基于分段法照度測量系統研究*

譚家杰，鄒常青

（衡陽師范學院 物理與電子信息科學系，湖南 衡陽421002）

大功率LED廣泛應用于室內照明，無論采用發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范要求，又要保證室內照明的均勻性[1-2]。傳統測量儀器如TES1330A是以數字儀表ICL7135四位雙積分A/D轉換芯片為核心器件，用CD4511譯碼器驅動液晶顯示測量值。目前對照度測量的方法有：利用ATmega16L單片機自帶的A/D轉換測量曝光成形的視圖平面照度[3]；采用數字照度傳感器BH1750實現多功能照度計[4]；用PIN光亮度傳感器LX1970和單片機AT89C51測量光照度，并控制室內照度[5]；用PIN管和高精度集成運放對UV燈的輻照度進行測量以保證UV燈具的質量[6]。為了精確測量LED的照度及分布，本文設計了以單片機為主的測量系統。系統以硅光電池為主要器件，用集成運放將光電流轉換成電壓，然后進行A/D采樣電壓值，用分段最小二乘法標定從而間接測量光照度。將該系統用于實地測量，系統具有快速、穩定、準確等特性。

1 系統設計

1.1 系統總體組成

本測量系統的結構如圖1所示。系統主要由單片機、光電池、電流轉換電壓放大、A/D轉換、溫度測量、鍵盤輸入、LCD顯示及RS232通信模塊組成。單片機采用普芯達公司的8位CW89F52型單片機，它內含8 KB Flash ROM和512 B RAM，兼容標準MCS-51單片機指令和管腳，主要用于數據采集與數據處理。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系。采用德州儀器的LM358將光電流轉換成電壓并進行放大。為了保證測量具有一定的精度，A/D轉換采用美信公司的12位低功耗模數轉換器MAX187。系統工作時并對環境溫度進行測量，溫度模塊則采用DHT11溫濕度復合傳感器，主要用來測量環境溫度和濕度。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橋接芯片與單片機串口相連，一方面用于單片機下載程序，另一方面用于與上位機通信，進行數據處理。鍵盤輸入模塊主要用于系統的功能選擇。

1.2 光電池選擇

系統的傳感器選用龍信達公司的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有良好的靈敏度，廣泛應用于光學領域的光度計、白度計、光功率計等方面。光電池的基本結構是一個PN結，在光照下能產生光電流。在檢測時需要使其工作在短路電流方式下，此時的光電流與輸入光照度成比例變化，這個點即為線性工作的臨界點。臨界狀態時的輸出電流接近于短路電流，它與輸入的光照度關系為：

其中，Isc為短路電流，S為光照靈敏度，E為輸入光照度。如果將短路電流轉換成電壓，有：

根據式(2)，只要測量出 Usc和標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，光學量與輻射量之間的關系決定于人的視覺特性[7]。根據參考文獻[4]，傳感器的光譜響應應與人眼一致，光學量與輻射量之間與單色光的絕對光譜效率成比例關系，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，系統的光電池上加上了藍色濾光片進行光譜校正。該濾光片的作用是使它的“光譜響應度”或“視見函數”與國際照明委員會明視覺光譜光效函數相匹配[7]。

1.3 信號處理電路設計

系統的信號處理電路包括電流-電壓轉換電路、有源濾波電路、電壓放大、電壓跟隨電路，其結構如圖2所示。

圖 2中，D1、R1、A1組成電流-電壓轉換電路，其中 D1為硅光電池，處于短路狀態。根據集成運放的虛地特性，將光電流Isc轉換成電壓，顯然輸出電壓與輸入電流成正比。第一級輸出電壓為IphR1，其值取決于光電流Isc和電阻R1，即R1決定了電流-電壓轉換的比例關系。在設計電路時需注意電阻的大小，電阻過小則輸出電壓過小，過大則容易使輸出飽和，導致輸出電壓與輸入照度不易保持線性關系；另一方面電阻的R1熱噪聲影響輸出結果。實驗過程中，發現電阻值在 500 Ω～1 000 Ω之間為最佳，能使輸出電壓與輸入光照度成正向比例關系。因此，測量系統選擇R1=1 kΩ。在選擇集成運放方面，盡量選擇零偏電流較小的器件。此時，測量光照度的原理由直接測量光電流的電流值轉為間接測量電壓值。

為了減少輸入光的波動對測量結果的影響，在電流-電壓轉換電路后面設計了第二級信號處理電路，由A2、R2、R3、R4、R5、C1和 C2組成。 根據圖 2 電路可以求得系統的增益為：

