光采样电路的设计与研究

　　摘要：随着社会的发展，如何节约电能成为关注的热点，相应地出现了各种智能照明系统，即方便了人们的使用，也节约了能量，而智能照明系统的核心模块是光采样电路。论文在研究了光采样技术的基础上，对光敏电阻、光电池、光电三极管所构成的光采样电路进行了实测分析，最终选择硅光电池作为光电检测器件，设计了一款高线性度的光采样电路。经实测，该模块可以对光照度113-3200LUX的亮度进行检测，输出电压范围为0.22-3.3V，可以直接与51单片机的A/D接口进行通信，可以应用在多种智能照明系统中，具有一定的实用价值。

　　关键词：智能照明系统;硅光电池;光采样

　　0引言

　　目前，能源短缺，不可再生能源越来越少，这种情况严重阻碍了经济的发展，如何节约能量是目前的研究热点之一。在全球日益增长的能源消耗中，无论发达国家还是发展中国家，建筑能耗都在总能耗中占据很大的比例我国建筑能耗占全国总能耗的比例已经超过27.5%，建筑能耗主要包括暖通空调系统和照明系统的能源消耗两大部分[1]，据统计，在我国现代办公建筑中人工照明耗能高达30%[2]，因此国内越来越多地关注如何降低照明灯具的电能消耗。

　　1研究背景及目的

　　1.1研究背景

　　目前，LED因为具有亮度高、功耗低、噪声小、体积小、环保、寿命长、显色性好等特点，被称为是在节能灯之后兴起的第四代照明光源。随着制造工艺及电源驱动技术的不断发展，LED灯具在照明领域所占份额越来越多，已经超过其他类型光源，其应用范围也越来越多，如LED夜景亮化灯、室内照明等，但同时在实际应用中，其仍然存在很多不足，需要开发人员进行优化设计[3]。LED灯具的关键技术有配光技术、散热技术、驱动技术等，但为了进一步降低其电能消耗，人们将智能控制技术引入LED灯具中。

　　现在出现的LED光源智能控制系统，按实现方法主要有三大类，第一类是基于定时系统的智能控制系统，其是按照时间段来打开或关断LED灯具，主要应用于夜景亮化工程中，缺点是需根据季节的不同，调整定时设置;第二类是基于声控或触控的智能控制系统，其是根据声音或触摸按键来打开灯具，经过一段时间自动关闭，主要应用于楼道照明中。

　　第三类是基于光采样技术的智能控制系统，其是通过检测室外光线的亮度来实现智能控制的，当室外光线较好时，能够给室内提供足够的亮度时，将LED灯具关闭，以节省电能，而当室外光线较暗时，又能够自动开户LED灯具，以满足室内照明的需求。

　　前面两类智能控制系统由于技术成熟，实现简单，其各自在不同领域为我们节省了大量电能;第三类智能控制系统是现今的研究热点，也出现了多种实现方法，如采用开关电源驱动芯片设计的自适应照明系统、基于模拟调光的照明系统，基于单片机数字调光的照明系统等，但无论哪一种都需要用到光采样技术，其直接影响到系统的工作性能，因此光采样技术是LED智能控制系统的核心技术之一。

　　1.2光采样技术

　　可以说科学技术由采样开始，至采样结束，其采样目的是获得关于研究对象的各种信息，以便根据所得的信息控制研究对象。随着现代科学技术的发展，在采样和控制方面，采样的对象显著增加，采样的要求越来越高，他们都要求迅速而正确地获得多个不同性质的信息参量，对采样技术提出了非接触化、小型化、集成化、数字化、智能化等要求。现代采样技术所用的电子元件及电路的研究方向是模块化，采样技术的研究方向是自动化，采样系统的研究方向是智能化。光采样技术是建立在光纤、激光器、红外发射器等现代光电子学器件基础上的，其通过使用光电检测器件来接收提取光辐射信号并将它转化成电信号的形式。

　　光导纤维传感器的出现，在传递图像和采样技术方面又开拓出一片新的天地，为光电采样技术小型化等开辟了广阔前景。光纤采样技术可以解决传统采样技术难以解决或无法解决的许多问题，如在噪声、干扰、污染严重的工业过程中采样，或者在海洋、反应堆中，自动采样设备或智能机器人必然会遇到各种各样极端困难非常艰难的条件，光纤采样技术则具有独特地优越性，而且具有高精度、高速度、非接触采样等特点。

　　光传递有着比其他方式不一样的特点，因此光采样比其他采样技术更具优势，特别是小型集成光学元件与单片机结合的智能化全光纤采样系统，其前途是无量的。

　　1.3研究目的

　　针对光采样模块与单片机的通信问题，论文针对常见光采样器件进行了详细的讨论，通过实测对比各种器件的实际采样数据，选择一种线性度最好的光采样器件，来设计一款可与51单片机直接通信的光采样模块，其具有较好的线性度，输出电压能够直接输入到51单片机的A/D端口，而利用51单片机即可输出控制信号去关闭或打开LED灯具，也可输出PWM波去调整LED灯具的亮度，本文设计的光采样模块可以应用于各种LED智能控制系统当中，具有一定的实用价值及社会意义。

