條件下，柱狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞都能感光，感光細(xì)胞比例隨著光線強(qiáng)弱的變換而變換，所以中間視覺條件下的光譜函數(shù)有多種。

圖2.3CIE推薦視覺光譜曲線

1918年，通過對研究193名觀察者美國照明工程學(xué)會(huì)得到了V(λ)函數(shù)，1923年NBS的Gibson用階梯法對V(λ)進(jìn)行修正，使曲線達(dá)到圓滑和對稱。1924年，V(λ)函數(shù)被CIE正式推薦位國際標(biāo)準(zhǔn)人眼光譜視覺函數(shù)。LED路燈的光學(xué)檢測，由于路燈部分光亮度處于中間視覺條件下，目前道路照明檢測都采用明視覺光譜曲線測量，即1924年CIE推薦的視覺函數(shù)。視覺曲線如圖

2.3所示。

2.2.2余弦特性

根據(jù)光照強(qiáng)度定律，任一被照平面的光照度和入射光線與該被照平面法線方

向夾的余弦成正比，即在垂直方向上光強(qiáng)值最大，隨著角度增加，光強(qiáng)變小，這

種特性成為余弦特性。因此在實(shí)際測量中，為了得到更準(zhǔn)確的測量值，需要在光

傳感器上加余弦修正玻璃。通常采用的余弦修正玻璃有平板狀和皿狀乳白色玻

璃，從表2.2數(shù)據(jù)可以看出，皿狀乳白色玻璃更適合用于光傳感器的余弦修正上。

表2.2幾種常見余弦修正玻璃

2.3LED路燈光度量檢測方法

2.3.1光通量測量

光通量參數(shù)是描述光源特性的重要參數(shù)之一。一般測量光源的總光通量的方

法有三種[21]：

第一，采用分布光度計(jì)測量全空間光通量，采取小的步長和角度，通過空間

光強(qiáng)與光通量的數(shù)值關(guān)系積分計(jì)算出總光通量；

第二，采用積分球方法，利用已知光通量的標(biāo)準(zhǔn)燈和待測燈做比較測量，將

待測燈模塊放在積分球的中心，在積分球的側(cè)面開一個(gè)口，放置光傳感器，從而

得出待測燈的光通量。積分球測量光通量的前提條件是光源在積分球中能看做點(diǎn)光源，但是LED路燈燈具面積大，需要非常大的積分球才能滿足條件，因此LED路燈燈具的光通量測量方法一般采用空間分布光度法[22]

2.3.2光照強(qiáng)度測量[23]

光照強(qiáng)度的測量方法主要有手持式照度計(jì)、積分球和分光光度計(jì)。手持式照

度計(jì)主要用于日常生活中的光照強(qiáng)度的測量，方便攜帶、能耗低、測量精度有限；

積分球法測量光照強(qiáng)度一般用于小尺寸的光源，具有較高的測量精度；分光光度

計(jì)測量主要用于大尺寸光源，具有高的精度，能實(shí)現(xiàn)全空間的光照強(qiáng)度的測量。

2.3.3顏色特性測量

光源顏色測量可以分為三刺激值直讀法和光譜輻射測色法兩種，對于要求測

試準(zhǔn)確度高時(shí)，應(yīng)使用光譜輻射測色法。

三刺激值直讀法用光電色度計(jì)來測量，光電色度計(jì)的光譜靈敏度需要滿足標(biāo)

準(zhǔn)色度系統(tǒng)的色度函數(shù)要求，而且能直接測量光源色的色品坐標(biāo)或三刺激值

[24]。

光譜輻射測色法是通過分光系統(tǒng)，將不同波長的光分離開，經(jīng)過聚光系統(tǒng)到光傳感器接收面，小尺寸的光源滿足測量距離的條件下就能實(shí)現(xiàn)測量，大尺寸光

源需要采用分布法測量。

2.3.4分布光度計(jì)

分布光度計(jì)一般分為五種，傳感器旋轉(zhuǎn)式分布光度計(jì)、燈具旋轉(zhuǎn)式分布光度

計(jì)、雙鏡式分布光度計(jì)、圓周運(yùn)動(dòng)反光鏡式分布光度計(jì)和中心旋轉(zhuǎn)反光鏡式分布

光度計(jì)[25]。介紹如下：

（1）傳感器旋轉(zhuǎn)式分布光度計(jì)[26]：當(dāng)測量距離符合LED模塊的光強(qiáng)測量要

求時(shí)，通過固定LED固定模塊，轉(zhuǎn)動(dòng)光傳感器，在設(shè)定平面內(nèi)測量LED光強(qiáng)分布。采用傳感器旋轉(zhuǎn)式分布光度計(jì)主要用來測量小尺寸LED模塊的光照強(qiáng)度分布，但是由于難以滿足光強(qiáng)測量距離要求，一般不用于大尺寸LED模塊的光強(qiáng)測量。

圖2.4傳感器旋轉(zhuǎn)式分布光度計(jì)

（2）燈具旋轉(zhuǎn)式分布光度計(jì)[27]：該方案采用傳感器固定，燈具旋轉(zhuǎn)方法測量光照強(qiáng)度。固定光學(xué)傳感器在檢測的一端，LED光源模塊繞分布光度計(jì)的水平軸和垂直軸旋轉(zhuǎn)，通過控制電路采樣LED光源模塊空間數(shù)據(jù)。這種檢測方式的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，檢測設(shè)備較為便宜。但是檢測系統(tǒng)中，

由于燈具的旋轉(zhuǎn)，造成LED光源模塊的發(fā)光不穩(wěn)定，影響測量精度，需要特別考慮溫度的影響，必要的時(shí)候進(jìn)行溫度修正[28]。.

圖2.5燈具旋轉(zhuǎn)式分布光度計(jì)

（3）雙鏡式分布光度計(jì)：雙鏡式分布光度計(jì)中的LED光源模塊處于旋轉(zhuǎn)中心，

LED模塊繞其垂直軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)反光鏡繞LED模塊旋轉(zhuǎn)，將LED模塊在某

一方向上測量光反射到遠(yuǎn)處的第二塊反光鏡上，并通過第二塊反光鏡反射到光傳

感器中。在整個(gè)測量系統(tǒng)中，LED光源模塊在光度測量中始終保持靜止的燃點(diǎn)

姿態(tài)，發(fā)光穩(wěn)定性高，而且檢測系統(tǒng)占用空間小。采用雙反射鏡對反射鏡具有很

高的要求。

圖2.6雙鏡式分布光度計(jì)

（4）圓周運(yùn)動(dòng)反光鏡式分布光度計(jì)：圓周式運(yùn)動(dòng)反光鏡式分布光度計(jì)中的LED光源模塊處于旋轉(zhuǎn)中心，繞其自身垂直軸旋轉(zhuǎn)。反光鏡繞LED光源模塊旋轉(zhuǎn)，將在某一方向上測量光發(fā)射到旋轉(zhuǎn)反光鏡同步旋轉(zhuǎn)的光傳感器中。該測量系統(tǒng)中的LED光源模塊在光度取樣測量中保持靜止?fàn)顟B(tài)，通過旋轉(zhuǎn)反光鏡的方式實(shí)現(xiàn)LED光源全空間的測量。該檢測系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是被測光源的發(fā)光穩(wěn)定性高，但該檢測系統(tǒng)相對于雙鏡分布式光度計(jì)的缺點(diǎn)在于占用較大的空間，而且對反光鏡的要求比較高。

該檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是將帶長消光筒的同步旋轉(zhuǎn)光傳感器改為固定的光傳感

器，這樣的設(shè)計(jì)導(dǎo)致的后果是光傳感器開口較大而容易引入較多的信號光束和雜

散光不能垂直入射到光傳感器上，從而造成測量精度下降。

圖2.7圓周運(yùn)動(dòng)反光鏡式分布光度計(jì)

（5）中心旋轉(zhuǎn)反光鏡式分布光度計(jì)：中心旋轉(zhuǎn)反光鏡式分布光度計(jì)中的反光鏡繞水平軸旋轉(zhuǎn)，而由燈臂夾持的被測光源繞反光鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)燈臂向相反方向繞輔助軸同步旋轉(zhuǎn)，以保持LED光源模塊中心位置不變，LED光源繞自身垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)，反光鏡將被測光源的光反射到與主軸同軸的光度探測器上來測量。在該系統(tǒng)中，LED光源模塊能始終保持標(biāo)準(zhǔn)測量燃點(diǎn)姿態(tài)。然而由于LED光源模塊需在較大空間范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，LED光源模塊的發(fā)光穩(wěn)定性不及雙鏡式分布光度計(jì)和圓周運(yùn)動(dòng)反光鏡式分布光度計(jì)兩種分布光度計(jì)系統(tǒng)。另外該系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)

LED光源模塊向上夾持的繞點(diǎn)姿態(tài)，轉(zhuǎn)臺(tái)部分需要占用更高的轉(zhuǎn)動(dòng)空間。

圖2.8中心旋轉(zhuǎn)反光鏡式分布光度計(jì)

通過常見五種空間分布光度計(jì)，考慮到LED路燈燈具面積大，發(fā)光方向性等特點(diǎn)[29]，以及檢測系統(tǒng)的復(fù)雜性和檢測設(shè)備要求，因此，本文采用燈具旋轉(zhuǎn)式分布光度計(jì)測量LED路燈光學(xué)參數(shù)，能在較小的空間范圍內(nèi)，簡單的檢測設(shè)

備實(shí)現(xiàn)LED路燈的照度的測量。

2.4小結(jié)

從介紹光學(xué)參量基本概念，光學(xué)檢測相關(guān)特性和定律，以及光學(xué)參量的測量方法，重點(diǎn)幾種分光光度計(jì)的測量方法，選擇合適的LED路燈光學(xué)參量的測量方法。

3.照度檢測系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1光電傳感器

1839年，法國科學(xué)家Becqueral在化學(xué)電池中第一次觀察到了光伏效應(yīng)。1873年，發(fā)現(xiàn)了硒中的光導(dǎo)效應(yīng)。1929年，建立的固體能帶理論，第一次論證了太陽能電池可以直接把光變成電能。

光電池是一種在光照條件下產(chǎn)生電動(dòng)勢的半導(dǎo)體器件，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)

展，光電池特性得到了顯著的改善，廣泛應(yīng)用于新型能源發(fā)電和光電檢測。常用

于光電檢測的光電池主要有硅光電池和硒光電池[30]。

3.1.1光電傳感器選型

1887年，赫茲發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，在1905年，愛因斯坦提出了光子假設(shè)，成功解釋了光電效應(yīng)。光電效應(yīng)可以分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。

