光照度测量系统设计及实现

谭家杰，邹常青

（衡阳师范学院 物理与电子信息科学系，湖南 衡阳 421002）

0 引 言

LED作为新兴节能光源具有较大的应用前景，广泛应用于室内照明。无论是采用发光阵列法还是采用二次配光法，一方面需要保证光照度大小满足规范要求，另一方面需满足室内照明的均匀性［1－2］。为达到以上两方面的要求，在照明过程中对光照度的测量是必不可少光的。目前，照度计可分为以下两类：传统的测量仪器采用ICL7135A／D转换器件和CD4511组成；另外一类是单片机为主要器件的智能仪器。如谭东才采用ATmega16L单片机，并利用自身带的A／D转换测量曝光成形的视图平面照度；徐志如采用的AT89C51单片机测量光照度；高英明采用的STC12LE5A60S2单片机测量。从传感器方面来看，有用光电池、PIN光亮度传感器、LX1970等传感器为基本元件，也有以数字照度传感器BH1750来实现照度计的功能［3－5］。

为了准确测量LED光照度分布及分布特性，论文以STC12C5616AD为核心器件［6］。以PO188为主要传感器，采用单片机自身带的A／D采样电压大小，用最小二乘法线性插值法标定输出电压与光照度的关系。从而间接测得到光照度大小。这样的测量系统能快速、准确地测量光照度大小。

1 测量系统硬件设计

1.1 测量原理

照度是投影到单位面积上的光通量，即单位面积接收的光通量，它是最基本的光学参量之一［7］。光照度测量的基本原理是将光学量转换成电学量间接测量。光电传感器在光照下，PN结产生光电流Ip，它的方向与PN结的饱和电流方向I0相同，在短路的情况下有：

其中，S为光照灵敏度，E为光照度。如果将电流线性地转换成电压，此时测量出电压，便可以间接测量照度值。光学量和辐射量之间的关系决定于人的视觉特性。根据文献［7］可知，光通量与辐射通量之间与单色光的绝对光谱效率成比例关系，为了正确测量出光照度值，传感器的“光谱响应度”或“视见函数”必须与国际照明委员会明视觉光谱效率相匹配，且峰值波长应在5.55×10－7m或5.07×10－7m。如果峰值波长不满足要求，则需要加视觉函数匹配滤光片使传感器的光谱曲线与人眼函数一致，这也是设计照度计时应注意的重要一个方面。

1.2 光电传感器

用于测量照度的传感器主要有：光敏电阻、光电池、光电二极管、光电三极管等［3－4］。PO188是一个光电集成传感器，内有双敏感接收器，在可见光范围内敏感，输出电流呈线性关系。适合仪器仪表及工业设备等方面的光照度控制。可代替常用的传统的光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管。这种传感器具有以下优点：①该传感器已经将光学滤光片集成，它的光谱曲线与人眼的视见函数非常相近，而硅光电池的光谱曲线则相差甚远因此需要修正，采用该传感器无需进行添加滤光片进行修正。②内置微信号处理CMOS放大器，有高精度电压源，并具有温度补偿电路和修正电路，因此其工作电压范围宽，为2～12V，温度稳定性能好。③暗电流小，低照度响应、灵敏度高，输出电流与光照度成线性变化。④响应速度快，响应时间为2μs＊。基于这种传感器的优点，系统采用它作为测量照度的敏感元器件。正因为PO188的①②项优点，在设计测量系统时无需设计温度补偿模块和视觉函数修正模块，这样大大降低了测量系统的复杂度。这也是选用此种传感器作为系统敏感元件的主要原因。

1.3 测量系统组成

为了测量不同LED布设时接收面的照度大小，设计了照度测量系统。该系统主要由单片机最小系统模块、PO188光照度传感器电压转换模块、显示模块、PL2303转口转USB模块、计算机组成，其结构见图1。

图1 测量系统的组成

单片机最小系统采用STC12C5616AD双列直插28脚封装单片机作为测量的微处理器。STC12C5616AD单片机是STC公司生产的单时钟的单片机，指令代码兼容传统8051。内部集成MAX810专用复位电路，有4路PWM，8路高速10位A／D转换［6］，它特别适合于测量、控制。单片机的作用是将电压做A／D转换，将系统测量数据处理、显示，并将测量值上传上位机。电压转换模块是由PO188光照度传感器与1k电阻串联而成，作用是将传感器的输出电路转换成电压，为减少电源管理的复杂性，采用5V电源供电。显示模块是LCD1602组成，用于显示测量的数据。LCD1602一般都有背光源，如果离光电传感器过近，必须采取措施将背光源遮挡住，否则会对测量产生2－3勒克斯的固定误差。PL2303用于下载程序和通信功能。上位机既可以用于系统定标，也可以显示测量数据。照度计既可以与计算机联机测量，也可以单独使用。根据上述原理，我们研制了照度测量系统。

2 测量系统余弦修正

照度计的接收表面会将斜向输入传感器表面的光线反射部分，根据照度的定义可知它是投影到单位面积的光通量，如果对于斜向输入的光线不做修正则会导致测量值产生误差。所谓的余弦修正是入射光线与输入平面的法线组成方向角成余弦比例关系。为了正确测量照度必须进行余弦修正，具体做法是在传感器的表面前加装光照半球或者是漫散射器件，以此种方式来进行余弦修正。采用余弦小球修正时，尽量选择较高的透光率，小球的透光率一致性高的配件。本系统采用的余弦修正半球内径为22mm，高18mm的乳白色塑料半球。安装时，尽量使传感器安装在半球的球心处，这样可以减少斜向光反射和探头的阴影效应产生的表面光损失。