　　2光采样器件选择

　　2.1常见光采样器件性能比较

　　常用的光采样器件主要有光敏电阻、光电二极管、光电池、光电三极管等等，可以得出：从光谱响应范围来看，光敏电阻范围最宽，其他光电器件相当;从响应电流上来看光电池最大，光电二极管最小;从稳定性和线性度来看，光电二极管和光电池最好，光敏电阻最差;从动态特性上看，光电二极管的动态特性最好，光敏电阻最差;从价格上来看都不高，其中光电池稍高一点。

　　2.2基本光采样电路设计

　　由于光电二极管的响应电流太小，故而本文不考虑使用。本文设计了光敏电阻、光电三极管以及光电池的基本光采样电路。

　　(1)光敏电阻光敏电阻和普通电阻一样不分正负端，使用的时侯既能够加直流电压又能够加交流电压。在没有光的时侯，光敏电阻的暗阻值通常比较大，在有光照的时候，其亮阻值变得很小[4]。是最简单的光敏电阻的光采样电路，其通过串接一个电阻RL来将电流转换成电压输出，其中UB为外加偏置电压,输出电压为。当光照强度变大时，R变小，I变大，输出电压UO减小。

　　(2)硅光电池测量用硅光电池的基本电路是将硅光电池直接与负载电阻连接，成为无偏置电压的电路，又称自给偏置电路。其输出电压为，随着光照强度的变大，电流I变大，输出电压UO也变大。

　　(3)光电三极管光电三极管的接线方法与晶体三极管不同，工作时基极悬空，用来接收光信号，其基本光采样电路和光敏电阻类似，通过串联电阻RL来进行电流-电压转换。当有光照时，输出电压为，当外加偏置电压UB不变的时侯，光照越强，光电流IB越大，此时输出电压越大。

　　2.3实物制作及测试

　　(1)实物图

　　其中1是采用光敏电阻5506设计的基本光采样电路;2是采用6*6硅光电池设计的基本光采样电路;3是采用光电三极管3DU5C设计的基本光采样电路。

　　(2)测试及分析

　　测试时，光敏电阻和光电三极管基本光采样电路中的UB取5V，用不同亮度的光照射，光照度从0变化到16000LUX，随机抽样14个样值，光照度采用LX-1010B照度计进行测量，其是专门测量光度、亮度的仪器仪表，测量范围1Lux~50000LUX。

　　3光采样电路设计及测试

　　3.1电路设计

　　因为硅光电池输出的光信号较小，需要经过运算放大器放大后才能与单片机模块连接，而反相放大器具有结构简单，性能稳定，带载能力强，放大倍数易调整等优点，所以本文采用反相放大电路设计了一款光采样电路。

　　由于光电池产生的是电流信号，需将其转换为能够被单片机接收的电压信号，故而放大电路采用了电压并联负反馈联接，其中运算放大器采用LM324，其可以单电源下工作，工作电压范围为3V-32V，静态电流小点，驱动能力强，无需另外的偏置器件即可直接与单片机通信，另外还具有内部补偿，有效的限制了自激振荡。设计时合理设计电阻R的值，使输出控制在0-3.3V之间，以实现与单片机的无缝联接。

　　3.2实物制作及测试

　　本文设计的要求是，能够对光亮度的微小变化进行采样，放大后送到单片机，能够实现和单片机的无缝联接。经过多次焊接尝试及测试，最终确定R取15k。经过多次测量取平均值后，得到光采样电路输出电压与光照度的关系曲线，可见，本文设计的光采样电路具有较好的线性度，其输出电压与光照度基本成线性关系，且当光照范围为113-3200LUX时，输出电压范围为0.22-3.3V左右，符合设计目标，可以实现与单片机之间的直接通信。

　　4结语

　　论文对光采样技术的基础理论进行简要分析研究后，通过对不同光敏器件的对比选择，采用硅光电池作为采样器件，设计出一款可应用于智能照明系统中的光采样电路，经实测，该电路可以实现对光照度在113-3200LUX光的线性采样，输出电压范围在0.22V-3.3V左右，可以与单片机的AD转换接口直接通信，达到了设计目标。由于实验条件的限制，测试结果存在一定误差，也没有考虑噪声的影响，光采样范围还有待提高。但论文的研究过程及结果，仍然可以给智能照明系统开发人员提供一定的参考，具有一定的实用价值及社会意义。

　　参考文献：

　　[1]郭保振.自然采光控制策略研究与节能分析[D].济南:山东大学,2008.

　　[2]黄海静,吴卒.基于光生物效应的办公空间采光研究初探[J].灯与照明,2012,36(1):4-6.

　　[3]王奕凡.LED路灯在道路照明中的应用分析.科技风[J].2018,(16):187.

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