外光電效應(yīng)指當(dāng)光照射到器件表面材料上時(shí)，光子的能量傳遞給表面材料上

的電子，當(dāng)光子能量能使電子獲得足夠的能量，電子克服器件表面阻力進(jìn)入外界

空間。內(nèi)光電效應(yīng)指光照射到器件表面時(shí)，吸收光子的能量使器件的電阻或電導(dǎo)

發(fā)生變化，由于吸收光子的器件沒有向外發(fā)射電子，僅僅是改變了器件內(nèi)的電阻

或電導(dǎo)。

光電傳感器就是利用光電效應(yīng)制造出來的，常用的光電傳感器有光電池、光

敏二極管、光敏晶體管、光敏三極管、光電倍增管以及光敏電阻等。

光敏電阻是基于內(nèi)光電效應(yīng)的半導(dǎo)體元器件。通過在摻雜半導(dǎo)體上鍍金屬，

交錯(cuò)排列成梳妝的電極以增大光敏面積，而且光敏電阻易受潮濕影響，所以光敏

電阻密封在玻璃殼中。光敏電阻一般用于檢測較強(qiáng)的光信號，由于結(jié)構(gòu)簡單，工

作壽命長等特點(diǎn)應(yīng)用比較廣泛，但是存在非線性，受溫度影響比較大，一般不用

于精密光測量方面。

光電倍增管是利用二次電子發(fā)射制成的。當(dāng)高速的電子照射到光電傳感器表面時(shí)，由于高速電子能量改變傳感器內(nèi)電子能量狀態(tài)，使得一些電子逸出，產(chǎn)生二次電子發(fā)射[31]。當(dāng)一次電子速度足夠大時(shí)，產(chǎn)生的二次電子很有可能比一次電子更多，通過二次發(fā)射原理制造出光電倍增管。由于光電倍增管的特性，在測量時(shí)允許測量的光通量非常小，一般用于極微弱的光條件下。當(dāng)光強(qiáng)過強(qiáng)時(shí)，光電倍增管容易燒毀。

光電池作為一種特殊的半導(dǎo)體二極管，由PN結(jié)組成，通過在半導(dǎo)體硅中滲入一定微量的雜質(zhì)組成。P型半導(dǎo)體是通過在半導(dǎo)體中滲入三價(jià)元素，形成帶正電的空穴。N型半導(dǎo)體通過在半導(dǎo)體中滲入五價(jià)元素，形成帶負(fù)電的自由電子。

當(dāng)PN結(jié)處于反向偏壓時(shí)，在無光照射條件下，PN結(jié)反向電阻很大，反向電流很小；在有光的照射下，PN結(jié)內(nèi)光轉(zhuǎn)換成電能產(chǎn)生空穴電子對，在電場的作用下，空穴電子分別向P區(qū)、N區(qū)移動(dòng)形成光電流。通過這種方式工作的器件有光敏二極管、光敏晶體管。

在PN不加偏壓的條件下，當(dāng)光照射到PN結(jié)上，當(dāng)入射到傳感器表面的光能使電子獲得足夠的能量，使得由光子產(chǎn)生的自由電子和空穴分別向PN結(jié)兩端移動(dòng)，使PN結(jié)兩端產(chǎn)生光生電動(dòng)勢。光電池又可以分為硅光電池和硒光電池。硅光電池一般的光譜范圍為400~1100nm，硒光電池波長接近與人眼視覺感應(yīng)波長范圍，但是在頻譜響應(yīng)特性方面，硒光電池不如硅光電池好。

由于硅光電池性能穩(wěn)定，光譜范圍寬，頻率特性好，轉(zhuǎn)換能效率高等特點(diǎn)，

以及根據(jù)硅光電池的原理分析，在本文中采用硅光電池作為LED路燈照度檢測系統(tǒng)的光傳感器。

3.1.2硅光電池特性及原理

硅光電池是根據(jù)光生伏特效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)變成電能而制成的光伏型器件，它由

半導(dǎo)體硅中滲入一定微量雜質(zhì)而組成。當(dāng)光照射在PN結(jié)上，由于光子產(chǎn)生的電子和空穴分別向P區(qū)和N區(qū)集結(jié)，使PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢，即產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)。硅光電池的開路電壓最大值在0.6V左右，而且開路電壓跟光信號的變化為非線性關(guān)系，當(dāng)光照強(qiáng)度為2000lx左右時(shí)，開路電壓就趨于飽和；短路電流跟光強(qiáng)度成線性關(guān)系，因此測量光信號用采集到的電流信號。開路電壓和短路電路的光照強(qiáng)度特性曲線如3.1所示。

圖3.1硅光電池光照強(qiáng)度特性曲線

硅光電池的光譜長波取決于材料的禁帶寬度，短波受限于材料表面反射損失，但其峰值波長不僅與材料有關(guān)，而且與制作工藝和使用環(huán)境溫度不同而不同。硅光電池的光譜曲線如圖3.3所示，光譜響應(yīng)范圍在400~1100nm之間，峰值

波長為900nm左右。

圖3.3硅光電池光譜特性曲線

如圖3.4所示，顯示硅光電池開路電壓OCU與短路電流SCI隨溫度變化的關(guān)系，硅光電池的開路電壓隨溫度升高而降低，短路電流隨溫度升高而增大。溫度漂移是硅光電池作為光傳感器考慮的因素之一，應(yīng)采取相應(yīng)措施對測量進(jìn)行補(bǔ)償。

環(huán)境溫度°C

圖3.4硅光電池溫度特性曲線

對于PN型光電器件，PN結(jié)內(nèi)空穴電子移動(dòng)形成電流需要一定時(shí)間，所以

當(dāng)光照變化很快時(shí)，變化速度超過硅光電池頻率響應(yīng)時(shí)間，光電流就會(huì)滯后光照

變化。如圖3.5所示，反映了硅光電池和硒光電池頻率特性，從曲線可以看出硅光電池頻率曲線，在頻率小于4.5MHz時(shí)，頻率特性非常好，遠(yuǎn)好與硒光電池頻率響應(yīng)曲線。

圖3.5硅光電池頻率特性曲線

3.1.3硅光電池參數(shù)

在光學(xué)檢測方面，由于要符合人眼特性，所以Hamamatsu公司推出了型號為S9219、S9219-01的硅光電池，該光傳感器光譜特性曲線符合人眼特性曲線，不

需要再經(jīng)過V(λ)修正，并且暗電流小，靈敏度高等特點(diǎn)突出，適合高精度光的檢測，但是由于價(jià)格較高，使得檢測設(shè)備成本偏高，應(yīng)用范圍有限。SFH5711是OSRAM公司推出的一款專門針對汽車照明、智能家居的光學(xué)傳感器，光譜曲線同樣符合人眼視覺函數(shù)，輸出電流與光照成對數(shù)關(guān)系，可采用接可變采樣電阻值，既可獲得合適的電壓值，該型號硅光電池價(jià)格低，適合消費(fèi)類光的測量。

通過對各個(gè)廠家資料的比對選擇，以及實(shí)際條件，論文中采用Hamamatus公司生產(chǎn)的S1336-BQ硅光電池作為該照度檢測的光度探頭[33]。100lx光照條件下，輸出短路電流為10uA左右，當(dāng)照度為1lx時(shí)，電流為100nA。大部分傳感器的光譜特性曲線都不符合人眼視覺函數(shù)，必須加濾光玻璃，1lx光照條件下輸出電流將更小。當(dāng)暗電流相過大時(shí)，輸出短路電流將淹沒在暗電流中，所以在選擇硅光電池時(shí)，光譜曲線、暗電流、有效面積成為衡量硅光電池重要的參數(shù)。表3.1反應(yīng)出硅光電池的基本參數(shù)，最大暗電流僅為50pA，但是峰值波長在

960nm附近，即硅光電池對于紅外波段的光敏感。要符合光照強(qiáng)度的測量，要對硅光電池進(jìn)行人眼視覺修正。硅光電池光譜特性曲線如3.6所示。

硅光電池S1336-BQ的基本參數(shù)如表3.1所示。

表3.1硅光電池基本參數(shù)

3.1.4光照度測量探頭要求

根據(jù)第二章關(guān)于人眼視覺特性的描述，對光照強(qiáng)度的測量要符合人眼視覺函數(shù)，所以需要對硅光電池進(jìn)行V(λ)光譜修正。光譜修正一般采用濾光片，使得到達(dá)硅光電池的光譜符合人眼視覺特性曲線。濾光片的常用的匹配方法分為三種：（1）分離全濾光片法：濾光部分由多塊濾光片組成，相鄰濾光片之間存在縫隙，可以通過多塊濾光片疊加而成；

（2）密接全濾光片法：由多塊濾光片組成，相鄰濾光片間無縫隙，一般加工工藝要求較高，將多塊濾光片做成一塊濾光片；

（3）部分濾光片法：濾光部分由多塊濾光片組成，部分濾光片不是全面積

覆蓋傳感器表面。

由于條件限制，難以得到密接全濾光片，所以采用綜合實(shí)際情況要求，本課

題中采用的是分離全濾光片法，通過采用不同顏色的濾光片組成的濾光器。濾光

器的設(shè)計(jì)類似于濾波器，要得到人眼視覺曲線，類似于濾波器的帶通濾波器，通

過參考文獻(xiàn)數(shù)據(jù)和有色玻璃濾光曲線，選擇了三種玻璃組合成濾光片。三種玻璃

分別為青藍(lán)色玻璃（型號為QB21）、金黃色玻璃（JB470）、綠色玻璃（LB16）。光譜透射曲線如圖3.7~3.9所示，利用QB21光譜曲線的右枝，JB470光譜曲線的左枝，以及LB16光譜的中心波段組成濾光部分。

圖3.8金黃色玻璃JB470T-λ曲線

圖3.9綠色玻璃LB16T-λ曲線

3.2放大電路設(shè)計(jì)

3.2.1光電前置放大電路

硅光電池輸出的光信號非常微弱[34]，需要經(jīng)過運(yùn)算放大其信號，因此要通過前置放大器初步放大后，采用二級放大電路放大到合適的A/D采樣范圍，同時(shí)

需要考慮降低噪聲和外界干擾的影響。根據(jù)前置運(yùn)算放大器輸出信號的特點(diǎn)，一般可以分為積分型放大器和電流型放大器[35]。積分型放大器包括電壓靈敏型前

