摘 要： 为了测量LED的照度，在分析光电池工作原理的基础上，设计了以单片机为基础的光照度测量系统。系统由光电池、A/D转换器件、集成运放、温度传感器和单片机组成。为了克服光电池的温度非线性影响，采用了分段法进行最小二乘标定，即根据标定数据分别采用线性和非线性标定，测量时对温度曲线查表线性内插。测量系统具有原理清晰、结构简单、读数容易、系统线性等优点。经实验测试，表明测量系统性能良好，实验结果可靠。
关键词： 光照度；测量；硅光电池；单片机；分段法标定
大功率LED广泛应用于室内照明，无论采用发光阵列法还是采用二次配光法，既要保证光照度大小满足规范要求，又要保证室内照明的均匀性[1-2]。传统测量仪器如TES1330A是以数字仪表ICL7135四位双积分A/D转换芯片为核心器件，用CD4511译码器驱动液晶显示测量值。目前对照度测量的方法有：利用ATmega16L单片机自带的A/D转换测量曝光成形的视图平面照度[3]；采用数字照度传感器BH1750实现多功能照度计[4]；用PIN光亮度传感器LX1970和单片机AT89C51测量光照度，并控制室内照度[5]；用PIN管和高精度集成运放对UV灯的辐照度进行测量以保证UV灯具的质量[6]。为了精确测量LED的照度及分布，本文设计了以单片机为主的测量系统。系统以硅光电池为主要器件，用集成运放将光电流转换成电压，然后进行A/D采样电压值，用分段最小二乘法标定从而间接测量光照度。将该系统用于实地测量，系统具有快速、稳定、准确等特性。
1 系统设计
1.1 系统总体组成
本测量系统的结构如图1所示。系统主要由单片机、光电池、电流转换电压放大、A/D转换、温度测量、键盘输入、LCD显示及RS232通信模块组成。单片机采用普芯达公司的8位CW89F52型单片机，它内含8 KB Flash ROM和512 B RAM，兼容标准MCS-51单片机指令和管脚，主要用于数据采集与数据处理。测量光照度的传感器为硅光电池，它输出的短路电流与输入光照度成正向比例关系。采用德州仪器的LM358将光电流转换成电压并进行放大。为了保证测量具有一定的精度，A/D转换采用美信公司的12位低功耗模数转换器MAX187。系统工作时并对环境温度进行测量，温度模块则采用DHT11温湿度复合传感器，主要用来测量环境温度和湿度。显示模块利用LCD1602显示照度、温度及湿度。RS232串口通信模块采用PL-2303 USB桥接芯片与单片机串口相连，一方面用于单片机下载程序，另一方面用于与上位机通信，进行数据处理。键盘输入模块主要用于系统的功能选择。
1.2 光电池选择
系统的传感器选用龙信达公司的LXD6×6CV硅光电池，其光敏面积为5.7 mm×5.7 mm，波长响应范围为320 nm～1 100 nm，峰值波长为760 nm。这种传感器在可见光范围内有良好的灵敏度，广泛应用于光学领域的光度计、白度计、光功率计等方面。光电池的基本结构是一个PN结，在光照下能产生光电流。在检测时需要使其工作在短路电流方式下，此时的光电流与输入光照度成比例变化，这个点即为线性工作的临界点。临界状态时的输出电流接近于短路电流，它与输入的光照度关系为：
根据式(2)，只要测量出Usc和标定出光照灵敏度便能得到光照度。
光照度定义为单位面积接受的光通量，光学量与辐射量之间的关系决定于人的视觉特性[7]。根据参考文献[4]，传感器的光谱响应应与人眼一致，光学量与辐射量之间与单色光的绝对光谱效率成比例关系，否则需要修正。由于硅光电池存在峰值波长及光谱曲线不匹配，为了正确测量出光照度值，系统的光电池上加上了蓝色滤光片进行光谱校正。该滤光片的作用是使它的“光谱响应度”或“视见函数”与国际照明委员会明视觉光谱光效函数相匹配[7]。
1.3 信号处理电路设计
系统的信号处理电路包括电流-电压转换电路、有源滤波电路、电压放大、电压跟随电路，其结构如图2所示。
1.4 数模转换和温度模块
