適于LED 路燈的車載式道路照明檢測系統(tǒng)設(shè)計

李 昊，秦大為

(1.常德市路燈維護(hù)管理處，湖南 常德 415000;2.鹽城師范學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心，江蘇 鹽城 224000)

0 引言

隨著國內(nèi)LED 技術(shù)的快速發(fā)展，LED 也在道路照明上得到了廣泛的應(yīng)用，用戶對LED 路燈的檢測要求也不僅僅滿足于平均照度、平均亮度、照度均勻度等光度學(xué)指標(biāo)的測量，同時更關(guān)心LED 路燈的色溫和顯色指數(shù)等色度學(xué)指標(biāo)的測量。但是，目前，在國內(nèi)的道路照明行業(yè)中，均采用傳統(tǒng)的人工逐點(diǎn)測量方法，使用照度計和光譜儀來測量路燈照明系統(tǒng)的照度和色溫等數(shù)據(jù)。此方法存在檢測工作量大、檢測時間長的缺點(diǎn)，而且對已通車的道路來說進(jìn)行測量還存在交通安全隱患。為此文章在常規(guī)的道路照明測量方法基礎(chǔ)上設(shè)計一種能同時實(shí)現(xiàn)光度學(xué)指標(biāo)和色度學(xué)指標(biāo)動態(tài)測量的車載式道路照明檢測系統(tǒng)，以適應(yīng)對LED 路燈的檢測要求。

1 設(shè)計思想

由于傳統(tǒng)道路照明的照度、亮度、色溫、顯色指數(shù)等參數(shù)測量都采用人工逐點(diǎn)方法，測量人員工作量大，對已通車的道路進(jìn)行測量不安全，測量效率低，本方案采用車載式計算機(jī)自動檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由照度傳感器、光譜分析模塊傳感器、系統(tǒng)主機(jī)、計算機(jī)組成。

傳統(tǒng)的道路照明方法，人工記錄數(shù)據(jù)量大，易出錯誤。本方案采用計算機(jī)記錄、處理數(shù)據(jù)，包括歷史數(shù)據(jù)的調(diào)看，歷史資料的查找。

本系統(tǒng)將兩只相距1 m 的照度傳感器水平安裝于汽車的引擎蓋上，一只光譜傳感器水平安裝在車頂上(圖1)。當(dāng)汽車以一定的速度勻速行駛，其光度學(xué)、色度學(xué)等數(shù)據(jù)通過RS-232 接口傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中，通過計算機(jī)軟件處理，立刻可得出路面的平均照度、照度均勻度、平均亮度、亮度均勻度、色溫和顯色指數(shù)等數(shù)據(jù)。

圖1 中，1 為汽車，2 為相距1 m 的兩只照度傳感器，3 為光譜傳感器。

圖2 為道路照明檢測系統(tǒng)的檢測系統(tǒng)圖。1 為照度傳感器，2 為光譜傳感器，3 為主機(jī)，4 為計算機(jī)。

圖2 道路照明檢測系統(tǒng)的檢測系統(tǒng)圖

照度傳感器1 為硒光電池傳感器，固定在具有調(diào)平功能的磁性支架上。

光譜傳感器2 的結(jié)構(gòu)原理圖如圖3 所示。

圖3 光譜傳感器檢測原理結(jié)構(gòu)圖

圖3 所示為光譜傳感器檢測原理結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)實(shí)際需求，將其設(shè)計成動態(tài)檢測儀器，其檢測環(huán)境的照度較低，一般只有10～50 lx，且由于動態(tài)測量光源的入射角度在不斷變化，傳統(tǒng)光譜分析儀不能適應(yīng)定期檢測需要。因此，對光譜傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了光學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以滿足檢測需求。

亮度則根據(jù)照度×路面的反射系數(shù)獲得。路面的反射系數(shù)近似由標(biāo)準(zhǔn)照度計和標(biāo)準(zhǔn)亮度計對選取路面的三個點(diǎn)來進(jìn)行測量，取其平均值。

2 設(shè)計技術(shù)方案

2.1 硬件

本系統(tǒng)的主機(jī)部分采用單片機(jī)作為控制中心，控制A/D 轉(zhuǎn)換和RS-232 通信。

系統(tǒng)的主機(jī)系統(tǒng)圖如圖4 所示。

圖4 中，1 為兩只照度傳感器和一只光譜傳感器，2 為運(yùn)算放大模塊，3 為A/D 轉(zhuǎn)換模塊，4 為單片機(jī)控制模塊，5 為RS-232 通信模塊。