3 测量系统标定

系统标定时，先测量传感器输出电压，然后用照度计测量对应的照度值，将数据列于表1。

表1 电压照度测量值

由测量数据可知，输入照度与输出电压之间的线性关系并非严格。解决非线性定标的方法主要有硬件补偿法［8］和软件补偿法标定［9］两种。前者是采用硬件电路的方式来补偿，后者则是根据不同的输入光照度和传感器的输出电压值的关系用最小二乘法确定多项式的系数。

我们首先完成了一次函数的曲线标定，标定公式按式（2）进行最小二乘曲线拟合。

式a，b中，由公式（3）（4）求出。

为了使标定方案有对比性，我们也采用二次函数的曲线标定，标定公式见式（5）

公式（5）中的x为电压值，y为照度值。采用最小二乘法确定式（5）中系数a，b，c。系数分别为：a＝4.886 4，b＝38.922 1，c＝6.896 4。根据表1的数据和系数得到测量值及拟合插值曲线，具体见图3。标定系数后，将a，b，c存于单片机程序段，根据AD转换值可以求出照度大小。

我们根据标定数据，既完成了线性函数曲线拟合，又完成了二次函数曲线拟合。两种方法各有特点，前者测量时，计算简单；后者相对复杂，但精度高。对比两种方法得到的拟合曲线可知，采用线性函数标定，光照度为零时，它的测量值非常大，这是因为程序的数据格式问题造成的。另一方面，采用二次曲线拟合测量值与拟合值的吻合程度好。可以根据实际测量要求选择拟合方式。

图2 线性式拟合曲线

图3 二次多项式拟合曲线

4 系统软件设计

系统的软件设计主要包括单片机的程序设计和上位机PC机的程序设计。单片机的程序采用C语言编写，PC机程序采用Visual Basic语言编写。

4.1 单片机程序

单片机的程序分为两类，一是标定程序，二是测量照度程序。主要子程序有：①初始化函数，其中用是对各外围设备进行初始化。包括LCD1602D初始化函数、ADC转换初始化函数、RS232串口通信初始化函数。②LCD1602写命令函数、写数据函数及显示函数。③中断函数。ADC中断函数、串口中断函数。④延时函数。

为了说明数据采集过程，我们将AD转换中断程序列出：

4.2 PC机程序

上位机的程序界面如图4所示，程序主要由两 部分组成，即参数标定和测量，由界面中的参数标定按钮和测量按钮分别完成。无论是系数标定还是测量，首先需要根据硬件连接情况选择串口端口号。标定完毕标定数据在右边的图形框显示出来，图中的红色圆点是标定时测量数据。系数a，b，c则用文本框显示，然后用公式（5）插值得图中黑色拟合曲线。测量时，按下测量按钮发送测量编码给单片机，获得单片机10位AD值，将采样值A通过公式x＝A／1024＊5转换成电压值代入公式（5）从而计算照度值，照度值在界面左下角用文本框显示，如当前测量值为136.6Lux，并且将该点在右边图中用蓝色圆点显示出来。

图4 上位机程序界面

5 结 论

为了准确测量LED照明系统的光照度，采用PO188传感器和STC12C5616AD单片机设计了照度测量系统。照度测量系统需要做三项修正，其一，如果传感器的光谱曲线与人眼的视见函数相差甚远，必须加视觉函数修正模块。其二，测量系统需进行余弦修正以克服斜向输入引起的损耗。最后，应注意温度对传感器的影响。由于传感器的光谱曲线与视觉函数接近，自身带有温度补偿装置，因此仅做第二项修正。在克服输出电压与输入照度的非线性影响方面主要采用最小二乘法的多项式插值来解决问题。经现场测试，该系统的指标达到预期要求。其缺点是测量的范围过小，仅为0～300勒克斯，输出电压饱和过快。

＊参考PO188数据手册

［1］黄启禄，吴逢铁，范丹丹.均匀照明的发光二极管阵列仿真与对比分析［J］.华侨大学学报：自然科学版，2012，33（1）：13－16.

［2］芦佳宁，余杰，童玉珍，等.实现大范围均匀照明的LED透镜二次光学设计［J］.半导体光电，2012，33（3）：334－337.

［3］谭东才，胥光申，罗声，等.用于面曝光快速成形系统的光照度测量系统研究［J］.光电技术应用，2010，25（3）：53－57.

［4］徐志如，崔继仁.基于单片机的温室智能测控系统的设计［J］.传感器与微系统，2006，25（5）：52－54.

［5］高英明，张环月，邹念育，等.一种多功能照度计的设计［J］.计算机系统应用，2012，21（3）：252－255.

［6］宏晶科技.STC12C5620AD系列单片机器件手册［E／OL］.2012－10－30［2012－09－20］.http：／／www.STCMCU.com／.

［7］郁道银，谈恒英.工程光学［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［8］郭爱琴，郭午阳，朱利民，等.多传感器电子秤非线性补偿电路的研究［J］.传感器与微系统，2006，25（1）：39－43.

［9］文小玲，刘翠梅，易先军，等.铂电阻测温的非线性补偿算法分析［J］.传感器与微系统，2009，28（8）：33－36.