置放大器和電荷靈敏型前置放大器，積分型放大器輸出信號幅度是輸入電流隨時(shí)

間的積分，輸出信號幅度與傳感器輸出的電荷量成正比。電流型放大器通過對輸

入電流信號的放大。由于硅光電池輸出的短路電流信號跟光照強(qiáng)度成線性關(guān)系，

所以本文中采用電流型放大器放大光信號。

硅光電池可以工作兩種工作模式：零偏置電壓模式（光電壓模式），反偏置

電壓模式（光電導(dǎo)模式）[36-38]。如圖3.12所示：

圖3.12（a）光伏模式（b）光導(dǎo)模式

光電壓模式下，硅光電池處于零偏壓狀態(tài)，不存在暗電流影響，擁有較低的

噪聲，而且線性度高。光電導(dǎo)模式下，硅光電池需要外加偏置電壓，光導(dǎo)模式具有高的開關(guān)速度，但是即使沒有光照的條件下，也會(huì)存在暗電流，以及非線性、

較高的噪聲，所以光照強(qiáng)度測量采用光電壓模式[39]。根據(jù)3.1節(jié)中關(guān)于硅光電池特性分析，光電壓模式下，硅光電池處于零偏壓狀態(tài)，輸出短路電流信號跟光照強(qiáng)度成線性關(guān)系，通過放大硅光電池輸出電流信號來測量光照強(qiáng)度[40]。

3.2.2自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換

從夜晚環(huán)境下到強(qiáng)太陽光下，照度值顯著變化，由于照度跟輸出電流成線性

關(guān)系，因此硅光電池輸出電流跨度大，在幾個(gè)數(shù)量級間變化，采用單量程顯然不

能滿足實(shí)際測量要求。通過在前置運(yùn)放加入開關(guān)控制量程變化[43]，常用的開關(guān)

主要有電磁繼電器+光耦隔離、模擬開關(guān)、光MOS繼電器，手動(dòng)開關(guān)等。電磁

繼電器+光耦隔離容易受外界環(huán)境影響，光電MOS繼電器漏電流比較大，價(jià)格

比較貴，手動(dòng)開關(guān)需要人來操作，不能實(shí)現(xiàn)光照度自動(dòng)測量。隨著集成化程度的

提高，在小信號領(lǐng)域模擬開關(guān)應(yīng)用越來越廣泛，與機(jī)械開關(guān)不同，模擬開關(guān)具有

體積小、耗電量小、切換速度快、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。模擬開關(guān)的參數(shù)主要有導(dǎo)通電阻、漏電流、通道數(shù)、切換速度。模擬開關(guān)一般為多個(gè)通道的，通道數(shù)越多，寄生電容和漏電流就越大。當(dāng)控制一個(gè)通道選通時(shí)，其他通道處于高阻狀態(tài)，會(huì)存在對漏電流對通道產(chǎn)生影響，所以在選擇模擬開關(guān)時(shí)，由于光電流信號比較微弱，當(dāng)漏電流較大時(shí)，對測量光信號產(chǎn)生大的誤差，通過綜合各方面考慮，采用一款漏電流小的模擬開關(guān)MAX4602，減少漏電流對檢測電路的影響。

圖3.15MAX4602芯片管腳分布圖圖3.16自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換示意圖

MAX4602模擬開關(guān)是MAXIM公司推出的四通道模擬開關(guān)[44]，該芯片一共

有16個(gè)管腳，管腳分布如圖3.15所示，其中有四個(gè)為數(shù)字控制端INl、IN2、IN3、IN4；八個(gè)模擬輸入、輸出端COM、NO；還有電源端和地。MAX4602最大導(dǎo)通電阻為2.5Ω，漏電流典型值僅0.2nA。MAX4602有兩種供電模式：雙電源供電和單電源供電。雙電源供電要求V+取+15V電壓，V-接-15V電壓，VL接+5V。單電源+12V供電模式要求V+取+12V電壓，V-接地，VL接+5V電壓。在雙電源模式中，MAX4602導(dǎo)通時(shí)泄露電流典型值為0.2nA

。在單電源+12V供電模式中，MAX4602導(dǎo)通時(shí)泄露電流典型值僅只有0.01nA

。在單電源模式供電中，+5V的電壓在系統(tǒng)中單片機(jī)模塊中能夠提供，所以另外只需要提供+12V的。電壓就能夠使MAX4602工作，所以可以減少設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，而且工作在單電源模式下，導(dǎo)通泄流電流更低，使得檢測系統(tǒng)外部干擾更少，測量更為準(zhǔn)確。MAX4602主要應(yīng)用于音頻信號切換、航空電子、通信系統(tǒng)、測試設(shè)備等。通過單片機(jī)AT89S52控制模擬開關(guān)四個(gè)數(shù)字控制端口，通過光照強(qiáng)度測量值自動(dòng)切換量程，四個(gè)電阻值分別問10Ω、100Ω、1KΩ、10KΩ。切換量程圖如3.16所示，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量[45]。

3.2.3二級放大電路

通過前置放大電路和自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換電路組合，放大光電流信號。前置放大電

路輸出的電壓信號經(jīng)過二級放大電路，最終放大的合適的電壓值。二級放大電路

采用OP07放大芯片，OP07是一種低功耗，非斬波穩(wěn)零的運(yùn)算放大器，具有非

常低的失調(diào)電壓（最大為150uV），低失調(diào)電壓漂移（0.5uV/°C），低低偏置電流（2nA）等特點(diǎn)。OP07為8管腳的DIP封裝，一般采用雙電源供電，同時(shí)也可以采用單電源。OP07同時(shí)具有低的輸入偏置電流和高開環(huán)增益的特性得

OP07適用于高增益的測量設(shè)備和放大微弱信號等方面[46]。硅光電池輸出電流信號經(jīng)過前置放大后輸出電壓信號，由于輸出電壓還是比較微弱，因此二級運(yùn)放需要放大100倍。二級放大電路如圖3.18所示，采用T型反饋放大。

圖3.18二級運(yùn)算放大電路

3.2.4濾波電路

照度檢測系統(tǒng)中的光信號，經(jīng)過運(yùn)算放大后，傳感器、放大電路及外界環(huán)境

給檢測系統(tǒng)引入噪聲，在處理光信號噪聲時(shí)，根據(jù)光信號變化特點(diǎn)和傳感器頻率

特性，采用RC低通濾波電路，根據(jù)式3.9計(jì)算出選用合適的RC值得到截止頻率，濾除高頻噪聲，減小噪聲對系統(tǒng)的影響。

f=1/2πRC

3.3控制電路設(shè)計(jì)

3.3.1單片機(jī)系統(tǒng)電路

AT89S52是ATMEL公司推出的89C51的增強(qiáng)型產(chǎn)品，它是一個(gè)低功耗、高性能8位微控制器，片內(nèi)含通用8位中央處理器和8k的Flash存儲(chǔ)單元，40引腳DIP封裝，總共有32個(gè)I/O口，2個(gè)全雙工串行通信口，3個(gè)可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷，片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，兼容MCS-51指令系統(tǒng)以及80C51引腳分布，為許多嵌入式控制系統(tǒng)提供高靈性、高性價(jià)比的解決方案。

AT89S52主要性能特點(diǎn)有[47]：

兼容MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品；

8K可編程Flash存儲(chǔ)單元；

32個(gè)可編程I/O口線；

1000次擦寫周期；

3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；

8個(gè)中斷源；

空閑模式和掉電模式；

全雙工UART串行通道；

掉電后中斷可喚醒。

AT89S52一些引腳端口具有第二功能，P1.0、P1.1為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制端口，P1.5、P1.6、P1.7分別對應(yīng)于MOSI、MISO、SCK，P3.0、P3.1為串口通信口RXD、TXD，P3.2、P3.3為外部中斷口，P3.4、P3.5為定時(shí)器外部輸入端口，P3.6、P3.7為外部存儲(chǔ)器讀寫控制端口。豐富的第二功能端口，為嵌入式系統(tǒng)提供了更多的選擇。單片機(jī)的最小系統(tǒng)圖如3.19所示。

圖3.19單片機(jī)最小系統(tǒng)

3.3.2復(fù)位電路

復(fù)位電路是單片機(jī)的初始化操作，主要功能是把單片機(jī)初始化為0000H，使單片機(jī)從0000H單元開始執(zhí)行代碼。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)死鎖或者出現(xiàn)數(shù)據(jù)故障時(shí)，通過復(fù)位電路使系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。RST復(fù)位時(shí)間要求是持續(xù)2個(gè)機(jī)器時(shí)鐘周期高電平使單片機(jī)復(fù)位。復(fù)位電路采用簡單的RC復(fù)位電路，控制RST端口，時(shí)間常數(shù)T=R*C。選取合適的電阻值R和電容值C，通常選取電容C為0.1μF，電阻R為10K，得到時(shí)間常數(shù)T為1ms，遠(yuǎn)大于兩個(gè)機(jī)器時(shí)鐘周期。復(fù)位電路如3.20所示。

圖3.20RC復(fù)位電路圖

3.3.3串口通信電路

RS-232是美國工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）與BELL等公司制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)，

RS-232標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議適用于數(shù)據(jù)傳輸速率在0~20Mbit/s范圍內(nèi)的通信，已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE與計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE的接口標(biāo)準(zhǔn)。RS-232有9個(gè)引腳（DB-9）或是25個(gè)引腳（DB-25）兩種連接器。RS-232是通過正負(fù)電壓表示邏輯狀態(tài)，與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)不同，為了能夠同PC機(jī)接口或終端的TTL器件連接，需要在RS-232與TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換，實(shí)現(xiàn)變換的方法可以采用分立元件，或者采用集成電路芯片。常用MAX232芯片，即可以完成TTL到RS-232雙向電平轉(zhuǎn)換[48]。

圖3.21串口通信電路

MAX232是MAXIM公司推出的一款多通道RS-232驅(qū)動(dòng)器/接收器，MAX232芯片內(nèi)部有一個(gè)電壓變換器，可以把輸入的+5V電源電壓變換成RS-232輸出電平所需的±10V電壓。該芯片價(jià)格適中，硬件接口只需要幾個(gè)電容就能滿足要求，所以在照度檢測系統(tǒng)中采用MAX232芯片來實(shí)現(xiàn)串口通信。串口電路中采用三線制連接，一般采用DB-9連接器，只需要DB-9中的三個(gè)接線柱，即：DB-9第5腳連接地（GND）端；第2腳接發(fā)送端（RXD）；第3腳接接收端（TXD）。應(yīng)用電路圖如3.21所示。MAX232芯片的發(fā)送端（

