LED路灯照度检测系统设计论文

LED路灯照度检测系统设计

摘要

随着“十二五”节能减排计划的推进，LED光源发光效率的不断突破，国家发改委宣布，普通照明白炽灯将在未来五年将逐步退出市场。LED照明光源的广泛应用，以及不同于传统光源的检测方法，给LED光源检测提出了新的要求，完善的检测标准和检测方法有利于资源的整合，有利于加速LED产品的快速发展，因此，LED光源检测对于产业发展具有重要的作用。LED路灯作为LED照明光源之一，LED路灯灯具尺寸与普通照明用LED光源差别较大，LED路灯检测环境条件要求严格，检测难度大，检测设备要求高，造成了检测成本高，检测方法普及性差。设计一种较为简易，具有较高精确度的LED路灯光学性质检测系统具有必要性。综合国内外LED路灯光源检测方法，文中采用灯具旋转式分布光度计，通过传感器固定，灯具旋转的方式，测量LED路灯全空间范围的光照强度。本文完成了光传感器修正，并给出了光照强度测量的设计方案，详细描述了硬件电路设计和软件控制方案。电路主要由运算放大电路、A/D转换电路、单片机控制电路和显示电路组成。采用具有高灵敏度、高线性度的硅光电池作为光传感器，经过人眼视觉特性曲线V(λ)和余弦修正后的硅光电池，将采集到的光信号输出为线性、稳定的电流信号，通过ICL7650前置放大电路将微弱电流放大到电压信号，经滤波处理，再经二级放大电路放大到适合采集的电压。由于光信号强度变化范围跨度大，采用了MAX4602模拟开关自动调节前置放大量程。放大电路输出的电压值输入到16位高精度A/D转换电路器MAX1134，将电压信号转换成数字信号，经单片机控制在液晶上显示转换值。根据光照强度与距离平方反比定律，通过软件修正和校准照度检测系统。经过系统测试，验证了LED路灯照度检测系统基本上达到设计要求。

引言（一级标题、顶格、加粗、宋体四号、1.5倍行距）

1879年，爱迪生发明了钨丝灯，成为第一盏具有实用价值的灯，开启了人

类照明发展的新时代。直到20世纪50年代，英国科学家发现了砷化镓发出的电

致发光和红外辐射，从而诞生了第一个现代的发光二极管（LED）[1]。伴随着科学研究的深入，橙色光、黄色光和绿光的发光二极管相继制造出来，并且发光二极管也遵循自身的摩尔定律，大约每18个月亮度提高2倍左右。发光二极管发光效率和光能量的不断提高，LED在大屏幕显示、景观照明及建筑物外观照明、信号指示灯、汽车照明和普通照明等领域得到了广泛应用。LED发光效率已远远高于一般性光源，但是由于价格和技术等因数，LED还未能普及照明市场。2011年11月，国家发改委、商务部等部门联合发表了《关于逐步禁止进口和销售普通照明白炽灯的公告》的公告，决定从2012年10月1日起，分阶段按功率大小逐步禁止进口和销售普通白炽灯[2]。白炽灯的即将退市，点亮了LED的发展前途。LED的兴起，由于具有不同于传统光源的发光原理，LED光电检测方法也不尽相同，给LED检测带了新的课题[3]。LED路灯作为大功率光源，与传统高压钠灯路灯相比，具有耗电少、寿命长、显色性好等优点。目前，LED路灯已在多个城市试点安装，但照明用LED检测方法还不完善，检测技术要求的正式标准还不健全，在分析光效、配光、光衰、色温等技术问题上[4]，还存在检测的漏洞。若果检测问题不解决，将会引起LED照明产品盲目发展，造成了产品混乱，不利于新产品的研发和市场的推广应用。因此，LED照明检测的发展将为制约LED照明发展的因素，检测技术的进步和检测标准的制定将会促进LED产业的合理发展，有利于资源的整合，对LED照明的发展具有重要的意义。

• 绪论（一级标题、顶格、加粗、宋体四号、1.5倍）
  

1.1LED照明发展概述

2011年联合国气候大会在南非城市德班召开，大会关注的主题是“节能减排”，减少对地球环境的污染。“节能减排”的目标就是节约能源、降低能源消耗、减少污染排放。LED照明将受益于节能减排计划，将会推动LED产业的快速发展。从LED的诞生到现在，随着LED光效的逐步提高，给世界各国照明市场带来了新的希望。1968年，LED第一批产品应用于指示灯，发光效率仅为0.1lm/w，90年代期间，芯片尺寸和材料技术的发展使商用LED光通量提高了近20倍，1998年，Lumiled公司推出了1W级的大功率器件，LED第一次显露出进入普通照明领域曙光[5]。在各国对半导体支持力度方面，日本在1998年率先开展“21世纪照明”计划，要求LED发光效率提高到传统荧光灯的两倍。从2000年起，美国决定投资5亿美元用于支持“国家半导体照明计划”。欧盟在2000年宣布启动“彩虹计划”，补助推广白光LED的应用。韩国从2000年到2008年的“GaN半导体计划”，研究以GaN为材料的LED[6]。为了紧跟国外发达国家的新型能源的发展战略，我国在2003年，由中国科技部牵头开始建立半导体产业基地。2006年，半导体照明列为国家“十一五”重大科技攻关项目。2009年初，中国科技部推出“十城万盏”计划，旨在推动中国LED行业的发展，降低能耗，在21个国内发达城市实行路灯改造计划，未来一段时间内，逐步扩大成新型LED

路灯。“十城万盏”计划推动了LED路灯的快速发展，LED路灯发光效率不断提高。2011年10月31日，中华人民共和国工业和信息化部公布，由中国科学院福建物构所、三安光电股份有限公司及福建万邦光电科技有限公司联合研制出的LED路灯整体初始光效达到131.42lm/W，达到了世界最高值。

1.2LED检测技术

1.2.1LED光电检测发展概述

光电检测是光学系统和电系统的结合，它将光辐射流经过一定规律的变换，形成带有信息的光信号，并通过光电传感器将光信号转换为电信号[7]，将微弱电信号放大后，经模数转换变成数字信号，通过显示设备显示出检测值的过程。

1960年成功研制红宝石激光器后，相继又发明了He-Ne激光的气体激光器和GaAs半导体激光器。激光器推到了光电检测技术的极大发展，不仅因为激光器给光电检测仪器提供了主动照明的可能性，而且实现了传送、接收和加工光电信息的方法，大大提高了光电检测的精确性和抗干扰能力。

1970年，贝尔实验室研制出了第一个摄像器件（CCD）[8]，CCD不仅可以完成人眼视觉范围的图像测量，还能测量红外波段和紫外波段的光谱测量。1982年，推出了隧道显微镜，能够测量出微小尺寸的电荷密度，1986年原子力显微镜问世，提高了光电测量精度。微电子的问世，使得处理器得以高速发展。由于微机具有运算、处理、校验、逻辑判断、存储等功能，检测设备和微机相结合，使得光电检测趋向于智能化发展[9]。

LED光源具有不同于传统光源的发光原理。传统光源是以热辐射形式发出光，而LED是一种固态半导体器件，可以直接把电能转化为光。LED

的最主要部件是一个半导体晶片，晶片的一端附在一个支架上，接电源负极，一端接电源正极，整个晶片被环氧树脂封装。当电流通过导线作用于半导体晶片的

PN结时，电子会被推向P区，P区的空穴和电子复合，就会以光子的形式发出光[10]。传统光源是以自发辐射的方式发出光子。LED光源和传统光源发光原理的差异，造成了光源光谱和光电检测方面的特殊性。

LED光源与传统光源的比较有以下特点：

（1）LED体积小，外形尺寸各不相同，根据外形尺寸的不同应用于不同场所；

（2）LED可以发出多种颜色，紫外光、绿光、黄色光、红色光到红外光，可以通过RGB混色得到白光；

（3）LED的发光结构是一个PN结，因此，其光学参数与温度变化有关；

（4）LED有各种不同的配光曲线，没有确定的光轴；

（5）LED光学参数还与观察角度有关。

LED的检测方面，近年来，LED产业发展非常迅速，在技术方面不断取得突破，应用越来越广泛，人们对LED光、电、色参数的检测也提出了更高的标准[11]。为此，国内外部分科研机构和企业研制出了一些具有较高水平的检测设备和仪器。例如美国国家标准研究院(NIST)的分布光谱辐射计系统，德国国家计量院(PTB)的新一代分布光度计，英国国家物理实验室(NPL)中心旋转反射镜式分布光度计，美国照明研究中心（LRC）的FLUX-O-METER分布光度计系统等[12-13]。

我国一直紧盯国际前沿检测技术不断开发适应于LED特性的检测方法和设备，初步LED检测体系已经形成，我国产业所需的多数仪器和相关检测技术已能自主提供。国家科技部组织和部署了半导体照明标准检测方面的863高新技术项目课题，通过自主创新解决LED检测和标准方面的关键问题，在高新技术课题的带动下，我国部分LED检测技术和仪器不仅跟踪了国际先进水平，在某些方面达到了国际领先水平，而且实现了完整的自主知识产权[14]。例如我国中国计量研究院的复合式大型自动分布光度计，以及远方公司的全空间快速分布光度计系统已经达到国际水准，但从总体来说，相比于欧美发达国家在LED的检测技术和标准，国内LED的检测水相对比较落后，LED检测技术和标准滞后于欧美等国家。

