一种适于公路长隧道光照度动态检测系统的设计.doc

一种适于公路长隧道光照度动态检测系统的设计摘 要：本文介绍一种适用于公路长隧道光照度动态检测系统的设 计方案、基本原理，该系统采用车载方式动态检测长隧道的平均照度、 照度均匀度、平均亮度、亮度均匀度等，系统以C8051F061单片机为核 心，实现了能满足于长隧道光照度动态测量量程宽（2〜3 000 lx）,信号 采集速度快（10次/s）的主要技术要求，并具有测量效率高、准确性高和 安全可靠等优点关键词：长隧道；光照度；动态检测；车载式；准确；安全引言 公路长隧道照明有一定的特殊性：为保证行车安全，汽车进入较长 的隧道时，为防止视觉上出现“黑洞效应”，车辆进入隧道后，道路的 照度应逐渐降低（通常照度由2 000 lx以上逐步减小到数十lx）；同样， 车辆驶出隧道时，为防止出现失能“眩光”问题，照度应逐渐提高（照度 由数十lx逐步增加到2 000 lx以上），如图1所示普通车载式照度检 测系统测量范围小（2 lx〜200 lx），无法满足隧道内道路照度检测要 求因此，在当前的隧道照明检测中，通常使用照度计采用传统的人工 逐点测量的方法来检测照度，而此方法存在检测效率低、安全风险大等 弊端100 lx隧道出口隧道深度 I视觉适应区"照度值2 000K图1 长隧道照明照度分布Fig.1 Illuminance distribution of the long tunnel lighting隧道中间段隧逍入口 * 视觉适应区I针对以上问题，我们设计了一种照度测量量程宽（2 lx〜3 000 lx）、高精度（分辨率0.05 lx）、多量程自动选择的长隧道光照度动态检 测系统，用以解决隧道照度检测问题。

实验测试表明，该系统测量精度 高、测量结果一致性好、工作稳定可靠1 技术指标和技术特点1）技术指标：①测量范围：2〜3 000 lx；②精度范围：±3% rdg土 0.5% f.s.(〈10 000lx), ±4%=〃〃 rdg±10二〃〃 dgts(="">10 000lx),(以 色温2 856 K标准平面灯校正）；③RS232传输速率：9 600 bps;④工作电 压：±5 V;⑤工作环境：-20 °C〜75 °C;⑥取样率：2次/s2）技术特点：①在照度测量范围大至2 lx〜3 000 lx的范围内能实 现在自动换档的前提下保持全量程的良好的测量准确性和可重复性以及 良好的电磁兼容性能②既要实现量程自动选择，又要防止出现量程频 繁切换；采用有效的硬件设计和软件处理相结合的方法从而有效地将档 位相对误差降之最低③降低噪声与抗干扰设计本系统照度分辨率为0.05 lx（对应的A/D转换电压分辨率为0.036987 mV）,如何降低电路噪 声和干扰，提高照度数据的采集精度也是一个技术难点在PCB设计中 采用多种措施降低系统内噪声、干扰；系统组装时,将电路板置于金属 盒中、信号线采用屏蔽线等多种措施降低外部干扰。

2 系统设计长隧道光照度动态检测系统的系统结构如图2所示5Z> CH340G呈程控制ICD4O66}【①轮換电賂 （0”］⑼制〔CD4W册(OP27)电HlQ峯 (OP27)HU转换电路 (OPA129)I ； 电源屯睡电压取样RS-232端口-5 V稳圧+3 S V稳压电源电路 （7 4 V裸电池}负电融产出电肉 （MAX阿电池氏压戕警dffliSi)（通逍QSP3232图2 系统结构框图Fig.2 Frame map of the systemATX：a片〔1他ADO 1 厂 — t —VREF0 ；UAR1X)「 jADCI气(]幽ADC]1驱1 !1内楼|厂缶］」厂t控制器8051F06I| 'lOfiAJJC〔屯池电量担测）UART1J 一自动星理选择光源发出的光经照度传感器转换为光电流信号，光电流经I/U转换 电路转换为电压信号，再经可编程放大后，送入C8051F061内的16位 A/D转换器中转换为数字信号，该数字信号的大小反映了光照强度的大 小由于隧道照明中，隧道入口和出口段的光强远比隧道中段的光强 大，因此所设计的照度检测系统必须有较大的测量范围但是，很难保 证在整个测量范围内传感器的光电流与光强成严格的线性关系，因此将 整个测量范围划分为 4个量程，对不同量程微调电路增益，从而在整个 测量范围内都有良好的测量精度。