设计的模数转换及测温接口电路如图3所示。前期实验测量采用8位、10位A/D，由于分辨率过小，测量光照度精度不是很理想。因此采用MAXIM公司的12位串行A/D转换器件。它由单电源5 V供电，其串行外设总线接口既简化了接口电路又便于软件编程，只需3根线与单片机相连，具体见图3。单片机通过P1.0口与MAX187的串行时钟SCLK相连接，并为其提供外部工作时钟。MAX187的片选端口与单片机P1.1连接，串行数据输出DOUT与单片机P1.2连接。注意编程产生的串行时钟不得超过5 MHz，采用外部参考电压且为5 V。
为了测量在不同温度下输出电压与输入光照度的关系，设计了DHT11测量实时温度和相对湿度模块。DHT11是已经校准的单总线数字信号输出的温、湿度复合传感器，由一个感湿式电阻元件和一个负温度特性的热敏电阻组成。校准系数存储在传感器内部ROM，测量的数据通过DATA单总线与单片机进行通信，一次通信时间约为4 ms。完整的数据为40位，高位先出，其格式为：8位湿度整数数据、8位湿度小数数据、8位温度整数数据、8位温度小数数据及8位校验和。
1.5 系统余弦修正
传感器的接收表面会将斜向输入传感器表面的光线部分反射，根据照度的定义可知它是投影到单位面积的光通量，系统采用的传感器表面积较大，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，修正时按照余弦关系进行修正。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漫散射器件。本系统采用内径22 mm、高18 mm的乳白色塑料半球进行余弦修正。
2 测量实验及数据处理
2.1 照度、电压关系测量实验
为了研究传感器在不同温度下的输入输出特性，设计了传感器特性测量实验，将LED灯改成高度可调以达到接收照度变化的目的。设计的单片机程序首先测量环境温度，然后对输出电压进行A/D采样，对应一个照度值测量10次输出电压并取算术平均送LCD1602显示。同时，将照度计放置于与测量系统等照度位置，记录输入的照度值。分别测量了室温在28 ℃、25 ℃、23 ℃、21 ℃、18 ℃、16 ℃下的输入照度和输出电压，并用Matlab7.0软件得到如图4所示光照度-电压关系图。图中的虚线为不同温度下的测量值连线。图4表明输入光照度与电路输出电压不完全是线性比例关系。系统可采用3次曲线拟合，拟合的曲线公式为：
图4中5条曲线从左至右分别为28 ℃、25 ℃、23 ℃、21 ℃、18 ℃、16 ℃的测量曲线，由图可知，28 ℃时输入照度在1 160 lx以下线性关系较明显，超过此值非线性效应明显。25 ℃、23 ℃、21 ℃、18 ℃、16 ℃时输入小于1 400 lx为线性关系。1 400 lx附近为线性区域与非线性区域的临界点，即大于1 400 lx非线性效应较明显。因此，可以根据式(4)进行反演，通过测量电压值反算出照度值。将式(4)变换为：
非线性区间则按式(5)用最小二乘法求得不同温度下的系数，见表1。直接将表1的系数保存在单片机程序段。测量时，单片机先获取环境温度，然后对电压A/D转换，并计算电压大小。当电压值≤0.25 V时，直接用线性插值方法计算光照度；否则通过温度查表得到系数计算照度。如果温度不在表中范围，可以查出相邻温度系数得到照度，然后用线性插值方法求出对应温度的照度。
2.3 测量误差分析
为了研究采用上述方法设计的数字照度计的精度，将该照度计和TES1330A照度计分别对大功率LED灯的照度进行测量，结果如表2所示。其中测量值为本设计照度计所测，对比值为TES1330A照度计所测。
实测数据表明，测量值和对比值在线性区域的偏差较小，在非线性区域偏差较大。例如光照度在3 000 lx时，测量值为2 931，对比值为2 980，相差49 lx。根据表2数据计算出的标准差为±7.001 5 lx。
应用上述方法设计了光照度测量仪，并用于大功率LED灯光照度测试。系统以硅光电池作为传感器，并进行了光谱函数补偿、余弦修正和零点修正。设计的照度计结构简单，测量精度在10 lx以内，测量照度范围在0～3 000 lx，数据处理将区间分成两段，分别采用线性曲线和非线性曲线标定，有效地解决了光电池存在的非线性问题。在实际应用过程中取得了较好的效果。
参考文献
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