一種適于公路長隧道光照度動態檢測系統的設計

程青春

(廊坊市市政設施管理處，河北 廊坊　065000)

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一種適于公路長隧道光照度動態檢測系統的設計

程青春

(廊坊市市政設施管理處，河北 廊坊065000)

本文介紹一種適用于公路長隧道光照度動態檢測系統的設計方案、基本原理，該系統采用車載方式動態檢測長隧道的平均照度、照度均勻度、平均亮度、亮度均勻度等，系統以C8051F061單片機為核心，實現了能滿足于長隧道光照度動態測量量程寬(2～3 000 lx)，信號采集速度快(10次/s)的主要技術要求，并具有測量效率高、準確性高和安全可靠等優點。

長隧道；光照度；動態檢測；車載式；準確；安全

引言

公路長隧道照明有一定的特殊性：為保證行車安全，汽車進入較長的隧道時，為防止視覺上出現“黑洞效應”，車輛進入隧道后，道路的照度應逐漸降低(通常照度由2 000 lx以上逐步減小到數十lx)；同樣，車輛駛出隧道時，為防止出現失能“眩光”問題，照度應逐漸提高(照度由數十lx逐步增加到2 000 lx以上)，如圖1所示。普通車載式照度檢測系統測量范圍小(2 lx～200 lx)，無法滿足隧道內道路照度檢測要求。因此，在當前的隧道照明檢測中，通常使用照度計采用傳統的人工逐點測量的方法來檢測照度，而此方法存在檢測效率低、安全風險大等弊端。

圖1　長隧道照明照度分布Fig.1　Illuminance distribution of the long tunnel lighting

針對以上問題，我們設計了一種照度測量量程寬(2 lx～3 000 lx)、高精度(分辨率0.05 lx)、多量程自動選擇的長隧道光照度動態檢測系統，用以解決隧道照度檢測問題。實驗測試表明，該系統測量精度高、測量結果一致性好、工作穩定可靠。

1　技術指標和技術特點

1)技術指標：①測量范圍：2～3 000 lx；②精度范圍：±3% rdg±0.5% f.s.(<10 000lx),±4% rdg±10 dgts(>10 000lx),(以色溫2 856 K標準平面燈校正);③RS232傳輸速率：9 600 bps;④工作電壓：±5 V;⑤工作環境：-20 ℃～75 ℃;⑥取樣率：2次/s。

2)技術特點：①在照度測量范圍大至2 lx～3 000 lx的范圍內能實現在自動換檔的前提下保持全量程的良好的測量準確性和可重復性以及良好的電磁兼容性能。②既要實現量程自動選擇，又要防止出現量程頻繁切換；采用有效的硬件設計和軟件處理相結合的方法從而有效地將檔位相對誤差降之最低。③降低噪聲與抗干擾設計。本系統照度分辨率為0.05 lx(對應的A/D轉換電壓分辨率為0.036987 mV)，如何降低電路噪聲和干擾，提高照度數據的采集精度也是一個技術難點。在PCB設計中采用多種措施降低系統內噪聲、干擾；系統組裝時，將電路板置于金屬盒中、信號線采用屏蔽線等多種措施降低外部干擾。

2　系統設計

長隧道光照度動態檢測系統的系統結構如圖2所示。

圖2　系統結構框圖Fig.2　Frame map of the system

光源發出的光經照度傳感器轉換為光電流信號，光電流經I/U轉換電路轉換為電壓信號，再經可編程放大后，送入C8051F061內的16位A/D轉換器中轉換為數字信號，該數字信號的大小反映了光照強度的大小。由于隧道照明中，隧道入口和出口段的光強遠比隧道中段的光強大，因此所設計的照度檢測系統必須有較大的測量范圍。但是，很難保證在整個測量范圍內傳感器的光電流與光強成嚴格的線性關系，因此將整個測量范圍劃分為4個量程，對不同量程微調電路增益，從而在整個測量范圍內都有良好的測量精度。電壓放大器(OP27)設計為反相比例運算電路，C8051F061控制模擬開關CD4066選取不同的反饋電阻，從而實現不同量程電路增益的調整，但4個量程自動切換。A/D轉換后的光強數據經數字濾波后，從C805F061的UART0或UART1上傳到上位機中進行進一步處理。考慮到當前有些筆記本電腦沒有RS-232接口，系統中設計有USB接口，可直接與筆記本電腦的USB口相連，為實際應用提供便利。

