灯光品质检测仪的设计

霍旭阳 齐秋菊 沈俊廷

摘   要：众所周知灯光的品质对视力影响很大，针对市场上没有能够直接量化灯光品质的仪器，本文提出了一种灯光品质检测仪的设计方案，以STM32单片机为控制核心，配合运算放大器组成的信号采集、处理电路，通过程序的算法处理够得到灯光的亮度和频闪程度等参数。通过检测可以了解灯光品质，从而避免劣质灯光对视力的影响，对保护人类视力具有重要意义。

关键词：灯光品质  频闪  检查

中图分类号：U472.9                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）11（b）-0084-02

所谓灯光的品质主要包括灯光的强度和灯光的频闪，对于灯光的强度市场上已经有相关的检测设备，而对于灯光的频闪人们通常采用手机摄像状态检测或者采用专用检测陀螺进行检测，但是上述两种方法均无法量化灯光的频闪强度。随着时代的进步，人们已经越来越关注灯光对视力的影响，因此本文设计的灯光品质检测仪克服了上述技术缺陷，采用光电传感器作为信号采集元件，经过对信号的多级处理，可以得到光照强度和光源的闪烁频率，结构设计合理，工作安全可靠。

1  电路总体设计方案

本设主要电路包括：信号采集电路、信号处理电路、单片机电路、显示电路等。本文重点介绍对于灯光信号的采集和处理，这部分包括光信号采集电路，直流信号提取电路，工频信号提取电路以及高频信号提取电路，对于工频信号和高频信号要进行幅度和频率的检测，所得数据进入单片机进行处理。

1.1 光信号采集电路

本设计采用硅光电池对灯光信号进行采集，硅光电池的输出电压随光强变化较小，无法建立线性关系，但电流随光强是呈线性变化，所以设计中将硅光电池输出的电流信号作为采集对象，即将采集到的光信号转变为电流信号。由于后续电路的需要，要将硅光电池输出的电流信号变成一个电压信号，所以在硅光电池的输出端连接运算放大器构成的电流转电压的电路，完成从电流到电压的转换。

1.2 直流信号提取电路

由传感器采集的信号里面包含着直流信号和交流信号，其中交流信号又包括工频信号和高频信号。如图1所示，对于直流信号的提取，本设计采用OPA2376运算放大器搭建的16Hz的低通滤波。OPA2376芯片内部含两个低噪声、轨对轨输入的运算放大器，不论是供电还是功耗方面都可以满足需求。通过对直流信号的测量可以得到光的强度，通过软件设计，可以实现对光强的报警。

1.3 工频信号提取电路

所谓工频信号就是指电力系统中的设备所采用的额定频率，我们国家的额定频率是50Hz。对于我们常用的灯光中，对视力影响最大的就是工频信号，所以对工频信号的提取是非常必要的。图2所示，本设计中首先用16Hz的高通滤波电路滤除直流信号;然后用1.6kHz低通滤波电路，滤除高频信号;经过以上两个滤波电路后，信号中主要成分就是工频信号，最后再用包络检波电路得到工频信号的幅值。同样，这个通路中的运算放大器仍然采用OPA2376，由于设计中的运放都采用单电源供电，所以运放都接了1.6V的虚拟地，这样可以避免信号的失真。通过以上电路处理，可以得到工频信号所占的百分比，通过百分比系统会给出对灯光的分析和提示。

1.4 高频信号的提取电路

当光波频率很高的时候，人眼就无法分辨，所以灯光中的高频信号对视力的影响较小。但为了更准确地分析光源成分，本设计中还是提取了其中的高频信号。对于高频信号的提取首先进行1.6kHz的高通滤波，滤除到低频信号，然后同时进行包络检波和滞回比较电路，可以分辨得到信号的幅值和频率。

1.5 其他电路

设计中除了对光信号的采集、分析、处理电路之外，还要有供电电路、单片机电路以及显示电路等。其中电源电路中充电部分是采用TP4056芯片构成，可以对容量2000mAh输出电压5V的锂电池进行充电，所述信号采集电路、工频信号提取电路及高频信号提取电路中需要5V和3.3V两种电压，设计中采用SP6201芯片，可以将5V电压转换成3.3V电压。设计中的单片机采用STM32F103，该单片机最小系统电路详见手册，显示器采用的是7英寸的12864液晶，该液晶可以直接由单片机控制进行显示。

2  软件设计方案

2.1 主程序设计

进入主程序完成初始化后，开始进行信号的采集，并且累加。为了提高数据的有效性，我们进行数据的累加后取平均，累加次数为120次。之后通过平均值来计算光照强度以及工频和高频的百分比。最后的计算结果，通过调用显示函数进行显示。

2.2 子程序设计

子程序包括：直流分量的计算、工频分量的计算、高频分量的计算等。设计中直流分量的计算，可以采用拟合的方法，将AD转换的数据和光照强度建立一个线性关系：y=Kx+b，其中的x为AD数据，y代表光照强度，将采集到的数据代入公式可计算得出K和b。另外，工频分量和高频分量的计算都要参考运算放大器的放大倍数

3  结语

综上，本设计可同时检测到具体的光照度、工频频闪及工频频闪所占百分比、高频频闪及高频频闪所占百分比;同时还可以根据检测到的数据给出不同的提示信息，适用于检测不同灯具或发光器具的光源品质，可广泛用于工厂、学校、家庭。

参考文献

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