1.4 數模轉換和溫度模塊

設計的模數轉換及測溫接口電路如圖3所示。前期實驗測量采用 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轉換器件。它由單電源5 V供電，其串行外設總線接口既簡化了接口電路又便于軟件編程，只需3根線與單片機相連，具體見圖3。單片機通過P1.0口與MAX187的串行時鐘SCLK相連接，并為其提供外部工作時鐘。MAX187的片選端口與單片機P1.1連接，串行數據輸出DOUT與單片機P1.2連接。注意編程產生的串行時鐘不得超過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系，設計了DHT11測量實時溫度和相對濕度模塊。DHT11是已經校準的單總線數字信號輸出的溫、濕度復合傳感器，由一個感濕式電阻元件和一個負溫度特性的熱敏電阻組成。校準系數存儲在傳感器內部ROM，測量的數據通過DATA單總線與單片機進行通信，一次通信時間約為4 ms。完整的數據為40位，高位先出，其格式為：8位濕度整數數據、8位濕度小數數據、8位溫度整數數據、8位溫度小數數據及8位校驗和。

1.5 系統余弦修正

傳感器的接收表面會將斜向輸入傳感器表面的光線部分反射，根據照度的定義可知它是投影到單位面積的光通量，系統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導致測量值產生誤差。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系，修正時按照余弦關系進行修正。為了正確測量照度必須進行余弦修正，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。本系統采用內徑22 mm、高18 mm的乳白色塑料半球進行余弦修正。

2 測量實驗及數據處理

2.1 照度、電壓關系測量實驗

為了研究傳感器在不同溫度下的輸入輸出特性，設計了傳感器特性測量實驗，將LED燈改成高度可調以達到接收照度變化的目的。設計的單片機程序首先測量環境溫度，然后對輸出電壓進行A/D采樣，對應一個照度值測量10次輸出電壓并取算術平均送LCD1602顯示。同時，將照度計放置于與測量系統等照度位置，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系。系統可采用3次曲線擬合，擬合的曲線公式為：

其中U為電壓值，E為照度值。

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℃時輸入照度在1 160 lx以下線性關系較明顯，超過此值非線性效應明顯。25℃、23℃、21℃、18℃、16℃時輸入小于 1 400 lx為線性關系。1 400 lx附近為線性區域與非線性區域的臨界點，即大于1 400 lx非線性效應較明顯。因此，可以根據式(4)進行反演，通過測量電壓值反算出照度值。將式(4)變換為：

標定出不同溫度下的系數 b0、b1、b2、b3， 并測量出電壓，按照式(5)就可以間接測量光照度。標定前，需考慮光電池零誤差的影響。具體做法是將整個裝置放入暗箱，測量電壓值，然后對測量值進行修正。

2.2 數據處理

輸入光照度與電壓之間存在非線性關系。在測量照度時，解決非線性的方法主要有硬件補償法[8]和軟件算法補償法[9-10]。本文的光照度測量系統采用查表法結合插值方法來解決輸入輸出的非線性問題。標定出不同溫度下的多項式系數。標定時，單片機將溫度和電壓通過RS232發送至上位機，根據上位機計算的結果修正單片機測量程序的系數，即將不同溫度下的系數分別存儲。測量時，單片機通過不同溫度系數查表，計算光照度，并用LCD1602顯示其大小。

根據光照度與電壓關系測量實驗結果可知，輸入光照度小于1 160 lx時，電壓與光照度為線性關系；而大于1 160 lx時，采用線性關系處理顯然不妥,而全部采用三次多項式插值既增加了測量誤差又增加了計算的復雜度。為了減少測量誤差，測量系統數據處理時采用分段法處理，即線性與非線性擬合相結合的方法。

將測量區間分成線性和非線性兩個區間，其中線性區間采用線性擬合方法計算系數。先用軟件采用最小二乘法求出系數，插值后得到如圖5曲線。圖中離散點為測量值，實線是根據電壓值線性插值計算的照度值。計算公式如式(6)。

其中U為電壓值，E為照度值。

非線性區間則按式(5)用最小二乘法求得不同溫度下的系數，見表1。直接將表1的系數保存在單片機程序段。測量時，單片機先獲取環境溫度，然后對電壓A/D轉換，并計算電壓大小。當電壓值≤0.25 V時，直接用線性插值方法計算光照度；否則通過溫度查表得到系數計算照度。如果溫度不在表中范圍，可以查出相鄰溫度系數得到照度，然后用線性插值方法求出對應溫度的照度。

表1 不同溫度下的系數

2.3 測量誤差分析

為了研究采用上述方法設計的數字照度計的精度，將該照度計和TES1330A照度計分別對大功率LED燈的照度進行測量，結果如表2所示。其中測量值為本設計照度計所測，對比值為TES1330A照度計所測。

表2 實測值對比表 （單位：lx ）

實測數據表明，測量值和對比值在線性區域的偏差較小，在非線性區域偏差較大。例如光照度在3 000 lx時，測量值為 2 931，對比值為 2 980，相差 49 lx。根據表2數據計算出的標準差為±7.001 5 lx。

應用上述方法設計了光照度測量儀，并用于大功率LED燈光照度測試。系統以硅光電池作為傳感器，并進行了光譜函數補償、余弦修正和零點修正。設計的照度計結構簡單，測量精度在10 lx以內，測量照度范圍在0～3 000 lx，數據處理將區間分成兩段，分別采用線性曲線和非線性曲線標定，有效地解決了光電池存在的非線性問題。在實際應用過程中取得了較好的效果。

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