LED相关标准方面，

1924年国际照明委员会(CIE)正式推荐光谱效率函数V(λ)作为测量光的基本函数，1931年规定了颜色测量的三原色，1933年国际照明委员会(CIE)正式采用V(λ)函数[15]。1965年出版第一个版本的显色指数标准(CIE13)，到1974年发行主要的版本(CIE13.2)，直到1995年，CIE13.3的出版是基于CIE13.2的改进版。LED发光效率的提高，引起人们对LED的重视，LED光电检测方法的变化，相应的检测标准也进行了完善和技术改进。2007年，CIE通过了CIE177-2007和CIE127-2007标准。CIE177-2007是对白光LED光源显示指数制定的标准；CIE127-2007是关于LED光源的测量，是对CIE127-1997标准的补充和改进。国际电工委员会（IEC）发布的LED标准有IEC62031(2008)——普通LED模块安全规范，IEC60838(2006)——LED模块连接器的特殊要求。2008年，北美照明学会推出LM-79-2008标准——《固态照明产品批准的电气和光度测量方法》，该标准被用作为美国商用LED产品和美国能源之星有效评估的主要参考之一。2004年，日本照明学会、日本照明委员会、日本电球工业协会和日本照明器具工业会共同制定了《照明用白色LED测光方法通则》，2006年发布了修订版，增加了色度量和光通量方面的规范。我国标准化管理委员会在2009-2010年期间，颁布了LED新标准有：GB/T24824-2009普通照明用LED模块测试方法、GB/T24823普通照明用LED模块性能要求、GB/T24826普通照明用LED和LED模块术语和定义和GB/T24819普通照明用LED模块安全要求等标准[16]。

1.2.2LED照度检测发展现状

当前，LED照度检测[17]主要分为便携式照度计和大型分布光度计检测系统。便携式照度计一般用于日常生活中的光照强度测量，如果要求测量其他光参数，需要采用其他检测设备，但便携式照度计具有体积小、功耗低、方便携带等特点。而大型分布光度计主要用于实验室或者检测部门中，其体积大、设备昂贵，普及型不高，而且对于环境要求高，但是测量精度高一般性的光电检测设备。LED照度检测是利用光传感器、控制电路和计算理论与技术对光进行测量。

如图1.1所示，照度测量系统主要由光传感器、运算放大电路、滤波电路、A/D部分、控制电路、显示部分和电源部分组成。

1.3LED检测技术发展趋势

现代检测技术是科研部门及工业领域正常运转的基础，而光电检测不仅是现

代检测技术的重要组成部分，而且随着独特的检测方式适合近代检测的发展方

向，应用领域将越来越广泛[18]。

光电检测具有的特点：

• 光电检测自动化
  

随着生产的发展，用于光电检测的时间和人力将占相当大的比重，因此为了进一步提高生产率和自动化程度，要求光电检测必须实现自动化。先进的检测方法和仪器设备，应能在工业生产或者生活应用中进行自动测量，这样既可减少工作人员，又可以节省检测时间，提高生产率。光电检测发展趋势如图1.2所示，微处理的应用将逐步取代人脑实现自动测量。

• 光电检测无接触化
  

由于无接触，没有力作用于被测物体，不会对检测物体造成冲击，对检测仪表亦无损害。另外测量装置具有寿命长、反映速度快、工作可靠、准确度高、对被测物无形状和大小要求、检测距离大等优点。

• 光电检测电路集成化
  

光电检测设备采用集成芯片，检测系统具有体积小、重量轻、工作可靠、寿

命长、使用方便和工作速度高等优点。

• 光电检测数字化
  

光电检测采用数字化处理、显示，具有测量精度高、灵敏度高、测量速度快、指示值客观性、易于自动化等优点。

• 光电检测系统与计算机通信
  

计算机具有数据运算、处理、校验、逻辑判断、存储等功能。光电检测系统

与它相结合后，能实现一般仪表无法实现的功能，使光电检测系统的测量精度、速度和性能显著提高。

1.4课题的研究的意义

LED照明产业作为新型能源，正处于高速发展时期，国内外各国纷纷加大对LED研发的投入，包括LED产品技术和LED相关标准。由于不同于传统光源的发光原理，LED光电检测的发展以及标准的制定，对于如何正确引导LED产业的健康发展至关重要。正确的LED光源光电检测技术和完善的标准，能够有效的规范市场，整合资源，为LED产品的研发和推广起到关键性的作用。

本文结合与当前光照强度检测发展特点以及LED路灯产品的特性[19]，设计一种方便的LED路灯光照强度检测系统，相比于普通照度计，能和其他光学参

量检测模块，通过计算机控制完成空间光强分布测量，该系统具有高的测量精度。

单独使用可以用于日常生活中光照强度的测量。具有比大型分布光度计体积小、

成本低、使用范围广等优点。

1.5论文的组织结构

本课题研究的目的是设计LED路灯照度检测系统。光照强度作为光学参量的几个基本常量之一，与人们生活密切联系着，因此在本文中对光照强度展开研

究与测量方法设计。主要研究内容如下：

1．绪论。分析国内光电测量发展现状，介绍照度检测的发展趋势。

2.光照强度检测工作原理。介绍光度量基本定律，及光度量测量方法，其中重点讲解几种常用LED路灯光照强度的测量方法。

3.光照强度检测系统硬件电路设计。包括主控制电路、电源模块、A/D转换模块和显示模块的设计。

4.光照强度检测系统软件设计。系统软件和硬件结合，解决一些硬件遗留问题，并完成光照强度检测系统的校准。

5.检测系统噪声分析，以及减少噪声的方法和措施。

6.系统测试，给出了系统的一些硬件实物图，并对系统的软硬件做了系统测试。

7.总结与展望。总结了当前的主要工作，补充了其他光电参数的测方法，及未来工作的重点。

2.照度检测工作原理

2.1光度量

光度量是光辐射量在人眼上的视觉感应强度值，由人眼的视觉功能特性可知，人眼对于不同波长的光，造成的响应度不同，能量相同但是波长不同的光，在人眼视觉中触发的响应度不同。国际照明委员会（CIE）推荐采用平均值的方法，确定人眼视觉对各种波长的光的平均响应灵敏度，称为光谱视见函数V(λ)。人眼对于光谱感应区间为380nm-780nm之间，V(λ)的在555nm处为最大值，规定在555nm处V(λ)=1，其他波长V(λ)均小于1。

表2.1列出了基本的光度量、定义式、单位和符号。

表2.1光度量和单位

2.1.1光通量

光通量是指人眼视觉所能感觉到得光谱辐射强度值，它等于单位时间内发出的光亮值，如图2.1所示，光通量的表达式为：

(2.1)

发光强度为光源在给定方向上单位立体角内发出的光通量，定义式为

I=dΦ/dω（2.2）

式(2.2)中，Φ表示光通量，ω为空间立体角，发光强度的单位是坎德拉（cd）。

光照强度定义为被照物体单位面积上入射的光通量，如图2.2所示，光照强度定义式：

E=dΦ/dA（2.3）

式(2.3)中，dΦ为给定点处的面元面积为dA上的光通量。光照强度的单位微机勒克斯（lx）。

光的传播是通过能量传播的，接收面上单位时间内接收到总辐射能成为该面

元的辐射通量，人眼感受到得辐射量是指单位时间内一定接受面的光能量，即光

通量Φ。由式（2.1）可知，

dΦ=Igdω（2.4）

代人式（2.3）中得到，

E=Igdω/dA（2.5）

如图2.2所示，单位立体角dω表示为

dω=dAcosθ/I^2（2.6）

代入式（2.5）中得到，

E=Icosθ/I^2（2.7）

图2.2单位立体角的光照强度

光源表面上一点的面积为dA，在给定方向上的发光强度dI与该面元在垂直给定方向的面元上的正投影面积之比，为该光源在该方向上的光亮度：

L=dI/dAcosθ（2.8）

式(2.8)中，θ为给定方向与面元法线的夹角。光亮度的单位为坎德拉每平方米，单位为cd／m^2。

2.2光照强度检测基本特性

2.2.1人眼视觉特性

人眼视觉的主要作用区域是视网膜，视网膜是把光信息转换为神经信号送给大脑皮层视觉接受区[20]。由于人眼所具有的特殊功能，只能在380nm-780nm范

围内的可见光有感应，超出范围内的红外、紫外光，人眼不具备感应到。而且由

于外界光谱的不同，使得人眼感应到不用的颜色即颜色视觉，因此人眼能够感受

到外界色彩的变化。根据人眼视觉生理特性和亮度变化，分为明视觉、中间视觉和暗视觉。一般认为亮度水平大于3cd·m^-2为明视觉，0.001~3cd·m^-2范围内的亮度为中间视觉，小于0.001cd·m^-2为暗视觉。人眼视网膜的生理构造决定了视觉不同。感光细胞能感受不同亮度的光线，把光转换成神经脉冲。感光细胞分为柱状细胞和锥状细胞。柱状细胞对光的敏感性强于锥状细胞，能感应暗视觉条件下的光线，在较亮条件下，柱状细胞响应度趋于饱和。而锥状细胞主要感应较强光线。中间视觉条件下，柱状细胞和锥状细胞都能感光，感光细胞比例随着光线强弱的变换而变换，所以中间视觉条件下的光谱函数有多种。

图2.3CIE推荐视觉光谱曲线

1918年，通过对研究193名观察者美国照明工程学会得到了V(λ)函数，1923年NBS的Gibson用阶梯法对V(λ)进行修正，使曲线达到圆滑和对称。1924年，V(λ)函数被CIE正式推荐位国际标准人眼光谱视觉函数。LED路灯的光学检测，由于路灯部分光亮度处于中间视觉条件下，目前道路照明检测都采用明视觉光谱曲线测量，即1924年CIE推荐的视觉函数。视觉曲线如图

2.3所示。

2.2.2余弦特性

根据光照强度定律，任一被照平面的光照度和入射光线与该被照平面法线方

向夹的余弦成正比，即在垂直方向上光强值最大，随着角度增加，光强变小，这

种特性成为余弦特性。因此在实际测量中，为了得到更准确的测量值，需要在光

传感器上加余弦修正玻璃。通常采用的余弦修正玻璃有平板状和皿状乳白色玻

璃，从表2.2数据可以看出，皿状乳白色玻璃更适合用于光传感器的余弦修正上。

表2.2几种常见余弦修正玻璃

2.3LED路灯光度量检测方法

2.3.1光通量测量

光通量参数是描述光源特性的重要参数之一。一般测量光源的总光通量的方

法有三种[21]：

第一，采用分布光度计测量全空间光通量，采取小的步长和角度，通过空间

光强与光通量的数值关系积分计算出总光通量；

第二，采用积分球方法，利用已知光通量的标准灯和待测灯做比较测量，将

待测灯模块放在积分球的中心，在积分球的侧面开一个口，放置光传感器，从而

得出待测灯的光通量。积分球测量光通量的前提条件是光源在积分球中能看做点光源，但是LED路灯灯具面积大，需要非常大的积分球才能满足条件，因此LED路灯灯具的光通量测量方法一般采用空间分布光度法[22]

