燈光品質(zhì)檢測儀的設(shè)計

霍旭陽 齊秋菊 沈俊廷

摘 ? 要：眾所周知燈光的品質(zhì)對視力影響很大，針對市場上沒有能夠直接量化燈光品質(zhì)的儀器，本文提出了一種燈光品質(zhì)檢測儀的設(shè)計方案，以STM32單片機(jī)為控制核心，配合運(yùn)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(shù)。通過檢測可以了解燈光品質(zhì)，從而避免劣質(zhì)燈光對視力的影響，對保護(hù)人類視力具有重要意義。

關(guān)鍵詞：燈光品質(zhì) ?頻閃 ?檢查

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

所謂燈光的品質(zhì)主要包括燈光的強(qiáng)度和燈光的頻閃，對于燈光的強(qiáng)度市場上已經(jīng)有相關(guān)的檢測設(shè)備，而對于燈光的頻閃人們通常采用手機(jī)攝像狀態(tài)檢測或者采用專用檢測陀螺進(jìn)行檢測，但是上述兩種方法均無法量化燈光的頻閃強(qiáng)度。隨著時代的進(jìn)步，人們已經(jīng)越來越關(guān)注燈光對視力的影響，因此本文設(shè)計的燈光品質(zhì)檢測儀克服了上述技術(shù)缺陷，采用光電傳感器作為信號采集元件，經(jīng)過對信號的多級處理，可以得到光照強(qiáng)度和光源的閃爍頻率，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，工作安全可靠。

1 ?電路總體設(shè)計方案

本設(shè)主要電路包括：信號采集電路、信號處理電路、單片機(jī)電路、顯示電路等。本文重點(diǎn)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(jìn)行幅度和頻率的檢測，所得數(shù)據(jù)進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行處理。

1.1 光信號采集電路

本設(shè)計采用硅光電池對燈光信號進(jìn)行采集，硅光電池的輸出電壓隨光強(qiáng)變化較小，無法建立線性關(guān)系，但電流隨光強(qiáng)是呈線性變化，所以設(shè)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(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘枴Ｓ捎诤罄m(xù)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(yùn)算放大器構(gòu)成的電流轉(zhuǎn)電壓的電路，完成從電流到電壓的轉(zhuǎn)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(shè)計采用OPA2376運(yùn)算放大器搭建的16Hz的低通濾波。OPA2376芯片內(nèi)部含兩個低噪聲、軌對軌輸入的運(yùn)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(qiáng)度，通過軟件設(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)對光強(qiáng)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(tǒng)中的設(shè)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(shè)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(jīng)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(luò)檢波電路得到工頻信號的幅值。同樣，這個通路中的運(yùn)算放大器仍然采用OPA2376，由于設(shè)計中的運(yùn)放都采用單電源供電，所以運(yùn)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(tǒng)會給出對燈光的分析和提示。

1.4 高頻信號的提取電路

當(dāng)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(zhǔn)確地分析光源成分，本設(shè)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(jìn)行1.6kHz的高通濾波，濾除到低頻信號，然后同時進(jìn)行包絡(luò)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(shè)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(jī)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(gòu)成，可以對容量2000mAh輸出電壓5V的鋰電池進(jìn)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(shè)計中采用SP6201芯片，可以將5V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V電壓。設(shè)計中的單片機(jī)采用STM32F103，該單片機(jī)最小系統(tǒng)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(jī)控制進(jìn)行顯示。

2 ?軟件設(shè)計方案

2.1 主程序設(shè)計

進(jìn)入主程序完成初始化后，開始進(jìn)行信號的采集，并且累加。為了提高數(shù)據(jù)的有效性，我們進(jìn)行數(shù)據(jù)的累加后取平均，累加次數(shù)為120次。之后通過平均值來計算光照強(qiáng)度以及工頻和高頻的百分比。最后的計算結(jié)果，通過調(diào)用顯示函數(shù)進(jìn)行顯示。

2.2 子程序設(shè)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(shè)計中直流分量的計算，可以采用擬合的方法，將AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)和光照強(qiáng)度建立一個線性關(guān)系：y=Kx+b，其中的x為AD數(shù)據(jù)，y代表光照強(qiáng)度，將采集到的數(shù)據(jù)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(yùn)算放大器的放大倍數(shù)

3 ?結(jié)語

綜上，本設(shè)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(jù)檢測到的數(shù)據(jù)給出不同的提示信息，適用于檢測不同燈具或發(fā)光器具的光源品質(zhì)，可廣泛用于工廠、學(xué)校、家庭。

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