整個測試系統采用7.4V鋰電池供電，長時間使用后，鋰電池電壓降低到6V時，會影響測量精度。為此，電路中設計有電池電量檢測功能，當電壓降低到6.0V以下時，發出電量不足的報警信號，提示用戶需要對電池充電。

2.1系統硬件結構

1)信號調理電路(圖3)。光源發出的光經照度傳感器轉換為光電流信號，光電流經OPA129轉換轉換為電壓信號，再經過OP37及74HC4066組成的可編程放大器放大后送入A/D轉換器。

2)控制及轉換電路(圖4)。控制及轉換電路由單片C8051F061構成。信號調理電路輸出的信號送入C8051F061內的2通道16位A/D轉換器，轉變為數字信號。

圖3　信號調理電路Fig.3　Signal circuit

圖4　控制及轉換電路Fig.4　Control and transfer circuit

2.2軟件設計

1)單片機端軟件設計。單片機端的軟件主要實現以下功能：兩個通道光強信號的A/D轉換控制、量程的選擇與控制、電池電量檢測、與上位機通信。程序流程圖如圖5所示。

2)上位機程序設計。上位機程序采用VB設計，主要完成數據通信、實時照度計算、照度曲線繪制、照度數據存儲與讀取、照度均勻度計算、系統誤差校正等任務。

3)軟件操作界面(見圖6)。

3　動態檢測方法

儀器的外形如圖7所示，系統安裝的示意圖如圖8所示。

使用時，將兩只改裝后的照度傳感器安裝于汽車前面的引掣蓋上，并使兩只傳感器相距一米，將照度傳感器調整水平，由于該系統的照度采樣速度達到10次/s。汽車以5 km/h速度勻速行駛在同一路燈兩側等距的位置時。可實現每隔0.2 m讀取一位照度數字，如此密集的采樣速度為等照度曲線的準確檢測提供了有效的大量的測量數據。

圖5　程序流程圖Fig.5　The process diagram

圖6　軟件操作界面Fig.6　Software operating interface

圖7　儀器的外形Fig.7　The machine

1為汽車，2為相距一米的兩只照度傳感器圖8　系統安裝示意Fig.8　The system setup

4　結束語

該系統經過了在實驗室和模擬長隧道照明的多次檢測，達到了設計初的要求，實現了對長隧道的照度、亮度及其均勻度的測量。該系統已成功的應用于南京玄武湖隧道的照度測量(如圖9所示，TES1330A曲線為標準照度計測量結果，CH_1和CH_2為儀器傳感器一、傳感器二的測量結果)，用戶反映良好，達到了測試的預期目的。提高了測試速率和采集速度，更加提高了工作效率，保證了測試人員的安全，使整個測試過程更加準確、快捷、安全。為公路長隧道的現場動態檢測提供了有力的技術與裝備支持，具有一定的推廣價值。

圖9　南京玄武湖隧道的照度測量Fig.9　The illuminance measurement

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Design of A Dynamic Detection System for Long Tunnel of Highway

CHENG Qingchun

(Langfang City Management Department of Municipal Facilities, Langfang 065000, China)

This paper introduces a kind of suitable for Highway Long Tunnel illumination dynamic detection system design plan, the basic principle and the system using the vehicle dynamic detection of the long tunnel of the average illuminance, uniform illumination, average brightness, brightness uniformity system C8051F061 monolithic machine as the core, the realization of the can to meet the long tunnel illumination dynamic measurement range wide 2～3000 lx, signal acquisition speed of 10 times/seconds of the main technical requirements, and has high measuring efficiency, high accuracy and safety and other advantages.

long tunnel； light illumination； dynamic detection； vehicle type； accuracy； safety

TM923

ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2016.05.010