2.3.2光照强度测量[23]

光照强度的测量方法主要有手持式照度计、积分球和分光光度计。手持式照

度计主要用于日常生活中的光照强度的测量，方便携带、能耗低、测量精度有限；

积分球法测量光照强度一般用于小尺寸的光源，具有较高的测量精度；分光光度

计测量主要用于大尺寸光源，具有高的精度，能实现全空间的光照强度的测量。

2.3.3颜色特性测量

光源颜色测量可以分为三刺激值直读法和光谱辐射测色法两种，对于要求测

试准确度高时，应使用光谱辐射测色法。

三刺激值直读法用光电色度计来测量，光电色度计的光谱灵敏度需要满足标

准色度系统的色度函数要求，而且能直接测量光源色的色品坐标或三刺激值

[24]。

光谱辐射测色法是通过分光系统，将不同波长的光分离开，经过聚光系统到光传感器接收面，小尺寸的光源满足测量距离的条件下就能实现测量，大尺寸光

源需要采用分布法测量。

2.3.4分布光度计

分布光度计一般分为五种，传感器旋转式分布光度计、灯具旋转式分布光度

计、双镜式分布光度计、圆周运动反光镜式分布光度计和中心旋转反光镜式分布

光度计[25]。介绍如下：

（1）传感器旋转式分布光度计[26]：当测量距离符合LED模块的光强测量要

求时，通过固定LED固定模块，转动光传感器，在设定平面内测量LED光强分布。采用传感器旋转式分布光度计主要用来测量小尺寸LED模块的光照强度分布，但是由于难以满足光强测量距离要求，一般不用于大尺寸LED模块的光强测量。

图2.4传感器旋转式分布光度计

（2）灯具旋转式分布光度计[27]：该方案采用传感器固定，灯具旋转方法测量光照强度。固定光学传感器在检测的一端，LED光源模块绕分布光度计的水平轴和垂直轴旋转，通过控制电路采样LED光源模块空间数据。这种检测方式的优点在于系统结构简单，系统稳定性高，检测设备较为便宜。但是检测系统中，

由于灯具的旋转，造成LED光源模块的发光不稳定，影响测量精度，需要特别考虑温度的影响，必要的时候进行温度修正[28]。.

图2.5灯具旋转式分布光度计

（3）双镜式分布光度计：双镜式分布光度计中的LED光源模块处于旋转中心，

LED模块绕其垂直轴旋转，旋转反光镜绕LED模块旋转，将LED模块在某

一方向上测量光反射到远处的第二块反光镜上，并通过第二块反光镜反射到光传

感器中。在整个测量系统中，LED光源模块在光度测量中始终保持静止的燃点

姿态，发光稳定性高，而且检测系统占用空间小。采用双反射镜对反射镜具有很

高的要求。

图2.6双镜式分布光度计

（4）圆周运动反光镜式分布光度计：圆周式运动反光镜式分布光度计中的LED光源模块处于旋转中心，绕其自身垂直轴旋转。反光镜绕LED光源模块旋转，将在某一方向上测量光发射到旋转反光镜同步旋转的光传感器中。该测量系统中的LED光源模块在光度取样测量中保持静止状态，通过旋转反光镜的方式实现LED光源全空间的测量。该检测系统优点是被测光源的发光稳定性高，但该检测系统相对于双镜分布式光度计的缺点在于占用较大的空间，而且对反光镜的要求比较高。

该检测系统的设计是将带长消光筒的同步旋转光传感器改为固定的光传感

器，这样的设计导致的后果是光传感器开口较大而容易引入较多的信号光束和杂

散光不能垂直入射到光传感器上，从而造成测量精度下降。

图2.7圆周运动反光镜式分布光度计

（5）中心旋转反光镜式分布光度计：中心旋转反光镜式分布光度计中的反光镜绕水平轴旋转，而由灯臂夹持的被测光源绕反光镜转动，同时灯臂向相反方向绕辅助轴同步旋转，以保持LED光源模块中心位置不变，LED光源绕自身垂直轴转动，反光镜将被测光源的光反射到与主轴同轴的光度探测器上来测量。在该系统中，LED光源模块能始终保持标准测量燃点姿态。然而由于LED光源模块需在较大空间范围内运动，LED光源模块的发光稳定性不及双镜式分布光度计和圆周运动反光镜式分布光度计两种分布光度计系统。另外该系统要实现

LED光源模块向上夹持的绕点姿态，转台部分需要占用更高的转动空间。

图2.8中心旋转反光镜式分布光度计

通过常见五种空间分布光度计，考虑到LED路灯灯具面积大，发光方向性等特点[29]，以及检测系统的复杂性和检测设备要求，因此，本文采用灯具旋转式分布光度计测量LED路灯光学参数，能在较小的空间范围内，简单的检测设

备实现LED路灯的照度的测量。

2.4小结

从介绍光学参量基本概念，光学检测相关特性和定律，以及光学参量的测量方法，重点几种分光光度计的测量方法，选择合适的LED路灯光学参量的测量方法。

3.照度检测系统硬件电路设计

3.1光电传感器

1839年，法国科学家Becqueral在化学电池中第一次观察到了光伏效应。1873年，发现了硒中的光导效应。1929年，建立的固体能带理论，第一次论证了太阳能电池可以直接把光变成电能。

光电池是一种在光照条件下产生电动势的半导体器件，随着半导体技术的发

展，光电池特性得到了显著的改善，广泛应用于新型能源发电和光电检测。常用

于光电检测的光电池主要有硅光电池和硒光电池[30]。

3.1.1光电传感器选型

1887年，赫兹发现了光电效应，在1905年，爱因斯坦提出了光子假设，成功解释了光电效应。光电效应可以分为外光电效应和内光电效应。

外光电效应指当光照射到器件表面材料上时，光子的能量传递给表面材料上

的电子，当光子能量能使电子获得足够的能量，电子克服器件表面阻力进入外界

空间。内光电效应指光照射到器件表面时，吸收光子的能量使器件的电阻或电导

发生变化，由于吸收光子的器件没有向外发射电子，仅仅是改变了器件内的电阻

或电导。

光电传感器就是利用光电效应制造出来的，常用的光电传感器有光电池、光

敏二极管、光敏晶体管、光敏三极管、光电倍增管以及光敏电阻等。

光敏电阻是基于内光电效应的半导体元器件。通过在掺杂半导体上镀金属，

交错排列成梳妆的电极以增大光敏面积，而且光敏电阻易受潮湿影响，所以光敏

电阻密封在玻璃壳中。光敏电阻一般用于检测较强的光信号，由于结构简单，工

作寿命长等特点应用比较广泛，但是存在非线性，受温度影响比较大，一般不用

于精密光测量方面。

光电倍增管是利用二次电子发射制成的。当高速的电子照射到光电传感器表面时，由于高速电子能量改变传感器内电子能量状态，使得一些电子逸出，产生二次电子发射[31]。当一次电子速度足够大时，产生的二次电子很有可能比一次电子更多，通过二次发射原理制造出光电倍增管。由于光电倍增管的特性，在测量时允许测量的光通量非常小，一般用于极微弱的光条件下。当光强过强时，光电倍增管容易烧毁。

光电池作为一种特殊的半导体二极管，由PN结组成，通过在半导体硅中渗入一定微量的杂质组成。P型半导体是通过在半导体中渗入三价元素，形成带正电的空穴。N型半导体通过在半导体中渗入五价元素，形成带负电的自由电子。

当PN结处于反向偏压时，在无光照射条件下，PN结反向电阻很大，反向电流很小；在有光的照射下，PN结内光转换成电能产生空穴电子对，在电场的作用下，空穴电子分别向P区、N区移动形成光电流。通过这种方式工作的器件有光敏二极管、光敏晶体管。

在PN不加偏压的条件下，当光照射到PN结上，当入射到传感器表面的光能使电子获得足够的能量，使得由光子产生的自由电子和空穴分别向PN结两端移动，使PN结两端产生光生电动势。光电池又可以分为硅光电池和硒光电池。硅光电池一般的光谱范围为400~1100nm，硒光电池波长接近与人眼视觉感应波长范围，但是在频谱响应特性方面，硒光电池不如硅光电池好。

由于硅光电池性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，转换能效率高等特点，

以及根据硅光电池的原理分析，在本文中采用硅光电池作为LED路灯照度检测系统的光传感器。

3.1.2硅光电池特性及原理

硅光电池是根据光生伏特效应将光能转变成电能而制成的光伏型器件，它由

半导体硅中渗入一定微量杂质而组成。当光照射在PN结上，由于光子产生的电子和空穴分别向P区和N区集结，使PN结两端产生电动势，即产生光生伏特效应。硅光电池的开路电压最大值在0.6V左右，而且开路电压跟光信号的变化为非线性关系，当光照强度为2000lx左右时，开路电压就趋于饱和；短路电流跟光强度成线性关系，因此测量光信号用采集到的电流信号。开路电压和短路电路的光照强度特性曲线如3.1所示。

图3.1硅光电池光照强度特性曲线

硅光电池的光谱长波取决于材料的禁带宽度，短波受限于材料表面反射损失，但其峰值波长不仅与材料有关，而且与制作工艺和使用环境温度不同而不同。硅光电池的光谱曲线如图3.3所示，光谱响应范围在400~1100nm之间，峰值

波长为900nm左右。

图3.3硅光电池光谱特性曲线

如图3.4所示，显示硅光电池开路电压OCU与短路电流SCI随温度变化的关系，硅光电池的开路电压随温度升高而降低，短路电流随温度升高而增大。温度漂移是硅光电池作为光传感器考虑的因素之一，应采取相应措施对测量进行补偿。

