燈光品質檢測儀的設計

霍旭陽 齊秋菊 沈俊廷

摘 ? 要：眾所周知燈光的品質對視力影響很大，針對市場上沒有能夠直接量化燈光品質的儀器，本文提出了一種燈光品質檢測儀的設計方案，以STM32單片機為控制核心，配合運算放大器組成的信號采集、處理電路，通過程序的算法處理夠得到燈光的亮度和頻閃程度等參數。通過檢測可以了解燈光品質，從而避免劣質燈光對視力的影響，對保護人類視力具有重要意義。

關鍵詞：燈光品質 ?頻閃 ?檢查

中圖分類號：U472.9 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）11（b）-0084-02

所謂燈光的品質主要包括燈光的強度和燈光的頻閃，對于燈光的強度市場上已經有相關的檢測設備，而對于燈光的頻閃人們通常采用手機攝像狀態檢測或者采用專用檢測陀螺進行檢測，但是上述兩種方法均無法量化燈光的頻閃強度。隨著時代的進步，人們已經越來越關注燈光對視力的影響，因此本文設計的燈光品質檢測儀克服了上述技術缺陷，采用光電傳感器作為信號采集元件，經過對信號的多級處理，可以得到光照強度和光源的閃爍頻率，結構設計合理，工作安全可靠。

1 ?電路總體設計方案

本設主要電路包括：信號采集電路、信號處理電路、單片機電路、顯示電路等。本文重點介紹對于燈光信號的采集和處理，這部分包括光信號采集電路，直流信號提取電路，工頻信號提取電路以及高頻信號提取電路，對于工頻信號和高頻信號要進行幅度和頻率的檢測，所得數據進入單片機進行處理。

1.1 光信號采集電路

本設計采用硅光電池對燈光信號進行采集，硅光電池的輸出電壓隨光強變化較小，無法建立線性關系，但電流隨光強是呈線性變化，所以設計中將硅光電池輸出的電流信號作為采集對象，即將采集到的光信號轉變為電流信號。由于后續電路的需要，要將硅光電池輸出的電流信號變成一個電壓信號，所以在硅光電池的輸出端連接運算放大器構成的電流轉電壓的電路，完成從電流到電壓的轉換。

1.2 直流信號提取電路

由傳感器采集的信號里面包含著直流信號和交流信號，其中交流信號又包括工頻信號和高頻信號。如圖1所示，對于直流信號的提取，本設計采用OPA2376運算放大器搭建的16Hz的低通濾波。OPA2376芯片內部含兩個低噪聲、軌對軌輸入的運算放大器，不論是供電還是功耗方面都可以滿足需求。通過對直流信號的測量可以得到光的強度，通過軟件設計，可以實現對光強的報警。

1.3 工頻信號提取電路

所謂工頻信號就是指電力系統中的設備所采用的額定頻率，我們國家的額定頻率是50Hz。對于我們常用的燈光中，對視力影響最大的就是工頻信號，所以對工頻信號的提取是非常必要的。圖2所示，本設計中首先用16Hz的高通濾波電路濾除直流信號;然后用1.6kHz低通濾波電路，濾除高頻信號;經過以上兩個濾波電路后，信號中主要成分就是工頻信號，最后再用包絡檢波電路得到工頻信號的幅值。同樣，這個通路中的運算放大器仍然采用OPA2376，由于設計中的運放都采用單電源供電，所以運放都接了1.6V的虛擬地，這樣可以避免信號的失真。通過以上電路處理，可以得到工頻信號所占的百分比，通過百分比系統會給出對燈光的分析和提示。

1.4 高頻信號的提取電路

當光波頻率很高的時候，人眼就無法分辨，所以燈光中的高頻信號對視力的影響較小。但為了更準確地分析光源成分，本設計中還是提取了其中的高頻信號。對于高頻信號的提取首先進行1.6kHz的高通濾波，濾除到低頻信號，然后同時進行包絡檢波和滯回比較電路，可以分辨得到信號的幅值和頻率。

1.5 其他電路

設計中除了對光信號的采集、分析、處理電路之外，還要有供電電路、單片機電路以及顯示電路等。其中電源電路中充電部分是采用TP4056芯片構成，可以對容量2000mAh輸出電壓5V的鋰電池進行充電，所述信號采集電路、工頻信號提取電路及高頻信號提取電路中需要5V和3.3V兩種電壓，設計中采用SP6201芯片，可以將5V電壓轉換成3.3V電壓。設計中的單片機采用STM32F103，該單片機最小系統電路詳見手冊，顯示器采用的是7英寸的12864液晶，該液晶可以直接由單片機控制進行顯示。

2 ?軟件設計方案

2.1 主程序設計

進入主程序完成初始化后，開始進行信號的采集，并且累加。為了提高數據的有效性，我們進行數據的累加后取平均，累加次數為120次。之后通過平均值來計算光照強度以及工頻和高頻的百分比。最后的計算結果，通過調用顯示函數進行顯示。

2.2 子程序設計

子程序包括：直流分量的計算、工頻分量的計算、高頻分量的計算等。設計中直流分量的計算，可以采用擬合的方法，將AD轉換的數據和光照強度建立一個線性關系：y=Kx+b，其中的x為AD數據，y代表光照強度，將采集到的數據代入公式可計算得出K和b。另外，工頻分量和高頻分量的計算都要參考運算放大器的放大倍數

3 ?結語

綜上，本設計可同時檢測到具體的光照度、工頻頻閃及工頻頻閃所占百分比、高頻頻閃及高頻頻閃所占百分比;同時還可以根據檢測到的數據給出不同的提示信息，適用于檢測不同燈具或發光器具的光源品質，可廣泛用于工廠、學校、家庭。

參考文獻

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