本文針對(duì)傳統(tǒng)照明能效低、耗電量大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了LED恆照度調(diào)光碟機(jī)動(dòng)器。系統(tǒng)使用恆流LED控制晶片NCL30160作為LED光源驅動(dòng)電路，採用TSL2561光照度傳感器採集室內(nèi)光照度，通過(guò)處理器相應(yīng)算法進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的恆照度調(diào)光。該算法實(shí)現(xiàn)了PWM波形平滑變化，避免因PWM突變造成閃光。同時(shí)，系統(tǒng)增加了人體運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)人、有人時(shí)的不同調(diào)光方案，使設(shè)計(jì)進(jìn)一步節(jié)能和智能化。

  1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介及工作原理

  系統(tǒng)由PIC16F690單片機(jī)、 TSL2561光照度傳感器、LED光源和LED驅動(dòng)電路4部分組成。由於LED的亮度與工作電流成正比，故調(diào)節(jié)工作電流即可調(diào)節(jié)LED的發(fā)光亮度。目前主要有調(diào)節(jié)正向電流和脈衝調(diào)製調(diào)光兩(liǎng)種調(diào)光方法。由於脈寬調(diào)製調(diào)光具有不會(huì)產(chǎn)生任何色彩偏移、調(diào)光精度高、結(jié)合數(shù)位技術(shù)調(diào)光、調(diào)光範圍寬、不閃爍等優(yōu)點(diǎn)，故本文選用脈衝調(diào)製調(diào)光。

  系統(tǒng)主要由TSL2561採集光照度反饋給PIC16F690處理晶片，經(jīng)過(guò)PIC16F690進(jìn)行相應(yīng)的算法處理，輸(shū)出隨光照度規(guī)律變化的PWM波形，經(jīng)過(guò)帶有PWM接口的驅動(dòng)電路驅動(dòng)LED燈從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

  恆照度調(diào)光的LED驅動(dòng)器系統(tǒng)框圖

圖1 恆照度調(diào)光的LED驅動(dòng)器系統(tǒng)框圖

  同時(shí)，在本系統(tǒng)中加入了人體運(yùn)動(dòng)控制以及按鍵控制，能夠檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在無(wú)人時(shí)自動(dòng)關(guān)閉LED燈，進(jìn)一步減少電能浪費(fèi);按鍵能夠調(diào)節(jié)PWM波形的頻率以及設(shè)定環(huán)境大光照度，使系統(tǒng)更為人性化。

  1.1 PIC16F690單片機(jī)

  PIC16F690單片機(jī)具有高性能的RISC CPU、低功耗以及豐富的外設(shè)資源，能夠滿(mǎn)足本系統(tǒng)的硬體資源需求。由於該款單片機(jī)資源豐富，既滿(mǎn)足系統(tǒng)需求，又不十分浪費(fèi)資源，故降低了控制器成本。

  1.2 TSL2561光照度傳感器

  TSL2561是TAOS公司推出的一種高速、低功耗、寬量程、可編程靈活配置的光強(qiáng)度數(shù)字轉(zhuǎn)換(huàn)晶片。該晶片的應(yīng)用能夠提供好的顯示亮度並降低電源功耗。TSL2561具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

  ①可編程配置許可的光強(qiáng)度上下閾值，當(dāng)檢測(cè)光照度超過(guò)閾值時(shí)能產(chǎn)生中斷信號(hào);

  ②數(shù)字輸(shū)出符合標(biāo)準(zhǔn)的SMBus和I2C總線(xiàn )協(xié)議;

  ③可編程控制模擬增益和數(shù)字輸(shū)出時(shí)間;

  ④超小封裝和超低功耗;