环境温度°C

图3.4硅光电池温度特性曲线

对于PN型光电器件，PN结内空穴电子移动形成电流需要一定时间，所以

当光照变化很快时，变化速度超过硅光电池频率响应时间，光电流就会滞后光照

变化。如图3.5所示，反映了硅光电池和硒光电池频率特性，从曲线可以看出硅光电池频率曲线，在频率小于4.5MHz时，频率特性非常好，远好与硒光电池频率响应曲线。

图3.5硅光电池频率特性曲线

3.1.3硅光电池参数

在光学检测方面，由于要符合人眼特性，所以Hamamatsu公司推出了型号为S9219、S9219-01的硅光电池，该光传感器光谱特性曲线符合人眼特性曲线，不

需要再经过V(λ)修正，并且暗电流小，灵敏度高等特点突出，适合高精度光的检测，但是由于价格较高，使得检测设备成本偏高，应用范围有限。SFH5711是OSRAM公司推出的一款专门针对汽车照明、智能家居的光学传感器，光谱曲线同样符合人眼视觉函数，输出电流与光照成对数关系，可采用接可变采样电阻值，既可获得合适的电压值，该型号硅光电池价格低，适合消费类光的测量。

通过对各个厂家资料的比对选择，以及实际条件，论文中采用Hamamatus公司生产的S1336-BQ硅光电池作为该照度检测的光度探头[33]。100lx光照条件下，输出短路电流为10uA左右，当照度为1lx时，电流为100nA。大部分传感器的光谱特性曲线都不符合人眼视觉函数，必须加滤光玻璃，1lx光照条件下输出电流将更小。当暗电流相过大时，输出短路电流将淹没在暗电流中，所以在选择硅光电池时，光谱曲线、暗电流、有效面积成为衡量硅光电池重要的参数。表3.1反应出硅光电池的基本参数，最大暗电流仅为50pA，但是峰值波长在

960nm附近，即硅光电池对于红外波段的光敏感。要符合光照强度的测量，要对硅光电池进行人眼视觉修正。硅光电池光谱特性曲线如3.6所示。

硅光电池S1336-BQ的基本参数如表3.1所示。

表3.1硅光电池基本参数

3.1.4光照度测量探头要求

根据第二章关于人眼视觉特性的描述，对光照强度的测量要符合人眼视觉函数，所以需要对硅光电池进行V(λ)光谱修正。光谱修正一般采用滤光片，使得到达硅光电池的光谱符合人眼视觉特性曲线。滤光片的常用的匹配方法分为三种：（1）分离全滤光片法：滤光部分由多块滤光片组成，相邻滤光片之间存在缝隙，可以通过多块滤光片叠加而成；

（2）密接全滤光片法：由多块滤光片组成，相邻滤光片间无缝隙，一般加工工艺要求较高，将多块滤光片做成一块滤光片；

（3）部分滤光片法：滤光部分由多块滤光片组成，部分滤光片不是全面积

覆盖传感器表面。

由于条件限制，难以得到密接全滤光片，所以采用综合实际情况要求，本课

题中采用的是分离全滤光片法，通过采用不同颜色的滤光片组成的滤光器。滤光

器的设计类似于滤波器，要得到人眼视觉曲线，类似于滤波器的带通滤波器，通

过参考文献数据和有色玻璃滤光曲线，选择了三种玻璃组合成滤光片。三种玻璃

分别为青蓝色玻璃（型号为QB21）、金黄色玻璃（JB470）、绿色玻璃（LB16）。光谱透射曲线如图3.7~3.9所示，利用QB21光谱曲线的右枝，JB470光谱曲线的左枝，以及LB16光谱的中心波段组成滤光部分。

图3.8金黄色玻璃JB470T-λ曲线

图3.9绿色玻璃LB16T-λ曲线

3.2放大电路设计

3.2.1光电前置放大电路

硅光电池输出的光信号非常微弱[34]，需要经过运算放大其信号，因此要通过前置放大器初步放大后，采用二级放大电路放大到合适的A/D采样范围，同时

需要考虑降低噪声和外界干扰的影响。根据前置运算放大器输出信号的特点，一般可以分为积分型放大器和电流型放大器[35]。积分型放大器包括电压灵敏型前

置放大器和电荷灵敏型前置放大器，积分型放大器输出信号幅度是输入电流随时

间的积分，输出信号幅度与传感器输出的电荷量成正比。电流型放大器通过对输

入电流信号的放大。由于硅光电池输出的短路电流信号跟光照强度成线性关系，

所以本文中采用电流型放大器放大光信号。

硅光电池可以工作两种工作模式：零偏置电压模式（光电压模式），反偏置

电压模式（光电导模式）[36-38]。如图3.12所示：

图3.12（a）光伏模式（b）光导模式

光电压模式下，硅光电池处于零偏压状态，不存在暗电流影响，拥有较低的

噪声，而且线性度高。光电导模式下，硅光电池需要外加偏置电压，光导模式具有高的开关速度，但是即使没有光照的条件下，也会存在暗电流，以及非线性、

较高的噪声，所以光照强度测量采用光电压模式[39]。根据3.1节中关于硅光电池特性分析，光电压模式下，硅光电池处于零偏压状态，输出短路电流信号跟光照强度成线性关系，通过放大硅光电池输出电流信号来测量光照强度[40]。

3.2.2自动量程转换

从夜晚环境下到强太阳光下，照度值显著变化，由于照度跟输出电流成线性

关系，因此硅光电池输出电流跨度大，在几个数量级间变化，采用单量程显然不

能满足实际测量要求。通过在前置运放加入开关控制量程变化[43]，常用的开关

主要有电磁继电器+光耦隔离、模拟开关、光MOS继电器，手动开关等。电磁

继电器+光耦隔离容易受外界环境影响，光电MOS继电器漏电流比较大，价格

比较贵，手动开关需要人来操作，不能实现光照度自动测量。随着集成化程度的

提高，在小信号领域模拟开关应用越来越广泛，与机械开关不同，模拟开关具有

体积小、耗电量小、切换速度快、工作可靠等优点。模拟开关的参数主要有导通电阻、漏电流、通道数、切换速度。模拟开关一般为多个通道的，通道数越多，寄生电容和漏电流就越大。当控制一个通道选通时，其他通道处于高阻状态，会存在对漏电流对通道产生影响，所以在选择模拟开关时，由于光电流信号比较微弱，当漏电流较大时，对测量光信号产生大的误差，通过综合各方面考虑，采用一款漏电流小的模拟开关MAX4602，减少漏电流对检测电路的影响。

图3.15MAX4602芯片管脚分布图图3.16自动量程转换示意图

MAX4602模拟开关是MAXIM公司推出的四通道模拟开关[44]，该芯片一共

有16个管脚，管脚分布如图3.15所示，其中有四个为数字控制端INl、IN2、IN3、IN4；八个模拟输入、输出端COM、NO；还有电源端和地。MAX4602最大导通电阻为2.5Ω，漏电流典型值仅0.2nA。MAX4602有两种供电模式：双电源供电和单电源供电。双电源供电要求V+取+15V电压，V-接-15V电压，VL接+5V。单电源+12V供电模式要求V+取+12V电压，V-接地，VL接+5V电压。在双电源模式中，MAX4602导通时泄露电流典型值为0.2nA

。在单电源+12V供电模式中，MAX4602导通时泄露电流典型值仅只有0.01nA

。在单电源模式供电中，+5V的电压在系统中单片机模块中能够提供，所以另外只需要提供+12V的。电压就能够使MAX4602工作，所以可以减少设计的复杂性，而且工作在单电源模式下，导通泄流电流更低，使得检测系统外部干扰更少，测量更为准确。MAX4602主要应用于音频信号切换、航空电子、通信系统、测试设备等。通过单片机AT89S52控制模拟开关四个数字控制端口，通过光照强度测量值自动切换量程，四个电阻值分别问10Ω、100Ω、1KΩ、10KΩ。切换量程图如3.16所示，通过单片机实现自动测量[45]。

3.2.3二级放大电路

通过前置放大电路和自动量程转换电路组合，放大光电流信号。前置放大电

路输出的电压信号经过二级放大电路，最终放大的合适的电压值。二级放大电路

采用OP07放大芯片，OP07是一种低功耗，非斩波稳零的运算放大器，具有非

常低的失调电压（最大为150uV），低失调电压漂移（0.5uV/°C），低低偏置电流（2nA）等特点。OP07为8管脚的DIP封装，一般采用双电源供电，同时也可以采用单电源。OP07同时具有低的输入偏置电流和高开环增益的特性得

OP07适用于高增益的测量设备和放大微弱信号等方面[46]。硅光电池输出电流信号经过前置放大后输出电压信号，由于输出电压还是比较微弱，因此二级运放需要放大100倍。二级放大电路如图3.18所示，采用T型反馈放大。

图3.18二级运算放大电路

3.2.4滤波电路

照度检测系统中的光信号，经过运算放大后，传感器、放大电路及外界环境

给检测系统引入噪声，在处理光信号噪声时，根据光信号变化特点和传感器频率

特性，采用RC低通滤波电路，根据式3.9计算出选用合适的RC值得到截止频率，滤除高频噪声，减小噪声对系统的影响。

f=1/2πRC

3.3控制电路设计

3.3.1单片机系统电路

AT89S52是ATMEL公司推出的89C51的增强型产品，它是一个低功耗、高性能8位微控制器，片内含通用8位中央处理器和8k的Flash存储单元，40引脚DIP封装，总共有32个I/O口，2个全双工串行通信口，3个可编程定时/计数器，5个中断，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，兼容MCS-51指令系统以及80C51引脚分布，为许多嵌入式控制系统提供高灵性、高性价比的解决方案。