RXD）和單片機(jī)的P3.0口連接；接收端（TXD）和單片機(jī)的P3.1口連接[49]。

3.4A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

高精度的A/D轉(zhuǎn)換器能有效減少誤差，提高測量的準(zhǔn)確性[50]。本文中A/D轉(zhuǎn)換器采用MAXIM公司生產(chǎn)的高速150ksps，高精度16位A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX1134，內(nèi)部集成了內(nèi)部采樣/保持電路、輸入比例電路、時(shí)鐘和三個(gè)數(shù)字輸

出引腳。該芯片具有出色的動(dòng)態(tài)特性、高速及低功耗性能成為工業(yè)過程控制，儀

表及便攜式設(shè)備提供選擇。MAX1134可接受0至±6V（雙極性）或者+6V（單極性）的模擬輸入信號，采用3.3V單電源供電。串行觸發(fā)輸出（SSTRB）可以直接與TMS320系列DSP進(jìn)行通信，用戶還可以通過配置選擇內(nèi)部時(shí)鐘或者外部時(shí)鐘進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。MAX1134具有內(nèi)部校準(zhǔn)電路用于修正非線性及失調(diào)誤差[51]。MAX1134管腳分布如圖3.22所示。

各個(gè)引腳描述：

引腳1REF：ADC參考電壓輸入端，連接2.048V外部基準(zhǔn)到REF；

引腳2、4DDAV：模擬電源3.3V輸入端；

引腳3、19AGND：模擬地；

引腳5、14DGND：數(shù)字地；

引腳6SHDN：AD芯片停止控制端；

引腳7、8、9-P2、P1、P0：用戶可編程輸出控制端；

引腳10SSTRB：串行選通輸出端，內(nèi)部時(shí)鐘模式下，當(dāng)ADC開始一個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)，SSTRB為低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束為高電平。外部時(shí)鐘模式下，SSTRB為高電平脈沖，開始傳輸MSB，CS為高電平時(shí)，SSTRB為高阻態(tài)；

引腳11DOUT：串行數(shù)據(jù)輸出端；

引腳12RST：復(fù)位控制端；

引腳13SCLK：數(shù)字時(shí)鐘輸入端；

引腳15DDDV：數(shù)字電源，接3.3V電源；

引腳16DIN：串行數(shù)據(jù)輸入端；

引腳17CS：片選端；

引腳18CREF：旁路緩沖基準(zhǔn)；

引腳20AIN：模擬輸入端。

圖3.22MAX1134管腳分布圖

3.5顯示電路設(shè)計(jì)

由于該系統(tǒng)只是LED路燈光學(xué)性質(zhì)檢測的一部分內(nèi)容，只對照度測量進(jìn)行研究，所以顯示電路只用來顯示照度值，采用段式液晶能夠很好實(shí)現(xiàn)，而且讀數(shù)方便，功耗低。段式液晶采用HT1621芯片驅(qū)動(dòng)。

HT1621是128點(diǎn)、內(nèi)存映像和多功能的LCD驅(qū)動(dòng)芯片，HT1621的軟件配置特性使它適合于多種LCD場合。HT1621與控制器連接的管腳只有4或者5條，使用方便。另外HT1621還具有降低功耗的指令。

HT1621的常用基本特性[52]：

工作電壓在2.4~5.2V之間；

內(nèi)嵌256KHz的RC振蕩器；

可外接32KHz或256KHz頻率源輸入；

可選1/2或1/3偏壓和1/2、1/3或1/4的占空比；

節(jié)電命令可用于減少功耗；

內(nèi)嵌時(shí)基發(fā)生器和看門狗定時(shí)器WDT；

一個(gè)32*4的LCD驅(qū)動(dòng)器；

一個(gè)內(nèi)嵌的32*4位顯示RAM內(nèi)存；

四線串行接口；

片內(nèi)LCD驅(qū)動(dòng)頻率源；

數(shù)據(jù)模式和命令模式指令；

三種數(shù)據(jù)訪問模式；

提供VLCD管腳用于調(diào)整LCD操作電壓。

3.6電源模塊設(shè)計(jì)

光照強(qiáng)度測量系統(tǒng)中采用了多個(gè)模塊，芯片之間供電電壓不盡同，在對運(yùn)放

供電電壓時(shí)，盡可能的減少紋波電壓對運(yùn)放的擾動(dòng)，所以電源的設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定和功耗[53]。

單片機(jī)、LCD顯示模塊采用的是+5V的供電電壓，運(yùn)放放大器ICL7650

要求為雙電源供電5V，模擬開關(guān)MAX4602供電電壓為+12V、+5V供電，A/D

轉(zhuǎn)換MAX1134為+3.3V供電。不同模塊對電源要求不同，有時(shí)候要區(qū)分?jǐn)?shù)字電源和模擬電源，所以在設(shè)計(jì)電源模塊時(shí)，需要處理好電源之間的關(guān)系以及電路布局。

系統(tǒng)采用+12V電源供電，接通電源開關(guān)后，系統(tǒng)輸入電壓為+12V，在圖3.23中，將+12V輸入轉(zhuǎn)為+5V，提供給單片機(jī)模塊供電，再將+5V電壓通過穩(wěn)壓芯片的得到+3.3V的電源部分。+5V電壓采用普通的穩(wěn)壓芯片LM7805，外圍器件很少，而且內(nèi)部還具有過流、過熱的保護(hù)電路，使用方便、可靠，而且價(jià)格便宜。+3.3V電壓通過AMS1117穩(wěn)壓芯片得到的+3.3V電壓用來給A/D芯片提供電源。A/D轉(zhuǎn)換芯片需要外部基準(zhǔn)電壓，采用LT1790基準(zhǔn)電壓芯片。LT1790是LinearTechnology推出的微功率、低壓差基準(zhǔn)電壓芯片，通過該芯片得到+2.048V基準(zhǔn)電壓。電路圖如3.24所示。

圖3.235V-3.3V電源電路

采用ICL7650斬波穩(wěn)流運(yùn)算放大器，需要提供5V的電源，一般而言對于正電壓比較容易得到，負(fù)電壓可以通過兩種方法得到：

1.采用輸出正負(fù)電壓的變壓器，然后通過穩(wěn)壓得到-5V電壓。

2.采用電壓泵—反轉(zhuǎn)電源轉(zhuǎn)換器，方便的從+5V的電壓轉(zhuǎn)換到-5V的電壓。

ICL7660是MAXIM公司推出的反轉(zhuǎn)電源轉(zhuǎn)換器芯片。ICL7660的靜態(tài)電流典型值僅為170uA，輸入電壓范圍為1.5~10V，工作頻率為10kHz，只需要采用

幾個(gè)外圍電容就能夠得到，使用方便。主要用于手持式儀表，數(shù)據(jù)采集，運(yùn)算放大電路中。ICL7660應(yīng)用電路如圖3.25所示。

圖3.24LT1790應(yīng)用電路圖3.25ICL7660應(yīng)用電路

3.7小結(jié)

從傳感器的描述及其功能特性介紹，分析出運(yùn)算放大器的要求，根據(jù)光照度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，分析各個(gè)模塊工作原理。硬件電路為系統(tǒng)提供了良好的保障。

4．LED路燈照度檢測軟件設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制系統(tǒng)中，硬件部分是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而軟件部分作為系統(tǒng)的靈

魂。只有當(dāng)軟件和硬件相結(jié)合時(shí)，系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)其價(jià)值和意義。第三章分析了

LED路燈照度檢測系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，介紹了各個(gè)模塊的工作原理，本章主要

描述照度檢測系統(tǒng)軟件部分。

LED路燈照度檢測軟件部分由單片機(jī)控制、A/D

轉(zhuǎn)換編程、串口通信編程、液晶顯示編程組成。檢測系統(tǒng)軟件部分流程框圖如

4.1所示。

圖4.1照度檢測系統(tǒng)軟件框圖

4.1單片機(jī)軟件編程

4.1.1單片機(jī)軟件設(shè)置

根據(jù)設(shè)計(jì)方案要求選用AT89S52單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制芯片，起到調(diào)節(jié)各個(gè)模塊工作運(yùn)轉(zhuǎn)的作用。AT89S52單片機(jī)的軟件配置介紹如下：AT89S52單片機(jī)有6個(gè)中斷源：2個(gè)外部中斷源、3個(gè)定時(shí)器中斷和1個(gè)串口中斷。INT0/INT1：外部中斷0/1，由P3.2/P3.3端口引入，低電平或下降沿有效；T0/T1/T2：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0/1/2中斷，由T0計(jì)數(shù)器計(jì)算滿后回零觸發(fā)；TI/RI：串口中斷，串口發(fā)送/接受一幀字符后觸發(fā)。AT89S52單片機(jī)6個(gè)中斷的軟件基本配置有：中斷允許寄存器，中斷源優(yōu)先級寄存器，串行口控制寄存器[54]。

中斷允許寄存器IE：

中斷允許寄存器用來設(shè)定各個(gè)中斷源的打開和關(guān)閉，IE在特殊的功能寄存器中，字節(jié)地址為A8H，位地址分別是A8H~AFH，IE寄存器可以對每一位單獨(dú)進(jìn)行位尋址。單片機(jī)復(fù)位時(shí)IE全部被清0。

表4.1中斷允許寄存器IE

EA：中斷總允許控制位。EA=1，各中斷開放，由各自中斷控制位設(shè)定

ES：串行口中斷控制位，高電平（1）允許中斷。

ET2/ET1/ET0：定時(shí)器中斷允許控制位。

EX1/EX0：外中斷1中斷控制位。

中斷源優(yōu)先級寄存器IP；

中斷源優(yōu)先級寄存器在特殊功能寄存器中，字節(jié)地址為B8H，位地址分別是B8H~BFH，IP用來設(shè)定中斷源的優(yōu)先級排列順序。默認(rèn)條件下，優(yōu)先級由高到底排列為外部中斷0、定時(shí)器0、外中斷1、定時(shí)器1、定時(shí)器2和串口中斷。

表4.2中斷源優(yōu)先級寄存器IP

串行口控制寄存器：用于串行口中斷及控制。

AT89S52單片機(jī)有三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，在LED路燈照度檢測系統(tǒng)中用來控制程序延時(shí)、等時(shí)間采樣、波特率等。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器描述如下：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作方式寄存器TMOD：寄存器TMOD字節(jié)地址為89H，用來確定定時(shí)器的工作方式及功能選擇，單片機(jī)復(fù)位時(shí)，TMOD全部被清0，定義如表4.3所示。

