燈光品質(zhì)檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

霍旭陽(yáng) 齊秋菊 沈俊廷

摘 ? 要：眾所周知燈光的品質(zhì)對(duì)視力影響很大，針對(duì)市場(chǎng)上沒(méi)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(cè)儀的設(shè)計(jì)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(hào)采集、處理電路，通過(guò)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(guò)檢測(cè)可以了解燈光品質(zhì)，從而避免劣質(zhì)燈光對(duì)視力的影響，對(duì)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(hào)：U472.9 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(duì)于燈光的強(qiáng)度市場(chǎng)上已經(jīng)有相關(guān)的檢測(cè)設(shè)備，而對(duì)于燈光的頻閃人們通常采用手機(jī)攝像狀態(tài)檢測(cè)或者采用專用檢測(cè)陀螺進(jìn)行檢測(cè)，但是上述兩種方法均無(wú)法量化燈光的頻閃強(qiáng)度。隨著時(shí)代的進(jìn)步，人們已經(jīng)越來(lái)越關(guān)注燈光對(duì)視力的影響，因此本文設(shè)計(jì)的燈光品質(zhì)檢測(cè)儀克服了上述技術(shù)缺陷，采用光電傳感器作為信號(hào)采集元件，經(jīng)過(guò)對(duì)信號(hào)的多級(jí)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(jì)合理，工作安全可靠。

1 ?電路總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)主要電路包括：信號(hào)采集電路、信號(hào)處理電路、單片機(jī)電路、顯示電路等。本文重點(diǎn)介紹對(duì)于燈光信號(hào)的采集和處理，這部分包括光信號(hào)采集電路，直流信號(hào)提取電路，工頻信號(hào)提取電路以及高頻信號(hào)提取電路，對(duì)于工頻信號(hào)和高頻信號(hào)要進(jìn)行幅度和頻率的檢測(cè)，所得數(shù)據(jù)進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行處理。

1.1 光信號(hào)采集電路

本設(shè)計(jì)采用硅光電池對(duì)燈光信號(hào)進(jìn)行采集，硅光電池的輸出電壓隨光強(qiáng)變化較小，無(wú)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(jì)中將硅光電池輸出的電流信號(hào)作為采集對(duì)象，即將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)。由于后續(xù)電路的需要，要將硅光電池輸出的電流信號(hào)變成一個(gè)電壓信號(hào)，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(hào)提取電路

由傳感器采集的信號(hào)里面包含著直流信號(hào)和交流信號(hào)，其中交流信號(hào)又包括工頻信號(hào)和高頻信號(hào)。如圖1所示，對(duì)于直流信號(hào)的提取，本設(shè)計(jì)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(gè)低噪聲、軌對(duì)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(guò)對(duì)直流信號(hào)的測(cè)量可以得到光的強(qiáng)度，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)的報(bào)警。

1.3 工頻信號(hào)提取電路

所謂工頻信號(hào)就是指電力系統(tǒng)中的設(shè)備所采用的額定頻率，我們國(guó)家的額定頻率是50Hz。對(duì)于我們常用的燈光中，對(duì)視力影響最大的就是工頻信號(hào)，所以對(duì)工頻信號(hào)的提取是非常必要的。圖2所示，本設(shè)計(jì)中首先用16Hz的高通濾波電路濾除直流信號(hào);然后用1.6kHz低通濾波電路，濾除高頻信號(hào);經(jīng)過(guò)以上兩個(gè)濾波電路后，信號(hào)中主要成分就是工頻信號(hào)，最后再用包絡(luò)檢波電路得到工頻信號(hào)的幅值。同樣，這個(gè)通路中的運(yùn)算放大器仍然采用OPA2376，由于設(shè)計(jì)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(hào)的失真。通過(guò)以上電路處理，可以得到工頻信號(hào)所占的百分比，通過(guò)百分比系統(tǒng)會(huì)給出對(duì)燈光的分析和提示。

1.4 高頻信號(hào)的提取電路

當(dāng)光波頻率很高的時(shí)候，人眼就無(wú)法分辨，所以燈光中的高頻信號(hào)對(duì)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(jì)中還是提取了其中的高頻信號(hào)。對(duì)于高頻信號(hào)的提取首先進(jìn)行1.6kHz的高通濾波，濾除到低頻信號(hào)，然后同時(shí)進(jìn)行包絡(luò)檢波和滯回比較電路，可以分辨得到信號(hào)的幅值和頻率。

1.5 其他電路

設(shè)計(jì)中除了對(duì)光信號(hào)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(duì)容量2000mAh輸出電壓5V的鋰電池進(jìn)行充電，所述信號(hào)采集電路、工頻信號(hào)提取電路及高頻信號(hào)提取電路中需要5V和3.3V兩種電壓，設(shè)計(jì)中采用SP6201芯片，可以將5V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V電壓。設(shè)計(jì)中的單片機(jī)采用STM32F103，該單片機(jī)最小系統(tǒng)電路詳見(jiàn)手冊(cè)，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(jì)方案

2.1 主程序設(shè)計(jì)

進(jìn)入主程序完成初始化后，開(kāi)始進(jìn)行信號(hào)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(guò)平均值來(lái)計(jì)算光照強(qiáng)度以及工頻和高頻的百分比。最后的計(jì)算結(jié)果，通過(guò)調(diào)用顯示函數(shù)進(jìn)行顯示。

2.2 子程序設(shè)計(jì)

子程序包括：直流分量的計(jì)算、工頻分量的計(jì)算、高頻分量的計(jì)算等。設(shè)計(jì)中直流分量的計(jì)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(gè)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(jì)算得出K和b。另外，工頻分量和高頻分量的計(jì)算都要參考運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)

3 ?結(jié)語(yǔ)

綜上，本設(shè)計(jì)可同時(shí)檢測(cè)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(shí)還可以根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)給出不同的提示信息，適用于檢測(cè)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。

參考文獻(xiàn)

[1] 田光宇.燈光檢測(cè)中測(cè)量設(shè)備和測(cè)量過(guò)程對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響 [J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2019，45（3）：63-64.

[2] 吳凡，羅林.基于脈沖熱成像閃光燈光強(qiáng)分布測(cè)定方法 [J].信息技術(shù)，2019（8）：142-145，150.

[3] 邁克·伍德，編譯/姚涵春.電光源的功效及其測(cè)算[J].燈光技術(shù)，2016，3（6）：89-90.