AT89S52主要性能特点有[47]：

兼容MCS-51单片机产品；

8K可编程Flash存储单元；

32个可编程I/O口线；

1000次擦写周期；

3个16位定时器/计数器；

8个中断源；

空闲模式和掉电模式；

全双工UART串行通道；

掉电后中断可唤醒。

AT89S52一些引脚端口具有第二功能，P1.0、P1.1为定时器/计数器控制端口，P1.5、P1.6、P1.7分别对应于MOSI、MISO、SCK，P3.0、P3.1为串口通信口RXD、TXD，P3.2、P3.3为外部中断口，P3.4、P3.5为定时器外部输入端口，P3.6、P3.7为外部存储器读写控制端口。丰富的第二功能端口，为嵌入式系统提供了更多的选择。单片机的最小系统图如3.19所示。

图3.19单片机最小系统

3.3.2复位电路

复位电路是单片机的初始化操作，主要功能是把单片机初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行代码。当系统运行中出现死锁或者出现数据故障时，通过复位电路使系统恢复到初始状态。RST复位时间要求是持续2个机器时钟周期高电平使单片机复位。复位电路采用简单的RC复位电路，控制RST端口，时间常数T=R*C。选取合适的电阻值R和电容值C，通常选取电容C为0.1μF，电阻R为10K，得到时间常数T为1ms，远大于两个机器时钟周期。复位电路如3.20所示。

图3.20RC复位电路图

3.3.3串口通信电路

RS-232是美国工业协会（EIA）与BELL等公司制定的一种串行物理接口标准，

RS-232标准协议适用于数据传输速率在0~20Mbit/s范围内的通信，已广泛应用于数据终端设备DTE与计算机和数据通信设备DCE的接口标准。RS-232有9个引脚（DB-9）或是25个引脚（DB-25）两种连接器。RS-232是通过正负电压表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态不同，为了能够同PC机接口或终端的TTL器件连接，需要在RS-232与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换，实现变换的方法可以采用分立元件，或者采用集成电路芯片。常用MAX232芯片，即可以完成TTL到RS-232双向电平转换[48]。

图3.21串口通信电路

MAX232是MAXIM公司推出的一款多通道RS-232驱动器/接收器，MAX232芯片内部有一个电压变换器，可以把输入的+5V电源电压变换成RS-232输出电平所需的±10V电压。该芯片价格适中，硬件接口只需要几个电容就能满足要求，所以在照度检测系统中采用MAX232芯片来实现串口通信。串口电路中采用三线制连接，一般采用DB-9连接器，只需要DB-9中的三个接线柱，即：DB-9第5脚连接地（GND）端；第2脚接发送端（RXD）；第3脚接接收端（TXD）。应用电路图如3.21所示。MAX232芯片的发送端（

RXD）和单片机的P3.0口连接；接收端（TXD）和单片机的P3.1口连接[49]。

3.4A/D转换电路设计

高精度的A/D转换器能有效减少误差，提高测量的准确性[50]。本文中A/D转换器采用MAXIM公司生产的高速150ksps，高精度16位A/D转换芯片MAX1134，内部集成了内部采样/保持电路、输入比例电路、时钟和三个数字输

出引脚。该芯片具有出色的动态特性、高速及低功耗性能成为工业过程控制，仪

表及便携式设备提供选择。MAX1134可接受0至±6V（双极性）或者+6V（单极性）的模拟输入信号，采用3.3V单电源供电。串行触发输出（SSTRB）可以直接与TMS320系列DSP进行通信，用户还可以通过配置选择内部时钟或者外部时钟进行A/D转换。MAX1134具有内部校准电路用于修正非线性及失调误差[51]。MAX1134管脚分布如图3.22所示。

各个引脚描述：

引脚1REF：ADC参考电压输入端，连接2.048V外部基准到REF；

引脚2、4DDAV：模拟电源3.3V输入端；

引脚3、19AGND：模拟地；

引脚5、14DGND：数字地；

引脚6SHDN：AD芯片停止控制端；

引脚7、8、9-P2、P1、P0：用户可编程输出控制端；

引脚10SSTRB：串行选通输出端，内部时钟模式下，当ADC开始一个转换时，SSTRB为低电平，转换结束为高电平。外部时钟模式下，SSTRB为高电平脉冲，开始传输MSB，CS为高电平时，SSTRB为高阻态；

引脚11DOUT：串行数据输出端；

引脚12RST：复位控制端；

引脚13SCLK：数字时钟输入端；

引脚15DDDV：数字电源，接3.3V电源；

引脚16DIN：串行数据输入端；

引脚17CS：片选端；

引脚18CREF：旁路缓冲基准；

引脚20AIN：模拟输入端。

图3.22MAX1134管脚分布图

3.5显示电路设计

由于该系统只是LED路灯光学性质检测的一部分内容，只对照度测量进行研究，所以显示电路只用来显示照度值，采用段式液晶能够很好实现，而且读数方便，功耗低。段式液晶采用HT1621芯片驱动。

HT1621是128点、内存映像和多功能的LCD驱动芯片，HT1621的软件配置特性使它适合于多种LCD场合。HT1621与控制器连接的管脚只有4或者5条，使用方便。另外HT1621还具有降低功耗的指令。

HT1621的常用基本特性[52]：

工作电压在2.4~5.2V之间；

内嵌256KHz的RC振荡器；

可外接32KHz或256KHz频率源输入；

可选1/2或1/3偏压和1/2、1/3或1/4的占空比；

节电命令可用于减少功耗；

内嵌时基发生器和看门狗定时器WDT；

一个32*4的LCD驱动器；

一个内嵌的32*4位显示RAM内存；

四线串行接口；

片内LCD驱动频率源；

数据模式和命令模式指令；

三种数据访问模式；

提供VLCD管脚用于调整LCD操作电压。

3.6电源模块设计

光照强度测量系统中采用了多个模块，芯片之间供电电压不尽同，在对运放

供电电压时，尽可能的减少纹波电压对运放的扰动，所以电源的设计关系到整个系统的稳定和功耗[53]。

单片机、LCD显示模块采用的是+5V的供电电压，运放放大器ICL7650

要求为双电源供电5V，模拟开关MAX4602供电电压为+12V、+5V供电，A/D

转换MAX1134为+3.3V供电。不同模块对电源要求不同，有时候要区分数字电源和模拟电源，所以在设计电源模块时，需要处理好电源之间的关系以及电路布局。

系统采用+12V电源供电，接通电源开关后，系统输入电压为+12V，在图3.23中，将+12V输入转为+5V，提供给单片机模块供电，再将+5V电压通过稳压芯片的得到+3.3V的电源部分。+5V电压采用普通的稳压芯片LM7805，外围器件很少，而且内部还具有过流、过热的保护电路，使用方便、可靠，而且价格便宜。+3.3V电压通过AMS1117稳压芯片得到的+3.3V电压用来给A/D芯片提供电源。A/D转换芯片需要外部基准电压，采用LT1790基准电压芯片。LT1790是LinearTechnology推出的微功率、低压差基准电压芯片，通过该芯片得到+2.048V基准电压。电路图如3.24所示。

图3.235V-3.3V电源电路

采用ICL7650斩波稳流运算放大器，需要提供5V的电源，一般而言对于正电压比较容易得到，负电压可以通过两种方法得到：

1.采用输出正负电压的变压器，然后通过稳压得到-5V电压。

2.采用电压泵—反转电源转换器，方便的从+5V的电压转换到-5V的电压。

ICL7660是MAXIM公司推出的反转电源转换器芯片。ICL7660的静态电流典型值仅为170uA，输入电压范围为1.5~10V，工作频率为10kHz，只需要采用

几个外围电容就能够得到，使用方便。主要用于手持式仪表，数据采集，运算放大电路中。ICL7660应用电路如图3.25所示。

图3.24LT1790应用电路图3.25ICL7660应用电路

3.7小结

从传感器的描述及其功能特性介绍，分析出运算放大器的要求，根据光照度检测系统设计目标要求，分析各个模块工作原理。硬件电路为系统提供了良好的保障。

4．LED路灯照度检测软件设计

自动控制系统中，硬件部分是实现系统的基础，而软件部分作为系统的灵

魂。只有当软件和硬件相结合时，系统才能实现其价值和意义。第三章分析了

LED路灯照度检测系统硬件电路设计，介绍了各个模块的工作原理，本章主要

描述照度检测系统软件部分。

LED路灯照度检测软件部分由单片机控制、A/D

转换编程、串口通信编程、液晶显示编程组成。检测系统软件部分流程框图如

4.1所示。

图4.1照度检测系统软件框图

4.1单片机软件编程

4.1.1单片机软件设置

根据设计方案要求选用AT89S52单片机作为系统的控制芯片，起到调节各个模块工作运转的作用。AT89S52单片机的软件配置介绍如下：AT89S52单片机有6个中断源：2个外部中断源、3个定时器中断和1个串口中断。INT0/INT1：外部中断0/1，由P3.2/P3.3端口引入，低电平或下降沿有效；T0/T1/T2：定时器/计数器0/1/2中断，由T0计数器计算满后回零触发；TI/RI：串口中断，串口发送/接受一帧字符后触发。AT89S52单片机6个中断的软件基本配置有：中断允许寄存器，中断源优先级寄存器，串行口控制寄存器[54]。

中断允许寄存器IE：

中断允许寄存器用来设定各个中断源的打开和关闭，IE在特殊的功能寄存器中，字节地址为A8H，位地址分别是A8H~AFH，IE寄存器可以对每一位单独进行位寻址。单片机复位时IE全部被清0。

表4.1中断允许寄存器IE

EA：中断总允许控制位。EA=1，各中断开放，由各自中断控制位设定

ES：串行口中断控制位，高电平（1）允许中断。

ET2/ET1/ET0：定时器中断允许控制位。

EX1/EX0：外中断1中断控制位。

中断源优先级寄存器IP；

中断源优先级寄存器在特殊功能寄存器中，字节地址为B8H，位地址分别是B8H~BFH，IP用来设定中断源的优先级排列顺序。默认条件下，优先级由高到底排列为外部中断0、定时器0、外中断1、定时器1、定时器2和串口中断。