表4.3定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作方式寄存器TMOD

TMOD分為兩部分，高4位用于設(shè)置定時(shí)器1，低4位用于設(shè)置定時(shí)器0

GATE：門控制位。C/T：定時(shí)器模式和計(jì)數(shù)器模式選擇位。M1M：工作方式選擇位。

定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制寄存器TCON：

表4.4定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制寄存器TCON

寄存器TCON字節(jié)地址為88H，位地址分別為88H~8FH，可進(jìn)行位尋址。TCON寄存器用來控制定時(shí)器的啟動(dòng)、停止，標(biāo)志定時(shí)器的溢出和中斷況。

復(fù)位時(shí)全部清0。各位定義如表4.4所示。

TF1/TF0：定時(shí)器溢出標(biāo)志位。

TR1/TR0：定時(shí)器運(yùn)行控制位。

IE1/IE0：外部中斷請求標(biāo)志。

IT1/IT0：尾部中斷觸發(fā)方式選擇位。

IT1/IT0=0時(shí)，為電平觸發(fā)方式。IT1/IT0=1，為跳變沿觸發(fā)方式。

定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷2是不同于AT89C51單片機(jī)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷2是AT89S52特有的。

定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷2控制寄存器T2CON：

寄存器T2CON字節(jié)地址為C8H，T2CON寄存器用來控制定時(shí)器的啟動(dòng)、停止，標(biāo)志定時(shí)器的溢出和中斷情況。復(fù)位時(shí)全部清0。各位定義如表4.5所示。

表4.5定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2控制寄存器T2CON

TF2：定時(shí)器2溢出標(biāo)志位。軟件清0。RCLK=0或者TCLK=1時(shí)，TF2不用置位。

EXF2：定時(shí)器2外部標(biāo)志位。EXEN2=1時(shí)，T2EX上的負(fù)跳變出現(xiàn)重載或捕捉時(shí)，EXF2被硬件置位。定時(shí)器2打開，EXF2=1時(shí)，

RCLK：串口接收數(shù)據(jù)時(shí)鐘標(biāo)志位。RCLK=1，串口將使用定時(shí)器2溢出脈沖作為串口工作模式1和3的接收時(shí)鐘；RCLK=0，使用定時(shí)器1溢出脈沖作為串口接收時(shí)鐘。

TCLK：串口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)鐘標(biāo)志位。TCLK=1，串口將使用定時(shí)器2溢出脈沖作為串口工作模式1和3的發(fā)送時(shí)鐘；TCLK=0，使用定時(shí)器1溢出脈沖作為串口發(fā)送時(shí)鐘。

EXEN2：定時(shí)器2外部允許標(biāo)志位。

TR2：開始/停止控制定時(shí)器2。TR2=1，定時(shí)器2開始工作。

C/T2：定時(shí)器2定時(shí)/計(jì)數(shù)選擇標(biāo)志位。

C/T2=0，定時(shí)；C/T2=1，計(jì)數(shù)。

CP/RL2：捕捉/重載選擇標(biāo)志位。

控制寄存器T2MOD

寄存器T2MOD字節(jié)地址為C9H，用來確定定時(shí)器的工作方式及功能選擇，單片機(jī)復(fù)位時(shí)，T2MOD全部被清0。各位定義如表4.6所示。

表4.6定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2控制寄存器T2MOD

T2OE：定時(shí)器2輸出允許位。

DCEN：置1后，定時(shí)器2配置成向上/向下計(jì)數(shù)器。

系統(tǒng)掉電和空閑模式：

當(dāng)系統(tǒng)在一段時(shí)間內(nèi)沒有工作時(shí)，系統(tǒng)通過軟件方式進(jìn)入掉電模式。單片機(jī)掉電標(biāo)志位POF位于寄存器PCON第四位，上電期間POF置位高電平“1”。在

空閑工作模式下，單片機(jī)處于睡眠狀態(tài)；掉電模式下，晶振停止工作�；謴�(fù)掉電和空閑模式有兩種方式，硬件復(fù)位和外部中斷激活系統(tǒng)。

4.1.2單片機(jī)編譯調(diào)試環(huán)境

單片機(jī)編譯調(diào)試環(huán)境選擇常用的KeilC51編譯軟件。KeilC51是KeilSoftware公司推出的51系列兼容單片機(jī)C語言的軟件開發(fā)系統(tǒng)，和匯編語言相比較，C語言在可讀性、結(jié)構(gòu)、功能和可維護(hù)性有明顯的優(yōu)勢。Keil提供了包括C編譯器、連接器、宏匯編、庫文件管理和軟硬件仿真調(diào)試器等完整的開發(fā)方案，通過集成開發(fā)環(huán)境將這些部件組成一起。其強(qiáng)大的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試功能使得Keil應(yīng)用非常廣泛。

4.2A/D轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計(jì)

MAX1134是16位高分辨率，使用3.3V單電源供電，雙極性模式下轉(zhuǎn)換速度達(dá)到150ksps，無丟失碼，出色的動(dòng)態(tài)特性（THD≥90dB），低功耗的A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于AT89S52不具備SPI口功能，所以MAX1134與單片機(jī)間的通信通過I/O口模擬SPI接口來完成。

表4.7MAX1134控制字節(jié)格式

MAX1134通過時(shí)鐘控制字節(jié)從串行數(shù)據(jù)輸入端輸入到內(nèi)部移化寄存器，設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換器模式。軟件配置功能描述如表4.7所示，當(dāng)CS變低，每一個(gè)上升沿時(shí)鐘信號SCLK從串行數(shù)據(jù)輸入端DIN發(fā)送一比特?cái)?shù)據(jù)，從最高位(MSB)開始發(fā)送，8個(gè)時(shí)鐘周期完成對MAX1134的軟件配置。如果中間發(fā)生配置中斷或者為完成8個(gè)時(shí)鐘設(shè)置，MAX1134均不能完成正常的模數(shù)轉(zhuǎn)換。MAX1134可用外部時(shí)鐘或者內(nèi)部時(shí)鐘完成A/D轉(zhuǎn)換，但是兩種模式下均使用外部時(shí)鐘將數(shù)據(jù)移入或移出。一般要求完成一次轉(zhuǎn)換的周期是8個(gè)時(shí)鐘信號SCLK的整數(shù)倍。MAX1134具有短采集模式(24SCLK)和長采集模式(32SCLK)兩種工作模式。采用單極性輸入時(shí)，輸出二進(jìn)制數(shù)；采用雙極性輸入時(shí)，輸出的是二進(jìn)制補(bǔ)碼。

圖4.2A/D轉(zhuǎn)換流程圖

圖4.3外部時(shí)鐘短采集模式時(shí)序圖

在本系統(tǒng)中選用MAX1134單極性模式0~6V電壓輸入、外部時(shí)鐘、短采集模式（24SCLK）的工作方式。轉(zhuǎn)換開始前，CS為從高電平變?yōu)榈碗娖�，表示MAX1134芯片選通，開始工作。初始化設(shè)置：DIN、SSTRB、DOUT、SCLK都設(shè)置為低電平。當(dāng)SCLK第一個(gè)上升沿到來時(shí)，DIN開始發(fā)送配置數(shù)據(jù)給MAX1134，通過8個(gè)時(shí)鐘的數(shù)據(jù)字節(jié)發(fā)送，完成對MAX1134的設(shè)置，A/D轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換開始工作。在第7個(gè)SCLK時(shí)鐘下降沿處觸發(fā)SSTRB，使SSTRB上升為高電平。第8個(gè)SCLK下降沿，SSTRB拉低，數(shù)字輸出開始有效，輸出從最高位MSB開始。再經(jīng)過16個(gè)SCLK時(shí)鐘完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。經(jīng)過24個(gè)時(shí)鐘周期，完成一次A/D轉(zhuǎn)換，隨即CS拉為高電平。隨即可以進(jìn)入下一個(gè)轉(zhuǎn)換周期。外部時(shí)鐘采集模式時(shí)序圖如4.3所示。MAX1134軟件讀寫實(shí)現(xiàn)代碼：

在本系統(tǒng)中，微弱光照條件下，量程采用最高檔位，放大倍數(shù)能達(dá)到10M倍，經(jīng)過運(yùn)算放大器輸出后，輸出電壓含有大量50Hz工頻信號。濾除50Hz工頻信號可以采用陷波器，但是在光測量中，硅光電池采集到的光信號可能含有50Hz信號，因此不能直接采用陷波器。本文中采用軟件方法（等周期采樣）實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度的準(zhǔn)確測量。50Hz工頻噪聲如圖4.4所示。

圖4.450Hz噪聲信號

不考慮噪聲的變化為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。通過調(diào)節(jié)零電位使波谷的電壓為正電壓，在等周期內(nèi)采樣。

T=1/f

由于f=50Hz,得到T=0.02s。根據(jù)在一個(gè)周期內(nèi)盡可能多的采樣原則，T內(nèi)采64個(gè)點(diǎn)，即在3.125ms內(nèi)進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換，將周期內(nèi)得到的64個(gè)轉(zhuǎn)換值取平均后，即可得到電壓值。

4.3量程轉(zhuǎn)換軟件實(shí)現(xiàn)

LED路燈照度測量系統(tǒng)在測量過程中，光照強(qiáng)度從微弱到高照度，量程范圍要求大，能從單位勒克斯到千勒克斯，所以在自動(dòng)測量過程中需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換功能。本文中采用的MAX4602模擬開光，通過單片機(jī)四個(gè)I/O通信口，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換。MAX4602四個(gè)數(shù)字邏輯輸入端口IN1、IN2、IN3和IN4分別放大倍數(shù)為1K、10K、100K、1M。模擬開關(guān)起始狀態(tài)為四個(gè)導(dǎo)通的開關(guān)默認(rèn)端口為高電平。在單片機(jī)初始化模擬開關(guān)時(shí)，設(shè)置最高量程開關(guān)導(dǎo)通，為高電平，即IN4=1，其余三個(gè)數(shù)字邏輯輸入端為低電平。vaule=Get_number();//讀取A/D轉(zhuǎn)換值讀取一次A/D轉(zhuǎn)換值，判斷vaule的大小，當(dāng)vaule大于40000時(shí)，關(guān)閉該通道（IN4=0），同時(shí)打開小于一檔的開關(guān)（IN3=0）。再讀取一次A/D轉(zhuǎn)換值，判斷vaule值，循環(huán)轉(zhuǎn)換量程，直到找到合適的檔位。

