譚家杰，鄒常青

（衡陽(yáng)師范學(xué)院 物理與電子信息科學(xué)系，湖南 衡陽(yáng) 421002）

0 引 言

LED作為新興節(jié)能光源具有較大的應(yīng)用前景，廣泛應(yīng)用于室內(nèi)照明。無(wú)論是采用發(fā)光陣列法還是采用二次配光法，一方面需要保證光照度大小滿足規(guī)范要求，另一方面需滿足室內(nèi)照明的均勻性［1－2］。為達(dá)到以上兩方面的要求，在照明過(guò)程中對(duì)光照度的測(cè)量是必不可少光的。目前，照度計(jì)可分為以下兩類(lèi)：傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器采用ICL7135A／D轉(zhuǎn)換器件和CD4511組成；另外一類(lèi)是單片機(jī)為主要器件的智能儀器。如譚東才采用ATmega16L單片機(jī)，并利用自身帶的A／D轉(zhuǎn)換測(cè)量曝光成形的視圖平面照度；徐志如采用的AT89C51單片機(jī)測(cè)量光照度；高英明采用的STC12LE5A60S2單片機(jī)測(cè)量。從傳感器方面來(lái)看，有用光電池、PIN光亮度傳感器、LX1970等傳感器為基本元件，也有以數(shù)字照度傳感器BH1750來(lái)實(shí)現(xiàn)照度計(jì)的功能［3－5］。

為了準(zhǔn)確測(cè)量LED光照度分布及分布特性，論文以STC12C5616AD為核心器件［6］。以PO188為主要傳感器，采用單片機(jī)自身帶的A／D采樣電壓大小，用最小二乘法線性插值法標(biāo)定輸出電壓與光照度的關(guān)系。從而間接測(cè)得到光照度大小。這樣的測(cè)量系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確地測(cè)量光照度大小。

1 測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)量原理

照度是投影到單位面積上的光通量，即單位面積接收的光通量，它是最基本的光學(xué)參量之一［7］。光照度測(cè)量的基本原理是將光學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量間接測(cè)量。光電傳感器在光照下，PN結(jié)產(chǎn)生光電流Ip，它的方向與PN結(jié)的飽和電流方向I0相同，在短路的情況下有：

其中，S為光照靈敏度，E為光照度。如果將電流線性地轉(zhuǎn)換成電壓，此時(shí)測(cè)量出電壓，便可以間接測(cè)量照度值。光學(xué)量和輻射量之間的關(guān)系決定于人的視覺(jué)特性。根據(jù)文獻(xiàn)［7］可知，光通量與輻射通量之間與單色光的絕對(duì)光譜效率成比例關(guān)系，為了正確測(cè)量出光照度值，傳感器的“光譜響應(yīng)度”或“視見(jiàn)函數(shù)”必須與國(guó)際照明委員會(huì)明視覺(jué)光譜效率相匹配，且峰值波長(zhǎng)應(yīng)在5.55×10－7m或5.07×10－7m。如果峰值波長(zhǎng)不滿足要求，則需要加視覺(jué)函數(shù)匹配濾光片使傳感器的光譜曲線與人眼函數(shù)一致，這也是設(shè)計(jì)照度計(jì)時(shí)應(yīng)注意的重要一個(gè)方面。

1.2 光電傳感器

用于測(cè)量照度的傳感器主要有：光敏電阻、光電池、光電二極管、光電三極管等［3－4］。PO188是一個(gè)光電集成傳感器，內(nèi)有雙敏感接收器，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)敏感，輸出電流呈線性關(guān)系。適合儀器儀表及工業(yè)設(shè)備等方面的光照度控制?？纱娉Ｓ玫膫鹘y(tǒng)的光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管。這種傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：①該傳感器已經(jīng)將光學(xué)濾光片集成，它的光譜曲線與人眼的視見(jiàn)函數(shù)非常相近，而硅光電池的光譜曲線則相差甚遠(yuǎn)因此需要修正，采用該傳感器無(wú)需進(jìn)行添加濾光片進(jìn)行修正。②內(nèi)置微信號(hào)處理CMOS放大器，有高精度電壓源，并具有溫度補(bǔ)償電路和修正電路，因此其工作電壓范圍寬，為2～12V，溫度穩(wěn)定性能好。③暗電流小，低照度響應(yīng)、靈敏度高，輸出電流與光照度成線性變化。④響應(yīng)速度快，響應(yīng)時(shí)間為2μs＊。基于這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)采用它作為測(cè)量照度的敏感元器件。正因?yàn)镻O188的①②項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)時(shí)無(wú)需設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償模塊和視覺(jué)函數(shù)修正模塊，這樣大大降低了測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)雜度。這也是選用此種傳感器作為系統(tǒng)敏感元件的主要原因。

1.3 測(cè)量系統(tǒng)組成

為了測(cè)量不同LED布設(shè)時(shí)接收面的照度大小，設(shè)計(jì)了照度測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、PO188光照度傳感器電壓轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、PL2303轉(zhuǎn)口轉(zhuǎn)USB模塊、計(jì)算機(jī)組成，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)的組成