表4.2中断源优先级寄存器IP

串行口控制寄存器：用于串行口中断及控制。

AT89S52单片机有三个16位定时器/计数器，在LED路灯照度检测系统中用来控制程序延时、等时间采样、波特率等。定时器/计数器描述如下：定时器/计数器工作方式寄存器TMOD：寄存器TMOD字节地址为89H，用来确定定时器的工作方式及功能选择，单片机复位时，TMOD全部被清0，定义如表4.3所示。

表4.3定时器/计数器工作方式寄存器TMOD

TMOD分为两部分，高4位用于设置定时器1，低4位用于设置定时器0

GATE：门控制位。C/T：定时器模式和计数器模式选择位。M1M：工作方式选择位。

定时器/计数器控制寄存器TCON：

表4.4定时器/计数器控制寄存器TCON

寄存器TCON字节地址为88H，位地址分别为88H~8FH，可进行位寻址。TCON寄存器用来控制定时器的启动、停止，标志定时器的溢出和中断况。

复位时全部清0。各位定义如表4.4所示。

TF1/TF0：定时器溢出标志位。

TR1/TR0：定时器运行控制位。

IE1/IE0：外部中断请求标志。

IT1/IT0：尾部中断触发方式选择位。

IT1/IT0=0时，为电平触发方式。IT1/IT0=1，为跳变沿触发方式。

定时器/计数器中断2是不同于AT89C51单片机，定时器/计数器中断2是AT89S52特有的。

定时器/计数器中断2控制寄存器T2CON：

寄存器T2CON字节地址为C8H，T2CON寄存器用来控制定时器的启动、停止，标志定时器的溢出和中断情况。复位时全部清0。各位定义如表4.5所示。

表4.5定时器/计数器2控制寄存器T2CON

TF2：定时器2溢出标志位。软件清0。RCLK=0或者TCLK=1时，TF2不用置位。

EXF2：定时器2外部标志位。EXEN2=1时，T2EX上的负跳变出现重载或捕捉时，EXF2被硬件置位。定时器2打开，EXF2=1时，

RCLK：串口接收数据时钟标志位。RCLK=1，串口将使用定时器2溢出脉冲作为串口工作模式1和3的接收时钟；RCLK=0，使用定时器1溢出脉冲作为串口接收时钟。

TCLK：串口发送数据时钟标志位。TCLK=1，串口将使用定时器2溢出脉冲作为串口工作模式1和3的发送时钟；TCLK=0，使用定时器1溢出脉冲作为串口发送时钟。

EXEN2：定时器2外部允许标志位。

TR2：开始/停止控制定时器2。TR2=1，定时器2开始工作。

C/T2：定时器2定时/计数选择标志位。

C/T2=0，定时；C/T2=1，计数。

CP/RL2：捕捉/重载选择标志位。

控制寄存器T2MOD

寄存器T2MOD字节地址为C9H，用来确定定时器的工作方式及功能选择，单片机复位时，T2MOD全部被清0。各位定义如表4.6所示。

表4.6定时器/计数器2控制寄存器T2MOD

T2OE：定时器2输出允许位。

DCEN：置1后，定时器2配置成向上/向下计数器。

系统掉电和空闲模式：

当系统在一段时间内没有工作时，系统通过软件方式进入掉电模式。单片机掉电标志位POF位于寄存器PCON第四位，上电期间POF置位高电平“1”。在

空闲工作模式下，单片机处于睡眠状态；掉电模式下，晶振停止工作。恢复掉电和空闲模式有两种方式，硬件复位和外部中断激活系统。

4.1.2单片机编译调试环境

单片机编译调试环境选择常用的KeilC51编译软件。KeilC51是KeilSoftware公司推出的51系列兼容单片机C语言的软件开发系统，和汇编语言相比较，C语言在可读性、结构、功能和可维护性有明显的优势。Keil提供了包括C编译器、连接器、宏汇编、库文件管理和软硬件仿真调试器等完整的开发方案，通过集成开发环境将这些部件组成一起。其强大的集成环境、强大的软件仿真调试功能使得Keil应用非常广泛。

4.2A/D转换软件设计

MAX1134是16位高分辨率，使用3.3V单电源供电，双极性模式下转换速度达到150ksps，无丢失码，出色的动态特性（THD≥90dB），低功耗的A/D转换芯片。由于AT89S52不具备SPI口功能，所以MAX1134与单片机间的通信通过I/O口模拟SPI接口来完成。

表4.7MAX1134控制字节格式

MAX1134通过时钟控制字节从串行数据输入端输入到内部移化寄存器，设置A/D转换器模式。软件配置功能描述如表4.7所示，当CS变低，每一个上升沿时钟信号SCLK从串行数据输入端DIN发送一比特数据，从最高位(MSB)开始发送，8个时钟周期完成对MAX1134的软件配置。如果中间发生配置中断或者为完成8个时钟设置，MAX1134均不能完成正常的模数转换。MAX1134可用外部时钟或者内部时钟完成A/D转换，但是两种模式下均使用外部时钟将数据移入或移出。一般要求完成一次转换的周期是8个时钟信号SCLK的整数倍。MAX1134具有短采集模式(24SCLK)和长采集模式(32SCLK)两种工作模式。采用单极性输入时，输出二进制数；采用双极性输入时，输出的是二进制补码。

图4.2A/D转换流程图

图4.3外部时钟短采集模式时序图

在本系统中选用MAX1134单极性模式0~6V电压输入、外部时钟、短采集模式（24SCLK）的工作方式。转换开始前，CS为从高电平变为低电平，表示MAX1134芯片选通，开始工作。初始化设置：DIN、SSTRB、DOUT、SCLK都设置为低电平。当SCLK第一个上升沿到来时，DIN开始发送配置数据给MAX1134，通过8个时钟的数据字节发送，完成对MAX1134的设置，A/D转换器模数转换开始工作。在第7个SCLK时钟下降沿处触发SSTRB，使SSTRB上升为高电平。第8个SCLK下降沿，SSTRB拉低，数字输出开始有效，输出从最高位MSB开始。再经过16个SCLK时钟完成模拟信号到数字信号的转换。经过24个时钟周期，完成一次A/D转换，随即CS拉为高电平。随即可以进入下一个转换周期。外部时钟采集模式时序图如4.3所示。MAX1134软件读写实现代码：

在本系统中，微弱光照条件下，量程采用最高档位，放大倍数能达到10M倍，经过运算放大器输出后，输出电压含有大量50Hz工频信号。滤除50Hz工频信号可以采用陷波器，但是在光测量中，硅光电池采集到的光信号可能含有50Hz信号，因此不能直接采用陷波器。本文中采用软件方法（等周期采样）实现光照强度的准确测量。50Hz工频噪声如图4.4所示。

图4.450Hz噪声信号

不考虑噪声的变化为标准的正弦波。通过调节零电位使波谷的电压为正电压，在等周期内采样。

T=1/f

由于f=50Hz,得到T=0.02s。根据在一个周期内尽可能多的采样原则，T内采64个点，即在3.125ms内进行一次A/D转换，将周期内得到的64个转换值取平均后，即可得到电压值。

4.3量程转换软件实现

LED路灯照度测量系统在测量过程中，光照强度从微弱到高照度，量程范围要求大，能从单位勒克斯到千勒克斯，所以在自动测量过程中需要实现自动量程转换功能。本文中采用的MAX4602模拟开光，通过单片机四个I/O通信口，实现自动量程转换。MAX4602四个数字逻辑输入端口IN1、IN2、IN3和IN4分别放大倍数为1K、10K、100K、1M。模拟开关起始状态为四个导通的开关默认端口为高电平。在单片机初始化模拟开关时，设置最高量程开关导通，为高电平，即IN4=1，其余三个数字逻辑输入端为低电平。vaule=Get_number();//读取A/D转换值读取一次A/D转换值，判断vaule的大小，当vaule大于40000时，关闭该通道（IN4=0），同时打开小于一档的开关（IN3=0）。再读取一次A/D转换值，判断vaule值，循环转换量程，直到找到合适的档位。

图4.5自动量程转换流程图

4.4液晶显示软件实现

LED路灯照度检测系统显示模块采用段式液晶显示，使用用HT1621B驱动段式液晶工作。HT1621B驱动芯片为48引脚SSOP封装，4条控制线CS、RD

、WR和DATA。管脚CS设置为高电平1时，单片机和HT1621B之间的数据和命令无效。在产生命令模式或者转换模式之前，要用一个高电平脉冲初始化

HT1621B的串行接口。管脚DATA是串行数据输入/输出管脚，读或写数据通过管脚DATA进行。管脚RD是读时钟输入管脚，在RD信号的下降沿时，数据输出管脚DATA上，在RD信号上升沿和下一个下降沿之间，单片机应读取相应的数据。管脚WR是写时钟输入管脚，在WR信号上升沿时，管脚DATA

上的数据、地址和命令被写入HT1621B。可选的管脚IRQ可用作主控制器和HT1621B之间的接口，IRQ可用软件设置作为定时器输出或WDT溢出标志输出。HT1621B的静态显示内存以32×4位的格式存储要显示的数据，静态示内存的数据直接映像到段式液晶驱动器中。静态显示内存（RAM）映像图如4.6所示。

图4.6ROM映像图

HT1621B有两种工作模式：命令模式和数据模式。命令模式ID为110，命令模式包括系统配置命令、系统频率选择命令、LCD配置命令、时钟/WDT设置命令和操作命令等。数据模式包括WRITE、READ和READ-MODIFY-WRITE操作。读写操作时序图如4.7、4.8所示。

图4.7读连续时序图

图4.8写连续时序图

4.5串口通信软件

串口通信是以二进制数发送的通信方式，由于所需传输线少，广泛用于单片

机与PC机之间的通信。按照串口通信的数据的发送方式分为同步串口通信和异步串口通信。本文采用的是基于异步串口通信方式[55]在异步通信中，波特率和字符帧格式是串口通信的两个重要指标，用户根据实际情况选定。

1．波特率(BaudRate)

波特率定义为单位时间内传送二进制码位数，单位为bit／s。波特率用于表征数据传输的速度。波特率越高，数据传输速度越快。

2．字符帧(CharacterFrame)