圖4.5自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換流程圖

4.4液晶顯示軟件實(shí)現(xiàn)

LED路燈照度檢測系統(tǒng)顯示模塊采用段式液晶顯示，使用用HT1621B驅(qū)動(dòng)段式液晶工作。HT1621B驅(qū)動(dòng)芯片為48引腳SSOP封裝，4條控制線CS、RD

、WR和DATA。管腳CS設(shè)置為高電平1時(shí)，單片機(jī)和HT1621B之間的數(shù)據(jù)和命令無效。在產(chǎn)生命令模式或者轉(zhuǎn)換模式之前，要用一個(gè)高電平脈沖初始化

HT1621B的串行接口。管腳DATA是串行數(shù)據(jù)輸入/輸出管腳，讀或?qū)憯?shù)據(jù)通過管腳DATA進(jìn)行。管腳RD是讀時(shí)鐘輸入管腳，在RD信號的下降沿時(shí)，數(shù)據(jù)輸出管腳DATA上，在RD信號上升沿和下一個(gè)下降沿之間，單片機(jī)應(yīng)讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。管腳WR是寫時(shí)鐘輸入管腳，在WR信號上升沿時(shí)，管腳DATA

上的數(shù)據(jù)、地址和命令被寫入HT1621B。可選的管腳IRQ可用作主控制器和HT1621B之間的接口，IRQ可用軟件設(shè)置作為定時(shí)器輸出或WDT溢出標(biāo)志輸出。HT1621B的靜態(tài)顯示內(nèi)存以32×4位的格式存儲(chǔ)要顯示的數(shù)據(jù)，靜態(tài)示內(nèi)存的數(shù)據(jù)直接映像到段式液晶驅(qū)動(dòng)器中。靜態(tài)顯示內(nèi)存（RAM）映像圖如4.6所示。

圖4.6ROM映像圖

HT1621B有兩種工作模式：命令模式和數(shù)據(jù)模式。命令模式ID為110，命令模式包括系統(tǒng)配置命令、系統(tǒng)頻率選擇命令、LCD配置命令、時(shí)鐘/WDT設(shè)置命令和操作命令等。數(shù)據(jù)模式包括WRITE、READ和READ-MODIFY-WRITE操作。讀寫操作時(shí)序圖如4.7、4.8所示。

圖4.7讀連續(xù)時(shí)序圖

圖4.8寫連續(xù)時(shí)序圖

4.5串口通信軟件

串口通信是以二進(jìn)制數(shù)發(fā)送的通信方式，由于所需傳輸線少，廣泛用于單片

機(jī)與PC機(jī)之間的通信。按照串口通信的數(shù)據(jù)的發(fā)送方式分為同步串口通信和異步串口通信。本文采用的是基于異步串口通信方式[55]在異步通信中，波特率和字符幀格式是串口通信的兩個(gè)重要指標(biāo)，用戶根據(jù)實(shí)際情況選定。

1．波特率(BaudRate)

波特率定義為單位時(shí)間內(nèi)傳送二進(jìn)制碼位數(shù)，單位為bit／s。波特率用于表征數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣�。波特率越高，�?shù)據(jù)傳輸速度越快。

2．字符幀(CharacterFrame)

字符幀由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位四部分構(gòu)成：

起始位：占一位，位于字符幀開頭位置，為低電平（邏輯0），用于表示開始發(fā)送一幀數(shù)據(jù)信息。

數(shù)據(jù)位：可以取5~8位，緊跟起始位之后，低位在前高位在后。

奇偶校驗(yàn)位：占一位，位于數(shù)據(jù)位后，表征通信采用奇校驗(yàn)還是偶校驗(yàn)。

停止位：通�？扇�1、1.5或2位，位于字符幀末尾，為高電平（邏輯1）表示一幀數(shù)據(jù)信息發(fā)送完畢，也可為下一幀數(shù)據(jù)發(fā)送做準(zhǔn)備。串口通信工作之前要初始化串口，配置串口控制寄存器、電源管理寄存器、工作方式等。串口通信主要用于LED路燈照度檢測系統(tǒng)的校準(zhǔn)、測試部分，也可以通過串口通信實(shí)現(xiàn)照度測量儀與PC機(jī)的數(shù)據(jù)交換。在校準(zhǔn)、測試階段，照度測量系統(tǒng)上采用的是四位段式液晶，16位A/D輸出的是0~65535之間的五位數(shù)，通過串口通信將數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)端，方便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取與存儲(chǔ)�？梢苑治龃�口通信計(jì)算機(jī)端得到的數(shù)據(jù)，而不用讀取段式液晶上顯示的數(shù)據(jù)，便與記錄和統(tǒng)計(jì)。串口發(fā)送是以位或者字符的形式發(fā)送的。A/D轉(zhuǎn)換完成后，得到一個(gè)五位數(shù)，將五位數(shù)轉(zhuǎn)換成單個(gè)字符，一次發(fā)送一個(gè)字符，先發(fā)送最高位字符，SBUF寄存器中發(fā)送的是ASCII碼，ASCII+48得到數(shù)字字符，等待發(fā)送中斷信號(TI)，如果發(fā)送完畢TI置為1，跳出循環(huán)等待，TI中斷軟件置0，在串口通信終端顯示最高位。連續(xù)發(fā)送五次，得到一個(gè)沒有校準(zhǔn)的照度值，得到一個(gè)數(shù)據(jù)后，發(fā)送一個(gè)空格表示一次發(fā)送完成。

串口通信實(shí)現(xiàn)代碼：

4.6光照強(qiáng)度標(biāo)定軟件實(shí)現(xiàn)

LED路燈照度檢測系統(tǒng)作為儀器儀表，在沒有標(biāo)定的時(shí)，不能用于測量，只有按照儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)，通過儀器儀表技術(shù)要求，才能用于測量。所以，當(dāng)LED

路燈照度檢測系統(tǒng)沒有標(biāo)定的前提下，系統(tǒng)還不能正常工作。

圖4.9光軌示意圖

照度測量系統(tǒng)標(biāo)定要求[56]：

標(biāo)定裝置要求：光度標(biāo)定裝置由光軌、滑動(dòng)小車、光闌、燈架和燈絲調(diào)整儀

組成。光軌長度為6m，光軌平直性的誤差不超過±1mm，平直性良好，測距米尺1m內(nèi)的誤差不大于0.2mm照度檢測標(biāo)定環(huán)境要求：要在暗環(huán)境下進(jìn)行校準(zhǔn)，環(huán)境溫度應(yīng)保持在(20±5°C)，空間濕度小于85%RH，標(biāo)準(zhǔn)燈參考國家發(fā)光照明委員會(huì)CIE的要求，采用色溫為2856K標(biāo)準(zhǔn)光源。

圖4.10照度標(biāo)定用光軌

把照度測量用的傳感器和標(biāo)準(zhǔn)燈安放在光軌上，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)燈燈絲面和光傳感器的

測試平面，使兩個(gè)平面和光軌的水平測量軸線垂直，并且中心點(diǎn)位于軸線上。要求標(biāo)準(zhǔn)燈的燈絲平面與光傳感器間的距離至少大于光傳感器測試面最大限度的15倍以上[57-58]。在光傳感器和標(biāo)準(zhǔn)燈之間放置幾個(gè)光闌（孔徑大小合適），不允許擋住由標(biāo)準(zhǔn)燈燈絲和燈殼發(fā)出的光照射到光傳感器測試面上。設(shè)置光闌主要是防止雜散光進(jìn)入到光傳感器中，影響標(biāo)定結(jié)果。標(biāo)定用光軌示意圖如圖4.9所示。圖4.10為暗室現(xiàn)場圖。固定光傳感器位置，揭開光傳感器蓋子，調(diào)節(jié)測試平面與標(biāo)準(zhǔn)燈面平行，改變標(biāo)準(zhǔn)燈與光傳感器之間的距離，光傳感器在多個(gè)位置得到不同的照度值，根據(jù)光照度平方反比定律

E=I/r^2（4.2）

式中：E：測試面的標(biāo)準(zhǔn)照度值，單位為lx；

I：標(biāo)準(zhǔn)燈的發(fā)光強(qiáng)度，單位為cd；

r：標(biāo)準(zhǔn)燈的燈絲平面到光探頭測試面的距離，單位為m。

改變燈絲平面與光傳感器間距離，根據(jù)距離平方反比定律，多次重復(fù)測量結(jié)果，經(jīng)最小二乘法線性擬合，得到所需定標(biāo)校正照度值。

4.7小結(jié)

結(jié)合LED路燈照度檢測硬件電路，設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作軟件，包括控制部分，信號采集部分，顯示部分的設(shè)計(jì)，使照度檢測系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行。

5.系統(tǒng)噪聲分析及處理

5.1系統(tǒng)內(nèi)部噪聲及處理

5.1.1電阻熱噪聲

電阻或者導(dǎo)體在不加信號源或電動(dòng)勢的前提下，而且兩端也沒有電流流過，如果將電阻接到放大器后，用示波器觀察發(fā)現(xiàn)，兩端會(huì)出現(xiàn)噪聲電壓起伏變化，這種噪聲稱之為電阻熱噪聲[59]。電阻熱噪聲起源于電阻或者導(dǎo)體內(nèi)部電子的隨機(jī)自由運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致電阻或?qū)�體兩端電荷的短暫堆積，形成噪聲電壓。噪聲電壓是自由電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，當(dāng)溫度升高后，電子運(yùn)動(dòng)加劇，因此噪聲電壓隨溫度上升而變大。從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度分析熱噪聲，噪聲電壓服從高斯分布曲線。

5.1.2工頻噪聲

在以交流電源供電的系統(tǒng)中，普遍存在工頻噪聲。工頻噪聲通過各種方式進(jìn)入到測量系統(tǒng)中，與被測量信號疊加在一起，使測量值出現(xiàn)偏移，直接影響到測量準(zhǔn)確度，有時(shí)甚至造成不能直接測量，因此在對微弱光信號測量的影響尤為顯著。

常見的工頻干擾源：大電流工頻線引起的工頻磁場；高壓工頻線引起的工頻電場；實(shí)際工頻線引起的工頻電磁場；工頻地電流；電源變壓器引起的工頻磁場；電源變壓器引起的容性泄漏；軟起動(dòng)器、變頻器等調(diào)速、變流裝置產(chǎn)生的諧波干擾等等。由此可見，工頻噪聲的影響是廣泛存在的[60]。由于不存在絕對的絕緣材料，所以工頻噪聲電壓能通過泄漏電阻滲入測量系統(tǒng)中。