圖4 主機(jī)系統(tǒng)圖

三只傳感器采集外界的光信號將其轉(zhuǎn)換為電信號，傳輸給運(yùn)算放大模塊，將信號放大到合適的范圍，并傳輸至A/D 轉(zhuǎn)換模塊，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)控制模塊，最后傳輸?shù)絉S-232 通信模塊，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)。

此套系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，通過單片機(jī)來控制A/D 轉(zhuǎn)換模塊，提高了系統(tǒng)的可靠性，單片機(jī)采用了AT89S52 高性能單片機(jī)。

此外，為了提高產(chǎn)品的整體性和方便性，本系統(tǒng)還配備了高性能的筆記本電腦和GPS 定位系統(tǒng)，可以使測量人員隨時了解測試車所處的位置。

2.2 軟件

該系統(tǒng)軟件是在VB 環(huán)境下自主開發(fā)的應(yīng)用軟件。軟件可將兩只照度傳感器采集的照度值求平均值，并計算出當(dāng)前測量的路面照度平均值和照度均勻度，亮度平均值和均勻度，光譜傳感器獲得路燈的色溫和顯色指數(shù)。軟件還可以繪制出當(dāng)前測量的路面適時照度和平均照度，適時亮度和平均亮度的曲線，方便、實(shí)用。單片機(jī)的部分C 語言程序如下:

此外，軟件加上了數(shù)據(jù)庫功能，可將每次測量的數(shù)據(jù)值保存在計算機(jī)中，方便隨時調(diào)看，也可將一條道路多個車道的數(shù)據(jù)全部疊加，計算出總的平均照度、照度均勻度、平均亮度和亮度均勻度。

該軟件還嵌合了GPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)地圖操作、查詢、圖層控制等功能，方便測量人員了解目前所處的位置。

圖5

3 儀器主要設(shè)計技術(shù)參數(shù)

(1)照度的測量范圍:2～200 lx;

(2)照度測量的精度:±5%;

(3)亮度測量范圍:0.1～25 cd/m2;

(4)亮度測量的精度:±5%;

(5)照度、亮度均勻度測量范圍:0～1;

(6)取樣速度:10 次/秒;

(7)RS-232 傳輸速率:9 600 bps;

(8)汽車的行進(jìn)速度:18～32 km/h;

(9)波長的測量范圍:380～760 nm (可見光);

(10)波長準(zhǔn)確度:±0.5nm;

(11)色品坐標(biāo)準(zhǔn)確度:±0.000 5;

(12)色溫的測量范圍:1 500 K～25 000 K，分辨率:1 K;

(13)顯色指數(shù)的測量范圍:0～100;

(14)雜散光:＜0.3%;

(15)光度通道線性:±0.3%;

(16)光譜分析模塊積分時間:10 ms～10 000 ms;

(17)計算機(jī)配置:聯(lián)想邵陽E46L，CPU:T3500，內(nèi)存:2 G;

(18)工作環(huán)境溫度:-15～40 ℃;

(19)工作環(huán)境濕度:10%～70%RH;

(20)主機(jī)尺寸:370 (寬)mm × 173 (高)mm×360(深)mm。

4 小 結(jié)

CZXT-1 型車載式道路照明檢測系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用于重慶、石家莊、無錫、常德、鹽城等多家城市照明管理部門的道路照明測試。使用結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計合理、操作方便、快捷，大大減少了測量的時間，安全、準(zhǔn)確、可靠。利用該系統(tǒng)也可對城市照明路燈現(xiàn)場的高壓鈉燈、金鹵燈、無極燈、節(jié)能燈等各種路燈光源的平均照度、平均亮度、照度均勻度、色溫、顯色指數(shù)、光譜波長、色品坐標(biāo)等近10 項(xiàng)路燈光源光度學(xué)、色度學(xué)方面的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場動態(tài)檢測，為路燈光源光度學(xué)、色度學(xué)指標(biāo)的現(xiàn)場動態(tài)測量提供了有效的技術(shù)設(shè)備支持。

［1］錢偉，秦大為，曹剛.車載式道路照明檢測系統(tǒng)［J］.燈與照明，2010(3)

［2］原永志.淺析道路照明常見的幾個問題［J］.城市照明，2009(1)

［3］郭志堅(jiān).城市道路照明設(shè)計淺談［J］.中國科技信息，2009(1)