字符帧由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位四部分构成：

起始位：占一位，位于字符帧开头位置，为低电平（逻辑0），用于表示开始发送一帧数据信息。

数据位：可以取5~8位，紧跟起始位之后，低位在前高位在后。

奇偶校验位：占一位，位于数据位后，表征通信采用奇校验还是偶校验。

停止位：通常可取1、1.5或2位，位于字符帧末尾，为高电平（逻辑1）表示一帧数据信息发送完毕，也可为下一帧数据发送做准备。串口通信工作之前要初始化串口，配置串口控制寄存器、电源管理寄存器、工作方式等。串口通信主要用于LED路灯照度检测系统的校准、测试部分，也可以通过串口通信实现照度测量仪与PC机的数据交换。在校准、测试阶段，照度测量系统上采用的是四位段式液晶，16位A/D输出的是0~65535之间的五位数，通过串口通信将数据发送到计算机端，方便实现数据的读取与存储。可以分析串口通信计算机端得到的数据，而不用读取段式液晶上显示的数据，便与记录和统计。串口发送是以位或者字符的形式发送的。A/D转换完成后，得到一个五位数，将五位数转换成单个字符，一次发送一个字符，先发送最高位字符，SBUF寄存器中发送的是ASCII码，ASCII+48得到数字字符，等待发送中断信号(TI)，如果发送完毕TI置为1，跳出循环等待，TI中断软件置0，在串口通信终端显示最高位。连续发送五次，得到一个没有校准的照度值，得到一个数据后，发送一个空格表示一次发送完成。

串口通信实现代码：

4.6光照强度标定软件实现

LED路灯照度检测系统作为仪器仪表，在没有标定的时，不能用于测量，只有按照仪器仪表标准，通过仪器仪表技术要求，才能用于测量。所以，当LED

路灯照度检测系统没有标定的前提下，系统还不能正常工作。

图4.9光轨示意图

照度测量系统标定要求[56]：

标定装置要求：光度标定装置由光轨、滑动小车、光阑、灯架和灯丝调整仪

组成。光轨长度为6m，光轨平直性的误差不超过±1mm，平直性良好，测距米尺1m内的误差不大于0.2mm照度检测标定环境要求：要在暗环境下进行校准，环境温度应保持在(20±5°C)，空间湿度小于85%RH，标准灯参考国家发光照明委员会CIE的要求，采用色温为2856K标准光源。

图4.10照度标定用光轨

把照度测量用的传感器和标准灯安放在光轨上，调整标准灯灯丝面和光传感器的

测试平面，使两个平面和光轨的水平测量轴线垂直，并且中心点位于轴线上。要求标准灯的灯丝平面与光传感器间的距离至少大于光传感器测试面最大限度的15倍以上[57-58]。在光传感器和标准灯之间放置几个光阑（孔径大小合适），不允许挡住由标准灯灯丝和灯壳发出的光照射到光传感器测试面上。设置光阑主要是防止杂散光进入到光传感器中，影响标定结果。标定用光轨示意图如图4.9所示。图4.10为暗室现场图。固定光传感器位置，揭开光传感器盖子，调节测试平面与标准灯面平行，改变标准灯与光传感器之间的距离，光传感器在多个位置得到不同的照度值，根据光照度平方反比定律

E=I/r^2（4.2）

式中：E：测试面的标准照度值，单位为lx；

I：标准灯的发光强度，单位为cd；

r：标准灯的灯丝平面到光探头测试面的距离，单位为m。

改变灯丝平面与光传感器间距离，根据距离平方反比定律，多次重复测量结果，经最小二乘法线性拟合，得到所需定标校正照度值。

4.7小结

结合LED路灯照度检测硬件电路，设计系统工作软件，包括控制部分，信号采集部分，显示部分的设计，使照度检测系统正常稳定运行。

5.系统噪声分析及处理

5.1系统内部噪声及处理

5.1.1电阻热噪声

电阻或者导体在不加信号源或电动势的前提下，而且两端也没有电流流过，如果将电阻接到放大器后，用示波器观察发现，两端会出现噪声电压起伏变化，这种噪声称之为电阻热噪声[59]。电阻热噪声起源于电阻或者导体内部电子的随机自由运动，导致电阻或导体两端电荷的短暂堆积，形成噪声电压。噪声电压是自由电子运动产生的，当温度升高后，电子运动加剧，因此噪声电压随温度上升而变大。从统计学角度分析热噪声，噪声电压服从高斯分布曲线。

5.1.2工频噪声

在以交流电源供电的系统中，普遍存在工频噪声。工频噪声通过各种方式进入到测量系统中，与被测量信号叠加在一起，使测量值出现偏移，直接影响到测量准确度，有时甚至造成不能直接测量，因此在对微弱光信号测量的影响尤为显著。

常见的工频干扰源：大电流工频线引起的工频磁场；高压工频线引起的工频电场；实际工频线引起的工频电磁场；工频地电流；电源变压器引起的工频磁场；电源变压器引起的容性泄漏；软起动器、变频器等调速、变流装置产生的谐波干扰等等。由此可见，工频噪声的影响是广泛存在的[60]。由于不存在绝对的绝缘材料，所以工频噪声电压能通过泄漏电阻渗入测量系统中。

通常抑制工频噪声的方法有正确的接地方法、良好的屏蔽、设置保护环、采用高共模抑制比CMRR的运放放大电路和窄带滤波器或陷波器。在多数时候，即使采用了抑制工频噪声的措施，并不能彻底消除工频噪声干扰。另外，工频噪声中还存在谐波噪声信号，而且谐波噪声的频率高，即使噪声分量很小，通过电磁耦合和分布电容进入检测系统的分量较大。因此，只有采用合理的微弱光信号检测技术才能有效地消除和抑制工频噪声。

5.1.31/f噪声

1/f噪声是由于两种导体间相互接触点的电导随机涨落而引起的，导体间接触不理想的器件都存在1/f噪声，因此1/f噪声又称为接触噪声[61]。约翰逊与1925年首次发现1/f噪声，随后的几十年，1/f噪声抑制是国际物理机理研究的热点，分别提出了迁移涨落模型、表面载流子数涨落模型和量子1/f噪声理论。

5.1.4散弹噪声和爆裂噪声

散弹噪声又可以称之为散粒噪声，与越过势垒的电流相关。电子或空穴的随机发射运动导致流过势垒的电流在其平均值附近随机起伏，从而引起散弹噪声出现。在半导体器件中，越过PN结的载流子的随机扩散运动以及电子空穴对的随机产生和复合过程导致产生散弹噪声。

当流过PN结的平均直流电流为100mA时，设测量带宽为10kHz，则PN结产生的散弹噪声电流有效值为17.9nA，在测量微弱光照条件下的光照强度时，传感器输出电路信号甚至小于散弹噪声电流有效值，要准确测量光照强度，需要减小PN结散弹噪声信号，一般情况下的做法是减小测量带宽和减小平均直流电流。爆裂噪声是流过半导体PN结电流的突然变化而引起的。爆裂噪声的引起的原因是半导体中的杂质能随机发射或捕获载流子。通常爆裂噪声由一系列宽度不同，而幅度基本相同的随机电流脉冲组成，脉冲宽度一般为微秒到秒级别，脉冲幅度为1nA~0.001uA，频率小于几百赫兹。如果将爆裂噪声放大并送到扬声器中，可听到类似于爆米花的声音。散弹噪声和爆裂噪声同属于电流型噪声，在光照强度测量系统中，光传感器输出的是电流信号，放大方式采用的I/V

放大，因此在设计过程中应尽可能减小电路中相关电阻阻值，同时采用滤波措施。

5.1.5地噪声

光照强度测量系统工作时必然存在工作电流，由于测量系统的复杂性，地线回路难以做到尽可能的短，另外PCB板面积空间的约束，地线回路的宽度难以做到足够宽，因此地线回路就存在一定的阻抗，电流流过地线，地线上会产生压降。当测量系统的工作频率较高或者存在频率较高的数字电路，地线上除了直流压降外，还会引起交流噪声。数字电路产生的地线噪声是很不容忽视，地噪声不但与其工作频率有关，还与开关速度密切相关。当一条长度为2cm宽为6mm的地线的，电感约为10nH，流过电流为10mA，频率为1MHz正弦波电流的地线压降为1mV，而如果一个数字集成电路的上升或下降沿时间为10nS，电流为10mA，那么该地线上产生的峰值噪声电压可以达到16mV。地线除了存在分布

电感和直流电阻引起地线压降外，频率较高时，还存在趋肤效应引起的阻值变化，

同样会产生地线噪声。测量系统除了存在数字电路引起的地线噪声外，还存在调

制引起的信号幅度的变化导致的模拟放大电路工作电流的变化产生的地线噪声。

另外，电源电压本身的纹波噪声也会引起工作电流的变化，从而产生地线噪声。

由此可见，地线噪声对微弱光信号的检测有着不可忽视的影响。

5.2运算放大器的噪声

微弱光信号检测的目的是从噪声中恢复被检测光信号。为了能把微弱光信号

放大到可以感知的水平，需要采用放大电路，但是在放大光信号的同时也将噪声

放大，而且放大器本身还会产生额外的噪声，因此在设计放大电路时，要选择合

理的放大电路，还要考虑放大器芯片的选择。运算放大器引起的噪声主要由输入失调电压和输入偏置电流组成。噪声模型如图5.2所示，I+、I-为运放输入端偏置电流，VOS为输入偏置电压。

图5.2运算放大器噪声模型

5.2.1输入失调电压

在理想状况下，当输入运放的两个输入端的电压相同时，输出电压应该为0V，在实际情况下，必须在两个输入施加一个小电压才能使输出电压为0V，这样的

微小电压称为失调电压VOS输入失调电压可以看作一个串联在运算放大器反相输入端得电压源VOS，对应输出失调电压等于输入失调电压乘以直流噪声增益。本文中采用ICL7650运放芯片，失调电压OSV只有0.6uV，有效的减少失调电压对于光照强度测量的影响。