通常抑制工頻噪聲的方法有正確的接地方法、良好的屏蔽、設(shè)置保護(hù)環(huán)、采用高共模抑制比CMRR的運(yùn)放放大電路和窄帶濾波器或陷波器。在多數(shù)時(shí)候，即使采用了抑制工頻噪聲的措施，并不能徹底消除工頻噪聲干擾。另外，工頻噪聲中還存在諧波噪聲信號，而且諧波噪聲的頻率高，即使噪聲分量很小，通過電磁耦合和分布電容進(jìn)入檢測系統(tǒng)的分量較大。因此，只有采用合理的微弱光信號檢測技術(shù)才能有效地消除和抑制工頻噪聲。

5.1.31/f噪聲

1/f噪聲是由于兩種導(dǎo)體間相互接觸點(diǎn)的電導(dǎo)隨機(jī)漲落而引起的，導(dǎo)體間接觸不理想的器件都存在1/f噪聲，因此1/f噪聲又稱為接觸噪聲[61]。約翰遜與1925年首次發(fā)現(xiàn)1/f噪聲，隨后的幾十年，1/f噪聲抑制是國際物理機(jī)理研究的熱點(diǎn)，分別提出了遷移漲落模型、表面載流子數(shù)漲落模型和量子1/f噪聲理論。

5.1.4散彈噪聲和爆裂噪聲

散彈噪聲又可以稱之為散粒噪聲，與越過勢壘的電流相關(guān)。電子或空穴的隨機(jī)發(fā)射運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致流過勢壘的電流在其平均值附近隨機(jī)起伏，從而引起散彈噪聲出現(xiàn)。在半導(dǎo)體器件中，越過PN結(jié)的載流子的隨機(jī)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)以及電子空穴對的隨機(jī)產(chǎn)生和復(fù)合過程導(dǎo)致產(chǎn)生散彈噪聲。

當(dāng)流過PN結(jié)的平均直流電流為100mA時(shí)，設(shè)測量帶寬為10kHz，則PN結(jié)產(chǎn)生的散彈噪聲電流有效值為17.9nA，在測量微弱光照條件下的光照強(qiáng)度時(shí)，傳感器輸出電路信號甚至小于散彈噪聲電流有效值，要準(zhǔn)確測量光照強(qiáng)度，需要減小PN結(jié)散彈噪聲信號，一般情況下的做法是減小測量帶寬和減小平均直流電流。爆裂噪聲是流過半導(dǎo)體PN結(jié)電流的突然變化而引起的。爆裂噪聲的引起的原因是半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能隨機(jī)發(fā)射或捕獲載流子。通常爆裂噪聲由一系列寬度不同，而幅度基本相同的隨機(jī)電流脈沖組成，脈沖寬度一般為微秒到秒級別，脈沖幅度為1nA~0.001uA，頻率小于幾百赫茲。如果將爆裂噪聲放大并送到揚(yáng)聲器中，可聽到類似于爆米花的聲音。散彈噪聲和爆裂噪聲同屬于電流型噪聲，在光照強(qiáng)度測量系統(tǒng)中，光傳感器輸出的是電流信號，放大方式采用的I/V

放大，因此在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡可能減小電路中相關(guān)電阻阻值，同時(shí)采用濾波措施。

5.1.5地噪聲

光照強(qiáng)度測量系統(tǒng)工作時(shí)必然存在工作電流，由于測量系統(tǒng)的復(fù)雜性，地線回路難以做到盡可能的短，另外PCB板面積空間的約束，地線回路的寬度難以做到足夠?qū)�，因此地線回路就存在一定的阻抗，電流流過地線，地線上會(huì)產(chǎn)生壓降。當(dāng)測量系統(tǒng)的工作頻率較高或者存在頻率較高的數(shù)字電路，地線上除了直流壓降外，還會(huì)引起交流噪聲。數(shù)字電路產(chǎn)生的地線噪聲是很不容忽視，地噪聲不但與其工作頻率有關(guān)，還與開關(guān)速度密切相關(guān)。當(dāng)一條長度為2cm寬為6mm的地線的，電感約為10nH，流過電流為10mA，頻率為1MHz正弦波電流的地線壓降為1mV，而如果一個(gè)數(shù)字集成電路的上升或下降沿時(shí)間為10nS，電流為10mA，那么該地線上產(chǎn)生的峰值噪聲電壓可以達(dá)到16mV。地線除了存在分布

電感和直流電阻引起地線壓降外，頻率較高時(shí)，還存在趨膚效應(yīng)引起的阻值變化，

同樣會(huì)產(chǎn)生地線噪聲。測量系統(tǒng)除了存在數(shù)字電路引起的地線噪聲外，還存在調(diào)

制引起的信號幅度的變化導(dǎo)致的模擬放大電路工作電流的變化產(chǎn)生的地線噪聲。

另外，電源電壓本身的紋波噪聲也會(huì)引起工作電流的變化，從而產(chǎn)生地線噪聲。

由此可見，地線噪聲對微弱光信號的檢測有著不可忽視的影響。

5.2運(yùn)算放大器的噪聲

微弱光信號檢測的目的是從噪聲中恢復(fù)被檢測光信號。為了能把微弱光信號

放大到可以感知的水平，需要采用放大電路，但是在放大光信號的同時(shí)也將噪聲

放大，而且放大器本身還會(huì)產(chǎn)生額外的噪聲，因此在設(shè)計(jì)放大電路時(shí)，要選擇合

理的放大電路，還要考慮放大器芯片的選擇。運(yùn)算放大器引起的噪聲主要由輸入失調(diào)電壓和輸入偏置電流組成。噪聲模型如圖5.2所示，I+、I-為運(yùn)放輸入端偏置電流，VOS為輸入偏置電壓。

圖5.2運(yùn)算放大器噪聲模型

5.2.1輸入失調(diào)電壓

在理想狀況下，當(dāng)輸入運(yùn)放的兩個(gè)輸入端的電壓相同時(shí)，輸出電壓應(yīng)該為0V，在實(shí)際情況下，必須在兩個(gè)輸入施加一個(gè)小電壓才能使輸出電壓為0V，這樣的

微小電壓稱為失調(diào)電壓VOS輸入失調(diào)電壓可以看作一個(gè)串聯(lián)在運(yùn)算放大器反相輸入端得電壓源VOS，對應(yīng)輸出失調(diào)電壓等于輸入失調(diào)電壓乘以直流噪聲增益。本文中采用ICL7650運(yùn)放芯片，失調(diào)電壓OSV只有0.6uV，有效的減少失調(diào)電壓對于光照強(qiáng)度測量的影響。

5.2.2輸入偏置電流

理想條件下，流入運(yùn)放輸入端得電流為零，但是實(shí)際上，運(yùn)放的兩個(gè)輸入端都有電流輸入，分別BI+和BI−。當(dāng)反饋電阻足夠大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生比較大的誤差。例如BI為10nA，反饋電阻R為1MΩ，那么有10mV的電壓誤差。采用ICL7650運(yùn)放，輸入偏置電流只有50pA，當(dāng)前級放大電路為最大量程100KΩ時(shí)，電壓僅5uV，極大的提高了測量的準(zhǔn)確性。

5.3PCB布線處理

繪制光檢測系統(tǒng)PCB時(shí)，要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過大時(shí)，導(dǎo)線長，

阻抗增加，抗噪聲能力降低，成本增加；尺寸過小，則散熱不好，而且鄰近線條

易受干擾。根據(jù)系統(tǒng)各個(gè)功能模塊，對檢測系統(tǒng)進(jìn)行布局。LED路燈光照強(qiáng)度的測量系統(tǒng)中，有微弱信號采集電路、數(shù)字處理電路和電源電路，電路之間的布局各不相同，之間產(chǎn)生的干擾和抑制方法不相同。因此要將數(shù)字處理電路、微弱信號采集電路和電源電路分別分開放置，布局中還要特別注意強(qiáng)、弱信號的傳輸方向性問題。相同模塊電路的器件應(yīng)盡量靠近放置，這樣可以獲得良好的抑制噪聲的效果。PCB布線原則之一就是各器件間的引線要盡量短，微弱信號采集電路和數(shù)字電路合理的分開，使相互間的信號耦合最小。光信號采集模塊中輸入的光電流信號非常的小，在PCB布線處理時(shí)，放大芯片ICL7650的輸入引腳采用隔離島，將輸入引腳抬起來，不和PCB連接，直接將光傳感器的輸出引線接到懸空的隔離島上，反饋電阻和反饋電容回路的端連接到隔離島。由于漏電流的不確定性，即使PCB板阻抗很高，輸入端的電位差也不能忽略。前置運(yùn)算放大電路對于電源的要求也很高，微小的電壓波動(dòng)會(huì)引起測量誤差，所以在靠近運(yùn)放的供電電壓加0.1uF、0.01uF的陶瓷電容，減弱電壓中的高頻噪聲。（1）電源模塊要求：穩(wěn)壓輸入端接入100μF以上的電解電容，輸出端接同樣接

100μF以上的電解電容，并且加0.1uF陶瓷電容，電容布局時(shí)，盡量靠近輸入/輸出端。（2）A/D轉(zhuǎn)換電路PCB布線要求：保證數(shù)字信號線和模擬信號線相互分開，模擬信號線和數(shù)字信號線嚴(yán)禁平行布線，電源接地和旁路處理。（3）地線要求：系統(tǒng)板為單點(diǎn)接地，數(shù)字地和模擬地構(gòu)成各自的通路，數(shù)字地和模擬地用零歐姆電阻連接，構(gòu)成閉環(huán)回路。盡量加粗地線，若地線很細(xì)，接地電位隨電流的變化而變化，使設(shè)備信號不穩(wěn)定，抗噪聲性能變壞。根據(jù)電路布局，地線回路從數(shù)字信號開始，到A/D轉(zhuǎn)換芯片，最后連接到運(yùn)放地端，形成從強(qiáng)到弱的回路。PCB板覆銅，沒有用到的區(qū)域用一個(gè)大的接地面覆蓋，提供屏蔽盒增加電路去耦的能力，覆銅回路要求按照從強(qiáng)到弱原則。在前置運(yùn)算放大電路PCB

板加屏蔽罩，減少外界電磁、工頻噪聲的影響。

5.4小結(jié)

