一种适于公路长隧道光照度动态检测系统的设计

程青春

(廊坊市市政设施管理处，河北 廊坊　065000)



一种适于公路长隧道光照度动态检测系统的设计

程青春

(廊坊市市政设施管理处，河北 廊坊065000)

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。

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。

图1　长隧道照明照度分布Fig.1　Illuminance distribution of the long tunnel lighting

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±0.5% f.s.(<10 000lx),±4% rdg±10 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 ℃～75 ℃;⑥取样率：2次/s。

2)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。

图2　系统结构框图Fig.2　Frame map of the system

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(OP27)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OPA129转换转换为电压信号，再经过OP37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。

图3　信号调理电路Fig.3　Signal circuit

图4　控制及转换电路Fig.4　Control and transfer circuit

2.2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

图6　软件操作界面Fig.6　Software operating interface

图7　仪器的外形Fig.7　The machine

1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 setup

4　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。

图9　南京玄武湖隧道的照度测量Fig.9　The illuminance measurement

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Design of A Dynamic Detection System for Long Tunnel of Highway

CHENG Qingchun

(Langfang City Management Department of Municipal Facilities, Langfang 065000, China)

This paper introduces a kind of suitable for Highway Long Tunnel illumination dynamic detection system design plan, the basic principle and the system using the vehicle dynamic detection of the long tunnel of the average illuminance, uniform illumination, average brightness, brightness uniformity system C8051F061 monolithic machine as the core, the realization of the can to meet the long tunnel illumination dynamic measurement range wide 2～3000 lx, signal acquisition speed of 10 times/seconds of the main technical requirements, and has high measuring efficiency, high accuracy and safety and other advantages.

long tunnel； light illumination； dynamic detection； vehicle type； accuracy； safety

TM923

ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2016.05.010