环境光传感器TSL2581在公路隧道照明控制中的应用

张德钱， 洪远泉， 赵永泉

(1. 韶关学院 物理与机电工程学院, 广东 韶关 512005; 2. 韶关学院 资产处, 广东 韶关 512005)

环境光传感器TSL2581在公路隧道照明控制中的应用

张德钱1， 洪远泉1， 赵永泉2

(1. 韶关学院 物理与机电工程学院, 广东 韶关 512005; 2. 韶关学院 资产处, 广东 韶关 512005)

介绍了高性能环境光传感器TSL2581的基本特性和软硬件控制设计方法,搭建了隧道灯光按需照明调光系统，以STM32微处理器为核心，输出直流电压控制LED功率，利用TSL2581检测隧道照明亮度。测试表明，系统能实现公路隧道照明亮度检测与节能优化功能。

公路隧道照明；环境光传感器； 亮度

数量庞大的公路交通隧道需要消耗很大的电能来维持照明。为适应公路隧道照明节能技术发展的新趋势，2014年8月1日，我国新的隧道照明设计标准《公路隧道照明设计细则》(JTG/TD70/2-01—2014)开始实施。新标准提倡采用新技术进行隧道照明节能控制。按需照明控制技术是隧道灯光智能控制研究的热点。以隧道照明亮度适应曲线为依据，根据隧道洞外亮度、车速、车流量等参数变化实时、自动调整隧道照明功率，可避免过度照明，节能减排[1]。因此，准确测量隧道洞外环境亮度和隧道内部照明亮度，是按需照明节能控制的关键。本文对高性能环境光传感器TSL2581的工作原理和应用方法进行介绍，并将其应用在隧道按需照明控制系统上，进行隧道灯光节能控制研究。

1 环境光传感器TSL2581

TSL2581是美国AMS(艾迈斯)公司推出的第二代环境光数字传感器件，内部结构如图1所示。其包含两通道的光检测转换电路，其中CH0检测可见光和红外线，CH1只能检测红外线。2个光敏二极管感应的模拟光电信号，在命令字控制下，同时进入16位的积分型A/D转换器，输出数字信息到微处理器进行运算得出环境光亮度大小。微处理器可通过I2C总线接口控制TSL2581芯片的工作方式。芯片的模拟增益、中断方式、数字输出时间可编程控制。具有自动抑制50 Hz/60 Hz的光照波动能力。感光灵敏度达到了TSL256X系列芯片的30倍。具有功耗低、感光反应速度快、抗噪声能力强、输出精度高等特点[2]。

图1 TSL2581 内部结构

1.1 应用电路设计

TSL2581包含6个引脚，接口电路如图2所示。1脚为电源，供电范围为2.7～3.6 V，通过低功耗稳压芯片RT9193-33芯片稳压到3.3 V；2脚ADDR为芯片地址选择引脚，悬空时芯片地址为0111001，接地时为0101001，接电源时为1001001。

1.2 控制寄存器

TSL2581芯片内部的寄存器控制如表1所示，每个寄存器内部都有8位数据。

COMMAND[7]设置为1，表示访问命令字寄存器。COMMAND[6:5]设定数据传输顺序的类型，有字节、字、数据块和特殊功能4种类型，分别用00、01、10和11组合表示。特殊功能指中断清除、手动积分停止、手动积分启动3种功能，分别用COMMAND[4:0]的00001、00010和00011数据组合表示。

CONTROL[5]是只读位，1代表AD中断。CONTROL[4]=1代表AD是空闲的，只读位。CONTROL[1]写入1表示使能AD，CONTROL[0]为AD电源控制，1代表通电，0为断电。

TIMING寄存器按式(1)设置AD转换的积分时间。d为寄存器的设置值，如果设置为0，表示进行手动控制积分。

t=(256-d)×2.7 ms,0

(1)

INTERRUPT[6]=1,表示在AD积分中断后关闭AD转换器。INTERRUPT[5:4]=00表示中断输出取消，01代表低电平中断。INTERRUPT[3:0]用来设定TLS2581向微处理器产生中断的速率，0000代表每个AD转换周期产生1个中断，0001表示采样值超过ADC0的高阈值或者达不到低阈值时产生中断，0010—1111分别代表超出2～15个积分周期产生中断。

表1 TSL2581内部寄存器表

ANALOG[1:0]用来设置模拟增益，可在1、8、16和111倍率档位选择。

1.3 亮度输出计算

由于传统的硅光电探测器对红外线非常敏感，导致测量的环境光存在很大的误差。TLS2581通过2个光电探测器来消除红外线的影响。通道0可以探测可见光和红外线，记为L0；而通道1探测的红外线值用来补偿通道0的可见光检测误差[2-7]，通道1得到光亮度记为L1。环境光亮度L的计算公式如式(2)所示，计算出的亮度单位为勒克斯(lx)。

(2)

2 TLS2581在隧道照明中的应用

交通隧道按需照明控制，需要获取洞外环境亮度和隧道内部照明亮度信息，才能有效进行节能控制。控制电路结构如图3所示，采用STM32处理器为核心，AD转换器输出直流电压经信号并调理后控制LED的功率。TLS2581模块用来进行环境灯光亮度检测。隧道内部的灯光亮度采用PID算法控制[8-10]。

图3 按需照明系统结构

2.1 LED调光电路

LED调光电路如图4所示，微处理器DA输出0～3.3 V直流电压，经过LM358运放放大3倍，控制明玮公司的LED功率驱动模块ELG-75-24B的输出功率。功率驱动模块的功率控制电压与LED驱动电流的关系见图5,控制电压由0增长至10 V，LED驱动电流线性增长至最大值[11]。