5.2.2输入偏置电流

理想条件下，流入运放输入端得电流为零，但是实际上，运放的两个输入端都有电流输入，分别BI+和BI−。当反馈电阻足够大时，会产生比较大的误差。例如BI为10nA，反馈电阻R为1MΩ，那么有10mV的电压误差。采用ICL7650运放，输入偏置电流只有50pA，当前级放大电路为最大量程100KΩ时，电压仅5uV，极大的提高了测量的准确性。

5.3PCB布线处理

绘制光检测系统PCB时，要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时，导线长，

阻抗增加，抗噪声能力降低，成本增加；尺寸过小，则散热不好，而且邻近线条

易受干扰。根据系统各个功能模块，对检测系统进行布局。LED路灯光照强度的测量系统中，有微弱信号采集电路、数字处理电路和电源电路，电路之间的布局各不相同，之间产生的干扰和抑制方法不相同。因此要将数字处理电路、微弱信号采集电路和电源电路分别分开放置，布局中还要特别注意强、弱信号的传输方向性问题。相同模块电路的器件应尽量靠近放置，这样可以获得良好的抑制噪声的效果。PCB布线原则之一就是各器件间的引线要尽量短，微弱信号采集电路和数字电路合理的分开，使相互间的信号耦合最小。光信号采集模块中输入的光电流信号非常的小，在PCB布线处理时，放大芯片ICL7650的输入引脚采用隔离岛，将输入引脚抬起来，不和PCB连接，直接将光传感器的输出引线接到悬空的隔离岛上，反馈电阻和反馈电容回路的端连接到隔离岛。由于漏电流的不确定性，即使PCB板阻抗很高，输入端的电位差也不能忽略。前置运算放大电路对于电源的要求也很高，微小的电压波动会引起测量误差，所以在靠近运放的供电电压加0.1uF、0.01uF的陶瓷电容，减弱电压中的高频噪声。（1）电源模块要求：稳压输入端接入100μF以上的电解电容，输出端接同样接

100μF以上的电解电容，并且加0.1uF陶瓷电容，电容布局时，尽量靠近输入/输出端。（2）A/D转换电路PCB布线要求：保证数字信号线和模拟信号线相互分开，模拟信号线和数字信号线严禁平行布线，电源接地和旁路处理。（3）地线要求：系统板为单点接地，数字地和模拟地构成各自的通路，数字地和模拟地用零欧姆电阻连接，构成闭环回路。尽量加粗地线，若地线很细，接地电位随电流的变化而变化，使设备信号不稳定，抗噪声性能变坏。根据电路布局，地线回路从数字信号开始，到A/D转换芯片，最后连接到运放地端，形成从强到弱的回路。PCB板覆铜，没有用到的区域用一个大的接地面覆盖，提供屏蔽盒增加电路去耦的能力，覆铜回路要求按照从强到弱原则。在前置运算放大电路PCB

板加屏蔽罩，减少外界电磁、工频噪声的影响。

5.4小结

分析了LED路灯照度检测系统内部噪声，运算放大器噪声以及其他外部噪声，并采取有效措施有效抑制噪声，通过系统硬件PCB布线处理，提高系统抗干扰能力。

6.系统测试

6.1系统硬件电路测试

6.1.1模块化测试

焊接电路时，先将电源部分焊接好，焊接时注意稳压芯片不要反接，焊接要良好，用电压表测试输出电压是否稳定，确保电源部分正常稳定。然后焊接贴片元器件和放大电路部分，最后焊接单片机电路。系统焊接完成后，用万用表测量贴片封装的芯片引脚是否有短接或没有虚焊的引脚，然后仔细检查PCB是否都焊接良好，检查通过后，接上电源开关，给系统通电，用手看看稳压芯片是否发烫，如果稳定良好，说明电路没有短路。通过串口给单片机下载程序，控制LCD

显示、控制模拟开关和A/D转换测试。

6.1.2系统整体测试

系统硬件整体调试完成后，下载软件代码，系统开始运行工作，液晶显示A/D转换值，通过串口通信发送A/D数据到上位机，串口数据显示如图6.1所示，并对完成系统的校准工作，使系统检测达到检测标准要求。

图6.1串口接收端

系统校准后，测量光照强度，系统实物如图6.2所示，当前照度测量显示值为

11.10lx。

将系统放置在暗环境中，打开光源，等光源发光稳定后，开始测量光源光照

强度值，同一位置测量五次，并且用标准照度计在相同位置测量光源照度值。改

变光源强度或者改变光传感器与光源之间的距离，光源稳定后，测量光源照度值，

重复多次得到表6.1。由表中可以看出，当光照强度越弱时，硅光电池输出电流

信号越小，有效信号系统引入的噪声信号影响越大。照度值在小于1lx时，系统测量误差增大。在小于1lx照度条件下，检测系统有待改善。在大于1lx光照条件下，系统的测量误差小于±3%，达到国家照度计一级标准要求，重复性测量误差小于±1%。

表6.1系统测量值

6.2误差分析及处理

在LED路灯照度检测系统中，光传感器、运算放大器、A/D转换器等硬件电路都会受不同程度的各种因素影响，使光照度检测的测定值与真实值之间造成差异。差异可归结为两类：随机误差和系统误差。系统误差是在同一条件下多次重复测量。误差大小和符号保持不变，或按某一确定规律变化，是系统的固定误差。

LED路灯照度检测系统系统误差来源主要有以下几方面：1.硅光电池特性所造成的误差；2.运算放大电路引起的误差；3.A/D转换器电路引起的误差；4.外围电路接口电路引入的非线性误差。减小系统误差的主要措施有：选用稳定性高、暗电流小、输出线性度好的硅光电池；选用低泄露电流、低失调电压的斩波稳零运算放大器；选用高精度、误码率低的A/D转换器，采用高精度、温漂系数低的反馈电阻，和聚丙烯反馈电容。部分系统误差采用软件补偿的方法消除。

随机误差是系统随机变化引起的误差。在同条件下多次重复测量，误差存在的不确定性的变化，但是随机误差服从统计规律，以相同条件测量时，根据时间平均和总体平均方法。随机误差之和为零，测量值的数学期望等于真实值。随机误差主要由供电电源波动、电路噪声、外界环境引入等等造成的。减小随机误差的措施：PCB布线时，尽量减少阻抗干扰；系统采用屏蔽方式减少外界环境干扰；软件采用A/D转换多次采样取平均的方法，减小随机误差。

6.3小结

主要分析系统模块工作状况，测试各个模块运行性能，完成系统测试，

分析系统存在的误差以及误差处理方法。

7．总结与展望

本文通过分析国内外传统光源光电检测发展趋势，以及传统光源与LED光源光电检测的区别，探讨LED光电检测的发展趋势。针对目前LED路灯光学性质检测的存在问题，提出了LED路灯光照强度测量系统方案，验证了系统软硬件设计，完成了照度自动测量系统的校准工作，使系统达到照度检测要求。本文的主要的研究内容有：1.分析传统光源光电检测与LED光源检测区别，LED光源检测的发展趋势。通过分析，本文中采用灯具旋转式测量方法，通过旋转LED

灯具，固定光传感器的方法测量光学参数。2.对光传感器的研究分析，并通过加滤光玻璃完成光传感器的人眼视觉V(λ)光谱修正，确保检测的准确性。选择恰当的前置放大电路减少干扰、提高信噪比，设计二级放大电路、A/D转换电路、显示电路等，提供串口通信为LED路灯光学检测提供良好的外部接口3.完成照度自动检测系统的软件设计，包括控制部分、A/D转换和显示部分代码编写工作，并校准照度测量系统。4.系统测试，检验系统工作的准确性和稳性。通过对系统噪声的分析，采取有效措施减少噪声的干扰。由于时间和人力的限制，只是完成了光照强度的测量，作为完整的LED路灯光学检测系统，还有光通量、颜色指标特性等参数，以及LED路灯灯具旋转台的控制系统与各传感器的结合未能实现。离实际应用有一段距离，还需要进一步完善，今后可以从其他参数测量模块的设计，以及各个模块集成为整体测量系统来开展研究。1.照度检测系统改善。采用量程范围更宽的采集系统，通过多个光传感器准确测量微弱光照强度。在微弱光照条件下，可选用光电倍增管测量，普通光照条件下采用硅光电池，通过通道切换实现从极微弱到强光照条件下的精确测量。2.其他光学参量测量。光通量、相关色度等光度量的检测模块设计。由于LED路灯灯具的特性适宜采用分布式方法测量。3．LED路灯旋转台。该系统采用的是LED灯具旋转，传感器固定不变的方案，需要设计路灯灯具旋转台，通过电机上下、左右移动，实现灯具全空间内的测量。4．检测系统各个模块集成。光电检测传感器部分固定在检测的一端，控制LED路灯灯具台，旋转灯具的同时发送坐标指令给系统，将每个坐标上采集到得数据存储在上位机上，通过图形界面显示测量图，并且可以通过鼠标点击查看坐标点上的光学参数值，实现LED路灯光电检测的自动测量。距离完整LED路灯光电测量系统还有很多工作要做，今后需要其他人来参与研究，实现其意义。

这次毕业设计能取得圆满的成功离不开我的指导老师刘伟老师的细心指导、，在此，我真心的感谢我的指导老师给予了我关键性的理论指导，让我才能顺利完成此次的毕业论文设计。同时我也感谢学校对本科教育的重视，使我学到了很多实用的知识和技能，在本次的设计中都得到了实践。最后，还要感谢在我编写论文期间给我提供过技术上和知识上帮助同学，没有你们的帮助，我不可能完成此次论文，谢谢你们！

最后，还要感谢学院的各位领导。你们一直关心我们的健康成长，帮助我们形成健康的人生观、世界观、价值观。还有辅导员曾振华老师，您总是在生活中的各个方面各个细节给我帮助，我还要感谢周口师范学院，在这里的四年了我不仅学到的是书本上的知识还有做人的道理。我只想说：母校，我爱你！

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