單片機(jī)最小系統(tǒng)采用STC12C5616AD雙列直插28腳封裝單片機(jī)作為測(cè)量的微處理器。STC12C5616AD單片機(jī)是STC公司生產(chǎn)的單時(shí)鐘的單片機(jī)，指令代碼兼容傳統(tǒng)8051。內(nèi)部集成MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路，有4路PWM，8路高速10位A／D轉(zhuǎn)換［6］，它特別適合于測(cè)量、控制。單片機(jī)的作用是將電壓做A／D轉(zhuǎn)換，將系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)處理、顯示，并將測(cè)量值上傳上位機(jī)。電壓轉(zhuǎn)換模塊是由PO188光照度傳感器與1k電阻串聯(lián)而成，作用是將傳感器的輸出電路轉(zhuǎn)換成電壓，為減少電源管理的復(fù)雜性，采用5V電源供電。顯示模塊是LCD1602組成，用于顯示測(cè)量的數(shù)據(jù)。LCD1602一般都有背光源，如果離光電傳感器過(guò)近，必須采取措施將背光源遮擋住，否則會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生2－3勒克斯的固定誤差。PL2303用于下載程序和通信功能。上位機(jī)既可以用于系統(tǒng)定標(biāo)，也可以顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。照度計(jì)既可以與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)測(cè)量，也可以單獨(dú)使用。根據(jù)上述原理，我們研制了照度測(cè)量系統(tǒng)。

2 測(cè)量系統(tǒng)余弦修正

照度計(jì)的接收表面會(huì)將斜向輸入傳感器表面的光線反射部分，根據(jù)照度的定義可知它是投影到單位面積的光通量，如果對(duì)于斜向輸入的光線不做修正則會(huì)導(dǎo)致測(cè)量值產(chǎn)生誤差。所謂的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(guān)系。為了正確測(cè)量照度必須進(jìn)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者是漫散射器件，以此種方式來(lái)進(jìn)行余弦修正。采用余弦小球修正時(shí)，盡量選擇較高的透光率，小球的透光率一致性高的配件。本系統(tǒng)采用的余弦修正半球內(nèi)徑為22mm，高18mm的乳白色塑料半球。安裝時(shí)，盡量使傳感器安裝在半球的球心處，這樣可以減少斜向光反射和探頭的陰影效應(yīng)產(chǎn)生的表面光損失。

3 測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定

系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)，先測(cè)量傳感器輸出電壓，然后用照度計(jì)測(cè)量對(duì)應(yīng)的照度值，將數(shù)據(jù)列于表1。

表1 電壓照度測(cè)量值

由測(cè)量數(shù)據(jù)可知，輸入照度與輸出電壓之間的線性關(guān)系并非嚴(yán)格。解決非線性定標(biāo)的方法主要有硬件補(bǔ)償法［8］和軟件補(bǔ)償法標(biāo)定［9］兩種。前者是采用硬件電路的方式來(lái)補(bǔ)償，后者則是根據(jù)不同的輸入光照度和傳感器的輸出電壓值的關(guān)系用最小二乘法確定多項(xiàng)式的系數(shù)。

我們首先完成了一次函數(shù)的曲線標(biāo)定，標(biāo)定公式按式（2）進(jìn)行最小二乘曲線擬合。

式a，b中，由公式（3）（4）求出。

為了使標(biāo)定方案有對(duì)比性，我們也采用二次函數(shù)的曲線標(biāo)定，標(biāo)定公式見(jiàn)式（5）

公式（5）中的x為電壓值，y為照度值。采用最小二乘法確定式（5）中系數(shù)a，b，c。系數(shù)分別為：a＝4.886 4，b＝38.922 1，c＝6.896 4。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)和系數(shù)得到測(cè)量值及擬合插值曲線，具體見(jiàn)圖3。標(biāo)定系數(shù)后，將a，b，c存于單片機(jī)程序段，根據(jù)AD轉(zhuǎn)換值可以求出照度大小。

我們根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)，既完成了線性函數(shù)曲線擬合，又完成了二次函數(shù)曲線擬合。兩種方法各有特點(diǎn)，前者測(cè)量時(shí)，計(jì)算簡(jiǎn)單；后者相對(duì)復(fù)雜，但精度高。對(duì)比兩種方法得到的擬合曲線可知，采用線性函數(shù)標(biāo)定，光照度為零時(shí)，它的測(cè)量值非常大，這是因?yàn)槌绦虻臄?shù)據(jù)格式問(wèn)題造成的。另一方面，采用二次曲線擬合測(cè)量值與擬合值的吻合程度好。可以根據(jù)實(shí)際測(cè)量要求選擇擬合方式。

圖2 線性式擬合曲線

圖3 二次多項(xiàng)式擬合曲線

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)PC機(jī)的程序設(shè)計(jì)。單片機(jī)的程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，PC機(jī)程序采用Visual Basic語(yǔ)言編寫(xiě)。

