霍旭陽 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。通過對(duì)直流信號(hào)的測(cè)量可以得到光的強(qiáng)度,通過軟件設(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。通過以上電路處理,可以得到工頻信號(hào)所占的百分比,通過百分比系統(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。之后通過平均值來計(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
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。
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