環境光傳感器TSL2581在公路隧道照明控制中的應用

張德錢， 洪遠泉， 趙永泉

(1. 韶關學院 物理與機電工程學院, 廣東 韶關 512005; 2. 韶關學院 資產處, 廣東 韶關 512005)

環境光傳感器TSL2581在公路隧道照明控制中的應用

張德錢1， 洪遠泉1， 趙永泉2

(1. 韶關學院 物理與機電工程學院, 廣東 韶關 512005; 2. 韶關學院 資產處, 廣東 韶關 512005)

介紹了高性能環境光傳感器TSL2581的基本特性和軟硬件控制設計方法,搭建了隧道燈光按需照明調光系統，以STM32微處理器為核心，輸出直流電壓控制LED功率，利用TSL2581檢測隧道照明亮度。測試表明，系統能實現公路隧道照明亮度檢測與節能優化功能。

公路隧道照明；環境光傳感器； 亮度

數量龐大的公路交通隧道需要消耗很大的電能來維持照明。為適應公路隧道照明節能技術發展的新趨勢，2014年8月1日，我國新的隧道照明設計標準《公路隧道照明設計細則》(JTG/TD70/2-01—2014)開始實施。新標準提倡采用新技術進行隧道照明節能控制。按需照明控制技術是隧道燈光智能控制研究的熱點。以隧道照明亮度適應曲線為依據，根據隧道洞外亮度、車速、車流量等參數變化實時、自動調整隧道照明功率，可避免過度照明，節能減排[1]。因此，準確測量隧道洞外環境亮度和隧道內部照明亮度，是按需照明節能控制的關鍵。本文對高性能環境光傳感器TSL2581的工作原理和應用方法進行介紹，并將其應用在隧道按需照明控制系統上，進行隧道燈光節能控制研究。

1 環境光傳感器TSL2581

TSL2581是美國AMS(艾邁斯)公司推出的第二代環境光數字傳感器件，內部結構如圖1所示。其包含兩通道的光檢測轉換電路，其中CH0檢測可見光和紅外線，CH1只能檢測紅外線。2個光敏二極管感應的模擬光電信號，在命令字控制下，同時進入16位的積分型A/D轉換器，輸出數字信息到微處理器進行運算得出環境光亮度大小。微處理器可通過I2C總線接口控制TSL2581芯片的工作方式。芯片的模擬增益、中斷方式、數字輸出時間可編程控制。具有自動抑制50 Hz/60 Hz的光照波動能力。感光靈敏度達到了TSL256X系列芯片的30倍。具有功耗低、感光反應速度快、抗噪聲能力強、輸出精度高等特點[2]。

圖1 TSL2581 內部結構

1.1 應用電路設計

TSL2581包含6個引腳，接口電路如圖2所示。1腳為電源，供電范圍為2.7～3.6 V，通過低功耗穩壓芯片RT9193-33芯片穩壓到3.3 V；2腳ADDR為芯片地址選擇引腳，懸空時芯片地址為0111001，接地時為0101001，接電源時為1001001。

1.2 控制寄存器

TSL2581芯片內部的寄存器控制如表1所示，每個寄存器內部都有8位數據。

COMMAND[7]設置為1，表示訪問命令字寄存器。COMMAND[6:5]設定數據傳輸順序的類型，有字節、字、數據塊和特殊功能4種類型，分別用00、01、10和11組合表示。特殊功能指中斷清除、手動積分停止、手動積分啟動3種功能，分別用COMMAND[4:0]的00001、00010和00011數據組合表示。

CONTROL[5]是只讀位，1代表AD中斷。CONTROL[4]=1代表AD是空閑的，只讀位。CONTROL[1]寫入1表示使能AD，CONTROL[0]為AD電源控制，1代表通電，0為斷電。

TIMING寄存器按式(1)設置AD轉換的積分時間。d為寄存器的設置值，如果設置為0，表示進行手動控制積分。

t=(256-d)×2.7 ms,0

(1)

INTERRUPT[6]=1,表示在AD積分中斷后關閉AD轉換器。INTERRUPT[5:4]=00表示中斷輸出取消，01代表低電平中斷。INTERRUPT[3:0]用來設定TLS2581向微處理器產生中斷的速率，0000代表每個AD轉換周期產生1個中斷，0001表示采樣值超過ADC0的高閾值或者達不到低閾值時產生中斷，0010—1111分別代表超出2～15個積分周期產生中斷。

表1 TSL2581內部寄存器表

ANALOG[1:0]用來設置模擬增益，可在1、8、16和111倍率檔位選擇。

1.3 亮度輸出計算

由于傳統的硅光電探測器對紅外線非常敏感，導致測量的環境光存在很大的誤差。TLS2581通過2個光電探測器來消除紅外線的影響。通道0可以探測可見光和紅外線，記為L0；而通道1探測的紅外線值用來補償通道0的可見光檢測誤差[2-7]，通道1得到光亮度記為L1。環境光亮度L的計算公式如式(2)所示，計算出的亮度單位為勒克斯(lx)。

(2)

2 TLS2581在隧道照明中的應用

交通隧道按需照明控制，需要獲取洞外環境亮度和隧道內部照明亮度信息，才能有效進行節能控制。控制電路結構如圖3所示，采用STM32處理器為核心，AD轉換器輸出直流電壓經信號并調理后控制LED的功率。TLS2581模塊用來進行環境燈光亮度檢測。隧道內部的燈光亮度采用PID算法控制[8-10]。

圖3 按需照明系統結構

2.1 LED調光電路

LED調光電路如圖4所示，微處理器DA輸出0～3.3 V直流電壓，經過LM358運放放大3倍，控制明瑋公司的LED功率驅動模塊ELG-75-24B的輸出功率。功率驅動模塊的功率控制電壓與LED驅動電流的關系見圖5,控制電壓由0增長至10 V，LED驅動電流線性增長至最大值[11]。