4.1 單片機(jī)程序

單片機(jī)的程序分為兩類(lèi)，一是標(biāo)定程序，二是測(cè)量照度程序。主要子程序有：①初始化函數(shù)，其中用是對(duì)各外圍設(shè)備進(jìn)行初始化。包括LCD1602D初始化函數(shù)、ADC轉(zhuǎn)換初始化函數(shù)、RS232串口通信初始化函數(shù)。②LCD1602寫(xiě)命令函數(shù)、寫(xiě)數(shù)據(jù)函數(shù)及顯示函數(shù)。③中斷函數(shù)。ADC中斷函數(shù)、串口中斷函數(shù)。④延時(shí)函數(shù)。

為了說(shuō)明數(shù)據(jù)采集過(guò)程，我們將AD轉(zhuǎn)換中斷程序列出：

4.2 PC機(jī)程序

上位機(jī)的程序界面如圖4所示，程序主要由兩 部分組成，即參數(shù)標(biāo)定和測(cè)量，由界面中的參數(shù)標(biāo)定按鈕和測(cè)量按鈕分別完成。無(wú)論是系數(shù)標(biāo)定還是測(cè)量，首先需要根據(jù)硬件連接情況選擇串口端口號(hào)。標(biāo)定完畢標(biāo)定數(shù)據(jù)在右邊的圖形框顯示出來(lái)，圖中的紅色圓點(diǎn)是標(biāo)定時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)。系數(shù)a，b，c則用文本框顯示，然后用公式（5）插值得圖中黑色擬合曲線。測(cè)量時(shí)，按下測(cè)量按鈕發(fā)送測(cè)量編碼給單片機(jī)，獲得單片機(jī)10位AD值，將采樣值A(chǔ)通過(guò)公式x＝A／1024＊5轉(zhuǎn)換成電壓值代入公式（5）從而計(jì)算照度值，照度值在界面左下角用文本框顯示，如當(dāng)前測(cè)量值為136.6Lux，并且將該點(diǎn)在右邊圖中用藍(lán)色圓點(diǎn)顯示出來(lái)。

圖4 上位機(jī)程序界面

5 結(jié) 論

為了準(zhǔn)確測(cè)量LED照明系統(tǒng)的光照度，采用PO188傳感器和STC12C5616AD單片機(jī)設(shè)計(jì)了照度測(cè)量系統(tǒng)。照度測(cè)量系統(tǒng)需要做三項(xiàng)修正，其一，如果傳感器的光譜曲線與人眼的視見(jiàn)函數(shù)相差甚遠(yuǎn)，必須加視覺(jué)函數(shù)修正模塊。其二，測(cè)量系統(tǒng)需進(jìn)行余弦修正以克服斜向輸入引起的損耗。最后，應(yīng)注意溫度對(duì)傳感器的影響。由于傳感器的光譜曲線與視覺(jué)函數(shù)接近，自身帶有溫度補(bǔ)償裝置，因此僅做第二項(xiàng)修正。在克服輸出電壓與輸入照度的非線性影響方面主要采用最小二乘法的多項(xiàng)式插值來(lái)解決問(wèn)題。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，該系統(tǒng)的指標(biāo)達(dá)到預(yù)期要求。其缺點(diǎn)是測(cè)量的范圍過(guò)小，僅為0～300勒克斯，輸出電壓飽和過(guò)快。

＊參考PO188數(shù)據(jù)手冊(cè)

［1］黃啟祿，吳逢鐵，范丹丹.均勻照明的發(fā)光二極管陣列仿真與對(duì)比分析［J］.華僑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，33（1）：13－16.

［2］蘆佳寧，余杰，童玉珍，等.實(shí)現(xiàn)大范圍均勻照明的LED透鏡二次光學(xué)設(shè)計(jì)［J］.半導(dǎo)體光電，2012，33（3）：334－337.

［3］譚東才，胥光申，羅聲，等.用于面曝光快速成形系統(tǒng)的光照度測(cè)量系統(tǒng)研究［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2010，25（3）：53－57.

［4］徐志如，崔繼仁.基于單片機(jī)的溫室智能測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2006，25（5）：52－54.

［5］高英明，張環(huán)月，鄒念育，等.一種多功能照度計(jì)的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2012，21（3）：252－255.

［6］宏晶科技.STC12C5620AD系列單片機(jī)器件手冊(cè)［E／OL］.2012－10－30［2012－09－20］.http：／／www.STCMCU.com／.

［7］郁道銀，談恒英.工程光學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［8］郭愛(ài)琴，郭午陽(yáng)，朱利民，等.多傳感器電子秤非線性補(bǔ)償電路的研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2006，25（1）：39－43.

［9］文小玲，劉翠梅，易先軍，等.鉑電阻測(cè)溫的非線性補(bǔ)償算法分析［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2009，28（8）：33－36.