图4 LED调光电路

图5 调光控制电压曲线

2.2 软件流程

隧道灯光按需照明控制软件流程见图6，系统上电后，初始化微处理器和光传感器TSL2581；然后用键盘输入预设的洞外亮度、隧道行车速度和车流量数据；根据标准的隧道照明适应曲线计算隧道各个分段的照明亮度；然后调整DA的输出电压，调节LED的照明功率；求取检测亮度值与计算的目标亮度值误差，采用PID算法调整LED的亮度。

图6 调光控制软件流程

3 系统测试

3.1 按需照明亮度测试

模拟洞外亮度3 000 cd/m2、车流量1 200 辆/h、车速100 km/h，亮度与照度的系数设置为10 lx/cd·m-2。单向行驶隧道各个分段亮度控制如图7所示。图中理论亮度是根据《公路隧道照明设计细则》(JTG/TD70/2-01—2014)要求计算获得，仪表测量亮度采用希玛AS813照度计测量获得，系统测量亮度为本文的TSL2581传感器的测值量。TSL2581测量亮度与仪表测量亮度之间的误差在±5%以内，低于隧道照明亮度控制的允许误差值±20%。误差主要来自系统噪声和微处理器数模转换误差。从图7可知，3种亮度曲线基本吻合，说明本文的控制方案可行。

图7 按需照明调光测试

3.2 节能模拟测试

为模拟真实的隧道运行环境，对本文的照明系统采用不同方案进行测试。

方案一：按需照明，假设车速和车流量以15 min间隔随机跳变，时速变化范围为60～120 km/h，车流量变化范围为350～1 200 辆/h；洞外亮度时变，最小值为300 cd/m2，最大值为3 000 cd/m2。

方案二:固定参数照明，车速固定100 km/h，车流量1 200 辆/h，洞外亮度为3 000 cd/m2。

测试平台处于黑暗环境内，测试时间从早上8点到晚上8点。则方案一耗电量约为0.24 kW·h，方案二耗电量约为0.44 kW·h，按需照明节省了45%的电能，节能效果明显。

4 结语

将环境光传感器TSL2581应用到交通隧道按需照明调光控制系统中，获得了较好的节能控制效果。环境光的检测与控制是按需照明控制核心之一，对隧道照明的节能控制以及驾驶员安全舒适地通过隧道意义重大。测试结果表明，TSL2581传感器能够满足隧道灯光照明按需控制的需求。隧道照明节能优化是实现绿色照明的关键。下一步将进一步研究节能方案，提高检测控制的精度，并用无线传输技术传输隧道各个节点的数据，在实际的隧道中进行测试。

References)

[1] JTG/T D70/2-01—2014 公路隧道照明设计细节[M].北京:人民交通出版社,2014.

[2] AMS.TSL2581[EB/OL].[2016-04-05]. http://ams.com/eng/Products/Light-Sensors/ Ambient-Light-Sensors.

[3] 姜连祥,汪小燕.基于光强传感器TSL256x的感测系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2006(12):43-45.

[4] 杨明慧,杨鹏,史汪汪.基于TSL2561的无线光强传感器节点设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2010(6):38-40.

[5] 张德宁,袁洪波,李丽华.基于STC89C52和TSL2561的鸡舍光照测控系统[J].农机化研究,2011(6):149-153.

[6] 虞杨阳,余红英.基于TSL2561的温室智能调光系统设计[J].科学之友,2011(4):12,52.

[7] 王长涛,韩忠华.基于TSL256X的光强检测的LED路灯智能控制系统方案设计[J].数字技术与应用,2011(8):159.

[8] 贾宁,郭姗.智能LED隧道照明系统的设计与开发[J].科技通报,2014(5):121-124.

[9] 郑军.高速公路隧道照明智能控制与节能优化研究[D].北京:北京交通大学,2014.

[10] 郑军,简婧.功率隧道LED照明模拟控制系统设计[J].交通科技,2015(1):119-122.

[11] Meanwell. ELG-75[EB/OL].[2016-11-08]. http://www.meanwell.com.cn/webapp/product/search.aspx?prod=ELG-75.

Application of environmental optical sensor TSL2581 in highway tunnel lighting control

Zhang Deqian1, Hong Yuanquan1, Zhzo Yongquan2

(1.School of Physics, Mechanical and Electrical Engineering, Shaoguan College, Shaoguan 512005, China; 2. Department of Assets Management, Shaoguan College, Shaoguan 512005, China)

The basic characteristics of the high performance environmental optical sensor TSL2581 and the design method of the hardware and software control are introduced. The dimming system of the tunnel on-demand lighting is established. With the STM32 microprocessor as the core, the output DC voltage controls the LED power, and the brightness of the tunnel lighting is detected by TSL2581. The test shows that the system can realize the highway tunnel lighting detection and has the energy optimization function.

highway tunnel lighting; environmental optical sensor; brightness

TU453.7

A

1002-4956(2017)10-0078-04

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.021

2017-04-28

广东省教育厅科技创新项目(2013KJCX0169);韶关市科技计划项目(2013CX/K55);韶关学院教育教学改革重点项目(SYJY20141504)

张德钱(1979—),男，广东南雄，硕士, 实验师,主要研究方向为物理电子技术应用

E-mail：304565115@qq.com

洪远泉(1978—),男,广东五华，在职博士研究生，高级实验师,主要研究智能交通系统设计.

E-mail：sdhyq@qq.com