摘要：隨著社會的發展，如何節約電能成為關注的熱點，相應地出現了各種智能照明系統，即方便了人們的使用，也節約了能量，而智能照明系統的核心模塊是光采樣電路。論文在研究了光采樣技術的基礎上，對光敏電阻、光電池、光電三極管所構成的光采樣電路進行了實測分析，最終選擇硅光電池作為光電檢測器件，設計了一款高線性度的光采樣電路。經實測，該模塊可以對光照度113-3200LUX的亮度進行檢測，輸出電壓范圍為0.22-3.3V，可以直接與51單片機的A/D接口進行通信，可以應用在多種智能照明系統中，具有一定的實用價值。

　　關鍵詞：智能照明系統;硅光電池;光采樣

　　0引言

　　目前，能源短缺，不可再生能源越來越少，這種情況嚴重阻礙了經濟的發展，如何節約能量是目前的研究熱點之一。在全球日益增長的能源消耗中，無論發達國家還是發展中國家，建筑能耗都在總能耗中占據很大的比例我國建筑能耗占全國總能耗的比例已經超過27.5%，建筑能耗主要包括暖通空調系統和照明系統的能源消耗兩大部分[1]，據統計，在我國現代辦公建筑中人工照明耗能高達30%[2]，因此國內越來越多地關注如何降低照明燈具的電能消耗。

　　1研究背景及目的

　　1.1研究背景

　　目前，LED因為具有亮度高、功耗低、噪聲小、體積小、環保、壽命長、顯色性好等特點，被稱為是在節能燈之后興起的第四代照明光源。隨著制造工藝及電源驅動技術的不斷發展，LED燈具在照明領域所占份額越來越多，已經超過其他類型光源，其應用范圍也越來越多，如LED夜景亮化燈、室內照明等，但同時在實際應用中，其仍然存在很多不足，需要開發人員進行優化設計[3]。LED燈具的關鍵技術有配光技術、散熱技術、驅動技術等，但為了進一步降低其電能消耗，人們將智能控制技術引入LED燈具中。

　　現在出現的LED光源智能控制系統，按實現方法主要有三大類，第一類是基于定時系統的智能控制系統，其是按照時間段來打開或關斷LED燈具，主要應用于夜景亮化工程中，缺點是需根據季節的不同，調整定時設置;第二類是基于聲控或觸控的智能控制系統，其是根據聲音或觸摸按鍵來打開燈具，經過一段時間自動關閉，主要應用于樓道照明中。

　　第三類是基于光采樣技術的智能控制系統，其是通過檢測室外光線的亮度來實現智能控制的，當室外光線較好時，能夠給室內提供足夠的亮度時，將LED燈具關閉，以節省電能，而當室外光線較暗時，又能夠自動開戶LED燈具，以滿足室內照明的需求。

　　前面兩類智能控制系統由于技術成熟，實現簡單，其各自在不同領域為我們節省了大量電能;第三類智能控制系統是現今的研究熱點，也出現了多種實現方法，如采用開關電源驅動芯片設計的自適應照明系統、基于模擬調光的照明系統，基于單片機數字調光的照明系統等，但無論哪一種都需要用到光采樣技術，其直接影響到系統的工作性能，因此光采樣技術是LED智能控制系統的核心技術之一。

　　1.2光采樣技術

　　可以說科學技術由采樣開始，至采樣結束，其采樣目的是獲得關于研究對象的各種信息，以便根據所得的信息控制研究對象。隨著現代科學技術的發展，在采樣和控制方面，采樣的對象顯著增加，采樣的要求越來越高，他們都要求迅速而正確地獲得多個不同性質的信息參量，對采樣技術提出了非接觸化、小型化、集成化、數字化、智能化等要求。現代采樣技術所用的電子元件及電路的研究方向是模塊化，采樣技術的研究方向是自動化，采樣系統的研究方向是智能化。光采樣技術是建立在光纖、激光器、紅外發射器等現代光電子學器件基礎上的，其通過使用光電檢測器件來接收提取光輻射信號并將它轉化成電信號的形式。

　　光導纖維傳感器的出現，在傳遞圖像和采樣技術方面又開拓出一片新的天地，為光電采樣技術小型化等開辟了廣闊前景。光纖采樣技術可以解決傳統采樣技術難以解決或無法解決的許多問題，如在噪聲、干擾、污染嚴重的工業過程中采樣，或者在海洋、反應堆中，自動采樣設備或智能機器人必然會遇到各種各樣極端困難非常艱難的條件，光纖采樣技術則具有獨特地優越性，而且具有高精度、高速度、非接觸采樣等特點。

　　光傳遞有著比其他方式不一樣的特點，因此光采樣比其他采樣技術更具優勢，特別是小型集成光學元件與單片機結合的智能化全光纖采樣系統，其前途是無量的。

　　1.3研究目的

　　針對光采樣模塊與單片機的通信問題，論文針對常見光采樣器件進行了詳細的討論，通過實測對比各種器件的實際采樣數據，選擇一種線性度最好的光采樣器件，來設計一款可與51單片機直接通信的光采樣模塊，其具有較好的線性度，輸出電壓能夠直接輸入到51單片機的A/D端口，而利用51單片機即可輸出控制信號去關閉或打開LED燈具，也可輸出PWM波去調整LED燈具的亮度，本文設計的光采樣模塊可以應用于各種LED智能控制系統當中，具有一定的實用價值及社會意義。