分析了LED路燈照度檢測系統(tǒng)內(nèi)部噪聲，運(yùn)算放大器噪聲以及其他外部噪聲，并采取有效措施有效抑制噪聲，通過系統(tǒng)硬件PCB布線處理，提高系統(tǒng)抗干擾能力。

6.系統(tǒng)測試

6.1系統(tǒng)硬件電路測試

6.1.1模塊化測試

焊接電路時(shí)，先將電源部分焊接好，焊接時(shí)注意穩(wěn)壓芯片不要反接，焊接要良好，用電壓表測試輸出電壓是否穩(wěn)定，確保電源部分正常穩(wěn)定。然后焊接貼片元器件和放大電路部分，最后焊接單片機(jī)電路。系統(tǒng)焊接完成后，用萬用表測量貼片封裝的芯片引腳是否有短接或沒有虛焊的引腳，然后仔細(xì)檢查PCB是否都焊接良好，檢查通過后，接上電源開關(guān)，給系統(tǒng)通電，用手看看穩(wěn)壓芯片是否發(fā)燙，如果穩(wěn)定良好，說明電路沒有短路。通過串口給單片機(jī)下載程序，控制LCD

顯示、控制模擬開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換測試。

6.1.2系統(tǒng)整體測試

系統(tǒng)硬件整體調(diào)試完成后，下載軟件代碼，系統(tǒng)開始運(yùn)行工作，液晶顯示A/D轉(zhuǎn)換值，通過串口通信發(fā)送A/D數(shù)據(jù)到上位機(jī)，串口數(shù)據(jù)顯示如圖6.1所示，并對完成系統(tǒng)的校準(zhǔn)工作，使系統(tǒng)檢測達(dá)到檢測標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6.1串口接收端

系統(tǒng)校準(zhǔn)后，測量光照強(qiáng)度，系統(tǒng)實(shí)物如圖6.2所示，當(dāng)前照度測量顯示值為

11.10lx。

將系統(tǒng)放置在暗環(huán)境中，打開光源，等光源發(fā)光穩(wěn)定后，開始測量光源光照

強(qiáng)度值，同一位置測量五次，并且用標(biāo)準(zhǔn)照度計(jì)在相同位置測量光源照度值。改

變光源強(qiáng)度或者改變光傳感器與光源之間的距離，光源穩(wěn)定后，測量光源照度值，

重復(fù)多次得到表6.1。由表中可以看出，當(dāng)光照強(qiáng)度越弱時(shí)，硅光電池輸出電流

信號越小，有效信號系統(tǒng)引入的噪聲信號影響越大。照度值在小于1lx時(shí)，系統(tǒng)測量誤差增大。在小于1lx照度條件下，檢測系統(tǒng)有待改善。在大于1lx光照條件下，系統(tǒng)的測量誤差小于±3%，達(dá)到國家照度計(jì)一級標(biāo)準(zhǔn)要求，重復(fù)性測量誤差小于±1%。

表6.1系統(tǒng)測量值

6.2誤差分析及處理

在LED路燈照度檢測系統(tǒng)中，光傳感器、運(yùn)算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器等硬件電路都會(huì)受不同程度的各種因素影響，使光照度檢測的測定值與真實(shí)值之間造成差異。差異可歸結(jié)為兩類：隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差是在同一條件下多次重復(fù)測量。誤差大小和符號保持不變，或按某一確定規(guī)律變化，是系統(tǒng)的固定誤差。

LED路燈照度檢測系統(tǒng)系統(tǒng)誤差來源主要有以下幾方面：1.硅光電池特性所造成的誤差；2.運(yùn)算放大電路引起的誤差；3.A/D轉(zhuǎn)換器電路引起的誤差；4.外圍電路接口電路引入的非線性誤差。減小系統(tǒng)誤差的主要措施有：選用穩(wěn)定性高、暗電流小、輸出線性度好的硅光電池；選用低泄露電流、低失調(diào)電壓的斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器；選用高精度、誤碼率低的A/D轉(zhuǎn)換器，采用高精度、溫漂系數(shù)低的反饋電阻，和聚丙烯反饋電容。部分系統(tǒng)誤差采用軟件補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏ�除�?/font>

隨機(jī)誤差是系統(tǒng)隨機(jī)變化引起的誤差。在同條件下多次重復(fù)測量，誤差存在的不確定性的變化，但是隨機(jī)誤差服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，以相同條件測量時(shí)，根據(jù)時(shí)間平均和總體平均方法。隨機(jī)誤差之和為零，測量值的數(shù)學(xué)期望等于真實(shí)值。隨機(jī)誤差主要由供電電源波動(dòng)、電路噪聲、外界環(huán)境引入等等造成的。減小隨機(jī)誤差的措施：PCB布線時(shí)，盡量減少阻抗干擾；系統(tǒng)采用屏蔽方式減少外界環(huán)境干擾；軟件采用A/D轉(zhuǎn)換多次采樣取平均的方法，減小隨機(jī)誤差。

6.3小結(jié)

主要分析系統(tǒng)模塊工作狀況，測試各個(gè)模塊運(yùn)行性能，完成系統(tǒng)測試，

分析系統(tǒng)存在的誤差以及誤差處理方法。

7．總結(jié)與展望

本文通過分析國內(nèi)外傳統(tǒng)光源光電檢測發(fā)展趨勢，以及傳統(tǒng)光源與LED光源光電檢測的區(qū)別，探討LED光電檢測的發(fā)展趨勢。針對目前LED路燈光學(xué)性質(zhì)檢測的存在問題，提出了LED路燈光照強(qiáng)度測量系統(tǒng)方案，驗(yàn)證了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，完成了照度自動(dòng)測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)工作，使系統(tǒng)達(dá)到照度檢測要求。本文的主要的研究內(nèi)容有：1.分析傳統(tǒng)光源光電檢測與LED光源檢測區(qū)別，LED光源檢測的發(fā)展趨勢。通過分析，本文中采用燈具旋轉(zhuǎn)式測量方法，通過旋轉(zhuǎn)LED

燈具，固定光傳感器的方法測量光學(xué)參數(shù)。2.對光傳感器的研究分析，并通過加濾光玻璃完成光傳感器的人眼視覺V(λ)光譜修正，確保檢測的準(zhǔn)確性。選擇恰當(dāng)?shù)那爸梅糯箅娐窚p少干擾、提高信噪比，設(shè)計(jì)二級放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示電路等，提供串口通信為LED路燈光學(xué)檢測提供良好的外部接口3.完成照度自動(dòng)檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，包括控制部分、A/D轉(zhuǎn)換和顯示部分代碼編寫工作，并校準(zhǔn)照度測量系統(tǒng)。4.系統(tǒng)測試，檢驗(yàn)系統(tǒng)工作的準(zhǔn)確性和穩(wěn)性。通過對系統(tǒng)噪聲的分析，采取有效措施減少噪聲的干擾。由于時(shí)間和人力的限制，只是完成了光照強(qiáng)度的測量，作為完整的LED路燈光學(xué)檢測系統(tǒng)，還有光通量、顏色指標(biāo)特性等參數(shù)，以及LED路燈燈具旋轉(zhuǎn)臺(tái)的控制系統(tǒng)與各傳感器的結(jié)合未能實(shí)現(xiàn)。離實(shí)際應(yīng)用有一段距離，還需要進(jìn)一步完善，今后可以從其他參數(shù)測量模塊的設(shè)計(jì)，以及各個(gè)模塊集成為整體測量系統(tǒng)來開展研究。1.照度檢測系統(tǒng)改善。采用量程范圍更寬的采集系統(tǒng)，通過多個(gè)光傳感器準(zhǔn)確測量微弱光照強(qiáng)度。在微弱光照條件下，可選用光電倍增管測量，普通光照條件下采用硅光電池，通過通道切換實(shí)現(xiàn)從極微弱到強(qiáng)光照條件下的精確測量。2.其他光學(xué)參量測量。光通量、相關(guān)色度等光度量的檢測模塊設(shè)計(jì)。由于LED路燈燈具的特性適宜采用分布式方法測量。3．LED路燈旋轉(zhuǎn)臺(tái)。該系統(tǒng)采用的是LED燈具旋轉(zhuǎn)，傳感器固定不變的方案，需要設(shè)計(jì)路燈燈具旋轉(zhuǎn)臺(tái)，通過電機(jī)上下、左右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)燈具全空間內(nèi)的測量。4．檢測系統(tǒng)各個(gè)模塊集成。光電檢測傳感器部分固定在檢測的一端，控制LED路燈燈具臺(tái)，旋轉(zhuǎn)燈具的同時(shí)發(fā)送坐標(biāo)指令給系統(tǒng)，將每個(gè)坐標(biāo)上采集到得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在上位機(jī)上，通過圖形界面顯示測量圖，并且可以通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊查看坐標(biāo)點(diǎn)上的光學(xué)參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)LED路燈光電檢測的自動(dòng)測量。距離完整LED路燈光電測量系統(tǒng)還有很多工作要做，今后需要其他人來參與研究，實(shí)現(xiàn)其意義。

致謝

這次畢業(yè)設(shè)計(jì)能取得圓滿的成功離不開我的指導(dǎo)老師劉偉老師的細(xì)心指導(dǎo)、，在此，我真心的感謝我的指導(dǎo)老師給予了我關(guān)鍵性的理論指導(dǎo)，讓我才能順利完成此次的畢業(yè)論文設(shè)計(jì)。同時(shí)我也感謝學(xué)校對本科教育的重視，使我學(xué)到了很多實(shí)用的知識(shí)和技能，在本次的設(shè)計(jì)中都得到了實(shí)踐。最后，還要感謝在我編寫論文期間給我提供過技術(shù)上和知識(shí)上幫助同學(xué)，沒有你們的幫助，我不可能完成此次論文，謝謝你們！

最后，還要感謝學(xué)院的各位領(lǐng)導(dǎo)。你們一直關(guān)心我們的健康成長，幫助我們形成健康的人生觀、世界觀、價(jià)值觀。還有輔導(dǎo)員曾振華老師，您總是在生活中的各個(gè)方面各個(gè)細(xì)節(jié)給我?guī)椭�，我還要感謝周口師范學(xué)院，在這里的四年了我不僅學(xué)到的是書本上的知識(shí)還有做人的道理。我只想說：母校，我愛你！

附錄 1

檢測系統(tǒng)電源模塊

單片機(jī)控制模塊

光電流信號處理電路

附錄2

LED 路燈照度檢測系統(tǒng) PCB

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2018-4-15 20:12 上傳

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