圖4 LED調光電路

圖5 調光控制電壓曲線

2.2 軟件流程

隧道燈光按需照明控制軟件流程見圖6，系統上電后，初始化微處理器和光傳感器TSL2581；然后用鍵盤輸入預設的洞外亮度、隧道行車速度和車流量數據；根據標準的隧道照明適應曲線計算隧道各個分段的照明亮度；然后調整DA的輸出電壓，調節LED的照明功率；求取檢測亮度值與計算的目標亮度值誤差，采用PID算法調整LED的亮度。

圖6 調光控制軟件流程

3 系統測試

3.1 按需照明亮度測試

模擬洞外亮度3 000 cd/m2、車流量1 200 輛/h、車速100 km/h，亮度與照度的系數設置為10 lx/cd·m-2。單向行駛隧道各個分段亮度控制如圖7所示。圖中理論亮度是根據《公路隧道照明設計細則》(JTG/TD70/2-01—2014)要求計算獲得，儀表測量亮度采用希瑪AS813照度計測量獲得，系統測量亮度為本文的TSL2581傳感器的測值量。TSL2581測量亮度與儀表測量亮度之間的誤差在±5%以內，低于隧道照明亮度控制的允許誤差值±20%。誤差主要來自系統噪聲和微處理器數模轉換誤差。從圖7可知，3種亮度曲線基本吻合，說明本文的控制方案可行。

圖7 按需照明調光測試

3.2 節能模擬測試

為模擬真實的隧道運行環境，對本文的照明系統采用不同方案進行測試。

方案一：按需照明，假設車速和車流量以15 min間隔隨機跳變，時速變化范圍為60～120 km/h，車流量變化范圍為350～1 200 輛/h；洞外亮度時變，最小值為300 cd/m2，最大值為3 000 cd/m2。

方案二:固定參數照明，車速固定100 km/h，車流量1 200 輛/h，洞外亮度為3 000 cd/m2。

測試平臺處于黑暗環境內，測試時間從早上8點到晚上8點。則方案一耗電量約為0.24 kW·h，方案二耗電量約為0.44 kW·h，按需照明節省了45%的電能，節能效果明顯。

4 結語

將環境光傳感器TSL2581應用到交通隧道按需照明調光控制系統中，獲得了較好的節能控制效果。環境光的檢測與控制是按需照明控制核心之一，對隧道照明的節能控制以及駕駛員安全舒適地通過隧道意義重大。測試結果表明，TSL2581傳感器能夠滿足隧道燈光照明按需控制的需求。隧道照明節能優化是實現綠色照明的關鍵。下一步將進一步研究節能方案，提高檢測控制的精度，并用無線傳輸技術傳輸隧道各個節點的數據，在實際的隧道中進行測試。

References)

[1] JTG/T D70/2-01—2014 公路隧道照明設計細節[M].北京:人民交通出版社,2014.

[2] AMS.TSL2581[EB/OL].[2016-04-05]. http://ams.com/eng/Products/Light-Sensors/ Ambient-Light-Sensors.

[3] 姜連祥,汪小燕.基于光強傳感器TSL256x的感測系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2006(12):43-45.

[4] 楊明慧,楊鵬,史汪汪.基于TSL2561的無線光強傳感器節點設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2010(6):38-40.

[5] 張德寧,袁洪波,李麗華.基于STC89C52和TSL2561的雞舍光照測控系統[J].農機化研究,2011(6):149-153.

[6] 虞楊陽,余紅英.基于TSL2561的溫室智能調光系統設計[J].科學之友,2011(4):12,52.

[7] 王長濤,韓忠華.基于TSL256X的光強檢測的LED路燈智能控制系統方案設計[J].數字技術與應用,2011(8):159.

[8] 賈寧,郭姍.智能LED隧道照明系統的設計與開發[J].科技通報,2014(5):121-124.

[9] 鄭軍.高速公路隧道照明智能控制與節能優化研究[D].北京:北京交通大學,2014.

[10] 鄭軍,簡婧.功率隧道LED照明模擬控制系統設計[J].交通科技,2015(1):119-122.

[11] Meanwell. ELG-75[EB/OL].[2016-11-08]. http://www.meanwell.com.cn/webapp/product/search.aspx?prod=ELG-75.

Application of environmental optical sensor TSL2581 in highway tunnel lighting control

Zhang Deqian1, Hong Yuanquan1, Zhzo Yongquan2

(1.School of Physics, Mechanical and Electrical Engineering, Shaoguan College, Shaoguan 512005, China; 2. Department of Assets Management, Shaoguan College, Shaoguan 512005, China)

The basic characteristics of the high performance environmental optical sensor TSL2581 and the design method of the hardware and software control are introduced. The dimming system of the tunnel on-demand lighting is established. With the STM32 microprocessor as the core, the output DC voltage controls the LED power, and the brightness of the tunnel lighting is detected by TSL2581. The test shows that the system can realize the highway tunnel lighting detection and has the energy optimization function.

highway tunnel lighting; environmental optical sensor; brightness

TU453.7

A

1002-4956(2017)10-0078-04

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.021

2017-04-28

廣東省教育廳科技創新項目(2013KJCX0169);韶關市科技計劃項目(2013CX/K55);韶關學院教育教學改革重點項目(SYJY20141504)

張德錢(1979—),男，廣東南雄，碩士, 實驗師,主要研究方向為物理電子技術應用

E-mail：304565115@qq.com

洪遠泉(1978—),男,廣東五華，在職博士研究生，高級實驗師,主要研究智能交通系統設計.

E-mail：sdhyq@qq.com