　　2光采樣器件選擇

　　2.1常見光采樣器件性能比較

　　常用的光采樣器件主要有光敏電阻、光電二極管、光電池、光電三極管等等，可以得出：從光譜響應范圍來看，光敏電阻范圍最寬，其他光電器件相當;從響應電流上來看光電池最大，光電二極管最小;從穩定性和線性度來看，光電二極管和光電池最好，光敏電阻最差;從動態特性上看，光電二極管的動態特性最好，光敏電阻最差;從價格上來看都不高，其中光電池稍高一點。

　　2.2基本光采樣電路設計

　　由于光電二極管的響應電流太小，故而本文不考慮使用。本文設計了光敏電阻、光電三極管以及光電池的基本光采樣電路。

　　(1)光敏電阻光敏電阻和普通電阻一樣不分正負端，使用的時侯既能夠加直流電壓又能夠加交流電壓。在沒有光的時侯，光敏電阻的暗阻值通常比較大，在有光照的時候，其亮阻值變得很小[4]。是最簡單的光敏電阻的光采樣電路，其通過串接一個電阻RL來將電流轉換成電壓輸出，其中UB為外加偏置電壓,輸出電壓為。當光照強度變大時，R變小，I變大，輸出電壓UO減小。

　　(2)硅光電池測量用硅光電池的基本電路是將硅光電池直接與負載電阻連接，成為無偏置電壓的電路，又稱自給偏置電路。其輸出電壓為，隨著光照強度的變大，電流I變大，輸出電壓UO也變大。

　　(3)光電三極管光電三極管的接線方法與晶體三極管不同，工作時基極懸空，用來接收光信號，其基本光采樣電路和光敏電阻類似，通過串聯電阻RL來進行電流-電壓轉換。當有光照時，輸出電壓為，當外加偏置電壓UB不變的時侯，光照越強，光電流IB越大，此時輸出電壓越大。

　　2.3實物制作及測試

　　(1)實物圖

　　其中1是采用光敏電阻5506設計的基本光采樣電路;2是采用6*6硅光電池設計的基本光采樣電路;3是采用光電三極管3DU5C設計的基本光采樣電路。

　　(2)測試及分析

　　測試時，光敏電阻和光電三極管基本光采樣電路中的UB取5V，用不同亮度的光照射，光照度從0變化到16000LUX，隨機抽樣14個樣值，光照度采用LX-1010B照度計進行測量，其是專門測量光度、亮度的儀器儀表，測量范圍1Lux~50000LUX。

　　3光采樣電路設計及測試

　　3.1電路設計

　　因為硅光電池輸出的光信號較小，需要經過運算放大器放大后才能與單片機模塊連接，而反相放大器具有結構簡單，性能穩定，帶載能力強，放大倍數易調整等優點，所以本文采用反相放大電路設計了一款光采樣電路。

　　由于光電池產生的是電流信號，需將其轉換為能夠被單片機接收的電壓信號，故而放大電路采用了電壓并聯負反饋聯接，其中運算放大器采用LM324，其可以單電源下工作，工作電壓范圍為3V-32V，靜態電流小點，驅動能力強，無需另外的偏置器件即可直接與單片機通信，另外還具有內部補償，有效的限制了自激振蕩。設計時合理設計電阻R的值，使輸出控制在0-3.3V之間，以實現與單片機的無縫聯接。

　　3.2實物制作及測試

　　本文設計的要求是，能夠對光亮度的微小變化進行采樣，放大后送到單片機，能夠實現和單片機的無縫聯接。經過多次焊接嘗試及測試，最終確定R取15k。經過多次測量取平均值后，得到光采樣電路輸出電壓與光照度的關系曲線，可見，本文設計的光采樣電路具有較好的線性度，其輸出電壓與光照度基本成線性關系，且當光照范圍為113-3200LUX時，輸出電壓范圍為0.22-3.3V左右，符合設計目標，可以實現與單片機之間的直接通信。

　　4結語

　　論文對光采樣技術的基礎理論進行簡要分析研究后，通過對不同光敏器件的對比選擇，采用硅光電池作為采樣器件，設計出一款可應用于智能照明系統中的光采樣電路，經實測，該電路可以實現對光照度在113-3200LUX光的線性采樣，輸出電壓范圍在0.22V-3.3V左右，可以與單片機的AD轉換接口直接通信，達到了設計目標。由于實驗條件的限制，測試結果存在一定誤差，也沒有考慮噪聲的影響，光采樣范圍還有待提高。但論文的研究過程及結果，仍然可以給智能照明系統開發人員提供一定的參考，具有一定的實用價值及社會意義。

　　參考文獻：

　　[1]郭保振.自然采光控制策略研究與節能分析[D].濟南:山東大學,2008.

　　[2]黃海靜,吳卒.基于光生物效應的辦公空間采光研究初探[J].燈與照明,2012,36(1):4-6.

　　[3]王奕凡.LED路燈在道路照明中的應用分析.科技風[J].2018,(16):187.

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