电压放大器（0P27）设计为反相比例运 算电路，C8051F061控制模拟开关CD4066选取不同的反馈电阻，从而实 现不同量程电路增益的调整，但4个量程自动切换A/D转换后的光强数 据经数字滤波后，从 C805F061 的 UART0 或 UART1 上传到上位机中进行进 一步处理考虑到当前有些笔记本电脑没有 RS-232 接口，系统中设计有 USB接口，可直接与笔记本电脑的USB 口相连，为实际应用提供便利整个测试系统采用7.4V锂电池供电，长时间使用后，锂电池电压降 低到6V时，会影响测量精度为此，电路中设计有电池电量检测功能， 当电压降低到6.0V以下时，发出电量不足的报警信号，提示用户需要对 电池充电2.1 系统硬件结构1） 信号调理电路（图3）光源发出的光经照度传感器转换为光电流信 号，光电流经0PA129转换转换为电压信号，再经过0P37及74HC4066组 成的可编程放大器放大后送入A/D转换器2） 控制及转换电路（图4）控制及转换电路由单片 C8051F061 构成 信号调理电路输出的信号送入C8051F061内的2通道16位A/D转换器， 转变为数字信号屯路.输出信号至ADC. 證大断300 5!L V对边同娈y 300 h抉外邯光电一-松& 朮吐管阳扱接地4CSLNSOR2PI 一KT40.1 UIMONO图3信号调理电路Fig.3 Signal circuitGNU~f~ cc"■M:ZKiR：血GNDX7 :AGNDDAGNDAGNI?6ND中片机模映GND|ft明:⑴齣欧电诅最集成电蹄、二端稳用鸟外.K余誥井峋为臣插式“ 漫痕电樹中矗「們7采用TMPRJ1装H，其亲沟采用铁片封裝)(2)厦理图中各靠件的站装均已设出，袪照封装购浜即可GND图4 控制及转换电路Fig.4 Control and transfer circuit2.2 软件设计1）单片机端软件设计。

单片机端的软件主要实现以下功能：两个通 道光强信号的A/D转换控制、量程的选择与控制、电池电量检测、与上 位机通信程序流程图如图5所示2） 上位机程序设计上位机程序采用VB设计，主要完成数据通信、 实时照度计算、照度曲线绘制、照度数据存储与读取、照度均匀度计 算、系统误差校正等任务3） 软件操作界面（见图6）3 动态检测方法 仪器的外形如图7所示，系统安装的示意图如图8所示使用时，将两只改装后的照度传感器安装于汽车前面的引掣盖上， 并使两只传感器相距一米，将照度传感器调整水平，由于该系统的照度 采样速度达到10次/s汽车以5 km/h速度匀速行驶在同一路灯两侧等 距的位置时可实现每隔0.2 m读取一位照度数字，如此密集的采样速 度为等照度曲线的准确检测提供了有效的大量的测量数据图5 程序流程图Fig.5 The process diagram?sa□ Skailr^T 日na1金才畏隧道光魚度动击检测篇戟In-wMrfa 占■Bflrtfan 町rnbrnai nf th" ll^lil Iiijr r h , <如三斗王巒-協!《彌黑讹迁：I百见0 -ZSflia -flietr^Tirai[SI ±UAW i i ! ■可出羽lu il • T因旦lw ：Af开也采配始乱）（HDKBfWKHJ/tJflSE Jfli2260 0 -破連罰昌-口口q口ttl斤热珅聘嗟=诙」hTB3M- |阳 |啟划JW. |轉 |TflffiS- |閃 |空坷闿直-阿 |图6 软件操作界面Fig.6 Software operating interface图7 仪器的外形Fig.7 The machine1为汽车，2为相距一米的两只照度传感器图8 系统安装示意Fig.8 The system setup4 结束语该系统经过了在实验室和模拟长隧道照明的多次检测，达到了设计 初的要求，实现了对长隧道的照度、亮度及其均匀度的测量。

该系统已成功的应用于南京玄武湖隧道的照度测量（如图9所示，TES1330A曲线为 标准照度计测量结果，CH_ 1和CH_2为仪器传感器一、传感器二的测量结 果），用户反映良好，达到了测试的预期目的提高了测试速率和采集速 度，更加提高了工作效率，保证了测试人员的安全，使整个测试过程更 加准确、快捷、安全为公路长隧道的现场动态检测提供了有力的技术与装备支持，具有一定的推广价值2 00000002 5000 20 40 60 80 100 120采样点数H 1500500—-TESI330A-^CH_2图9 南京玄武湖隧道的照度测量Fig.9 The illuminance measurement参考文献：[1] 钱伟,秦大为，曹刚.车载式道路照明检测系统[J].灯与照明， 2010(3)：8-11.[2] 秦大为.道路照明的照度测量方法[J].电工技术，2005(7):1- 3.[3] 周封,王晨光.基于GPRS/GSM的路灯监控系统研究[J].工业仪 表与自动化装置，2008(1):18-21.[4] 申晓明.无线通信系统在路灯监控系统中的应用[J].科教文汇 (上半月)，2006(7):181-182.[5] 严萍，李剑清.照明用LED光学系统的计算机辅助设计[J].半导 体光电， 2004(3):181-182.[6] 李善民.基于ZigBee单片机的智能照明系统的设计与实现[D]. 广州:华南理工大学,2013.。