  ⑤自動(dòng)抑制50 Hz/60 Hz的光照波動(dòng)。

  TSL2561 的內(nèi)部結(jié)構(gòu )如圖2所示。其內(nèi)部有兩(liǎng)個(gè)光敏二極體通道，即通道0和通道1，其中通道0對(duì)可見(jiàn)光和紅外線(xiàn )都敏感，通道1僅對(duì)紅外線(xiàn )敏感。流過(guò)光敏二極體的電流經(jīng)過(guò)積分式A/D轉(zhuǎn)換(huàn)器轉(zhuǎn)換(huàn)為數(shù)字量，轉(zhuǎn)換(huàn)完後將數(shù)字量存入晶片內(nèi)部的寄存器中。積分式A/D轉(zhuǎn)換(huàn)器將在一個(gè)積分周期完成後自動(dòng)進(jìn)行積分轉(zhuǎn)換(huàn)過(guò)程。 TSL2561可以通過(guò)對(duì)其內(nèi)部16個(gè)寄存器設(shè)定來(lái)控制，該16個(gè)寄存器可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的SMBus或者I2C總線(xiàn )協(xié)議訪(fǎng)問(wèn)。

  TSL2561的內(nèi)部結(jié)構(gòu )

圖2 TSL2561的內(nèi)部結(jié)構(gòu )

  2 硬體設(shè)計(jì)

  2.1 控制電路設(shè)計(jì)

  控制電路主要由PIC16F690的小系統(tǒng)組成，包括復位電路、輸(shū)入按鍵電路、下載調(diào)試電路、供電電路、晶振電路以及相應(yīng)的信號(hào)輸(shū)入/輸(shū)出接口。

  由於本系統(tǒng)的研究重點(diǎn)在於調(diào)光算法，且系統(tǒng)屬於小功率，故供電電路採用簡(jiǎn)單實(shí)用的阻容電路。晶片供電電壓為3.3 V，採用ASM1117穩(wěn)壓晶片。

  下載調(diào)試電路根據(jù)微芯公司提供的資料，採用微芯集成仿真器ICD3，接口電路根據(jù)官方資料設(shè)計(jì)。復位電路以及晶振電路按照常用電路設(shè)計(jì)。總體硬體框圖如圖3所示。

總體硬體框圖

圖3 總體硬體框圖

  2.2 驅動(dòng)電路設(shè)計(jì)

  圖 4為基於恆流LED控制晶片NCL30160的LED驅動(dòng)電路。NCL30160是安森美半導(dǎo )體推出的一款NFET遲滯降壓、恆流LED驅動(dòng)器。它將電流提升到了1.5 A，是新一代高能效的解決方案，損耗非常低，體積很小，可大限度地減少空間和成本。通過(guò)利用僅55 mΩ的低導(dǎo )通阻抗內(nèi)部MOSFET及以100%佔空比工作的能力，能夠提供能效高達(dá)98%的方案。高1.4 MHz的高開(kāi)關(guān)頻率使設(shè)計(jì)人員可採用更小的外部元件，將電路板尺寸減至小及成本降至低。

  驅動(dòng)電路圖

圖4 驅動(dòng)電路圖

  根據(jù)NCL30160的數(shù)據(jù)手冊(cè)及輸(shū)出要求計(jì)算外圍器件參數(shù)。系統(tǒng)採用5顆1 W的LED串聯(lián)，恆定電流為350 mA。

  R1=200 mV/ILED=200 mV/350 mA≈0.56 Ω （1）式中，ILED為LED燈串電流。圖4中的C5採用官方數(shù)據(jù)手冊(cè)推薦的取值。電感L1及ROT由式（2）～（4）得到。式中，toff、ton、△I、RDS（oN）的取值參考數(shù)據(jù)手冊(cè);VIN在此處取為24 V，DCRL為電感電阻，此處取為0 Ω。

  公式

  3 軟體設(shè)計(jì)

  軟體設(shè)計(jì)包括主程序設(shè)計(jì)、I2C總線(xiàn )通信程序設(shè)計(jì)、調(diào)光算法設(shè)計(jì)，以及運(yùn)動(dòng)控制和按鍵輸(shū)入程序設(shè)計(jì)4部分，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能化控制的核心。

  3.1 主程序設(shè)計(jì)

  圖5為主程序流程圖。主程序的作用是選擇是否改變PWM頻率及照度上限、無(wú)人模式和有人調(diào)光模式。恆照度算法在定時(shí)中斷處理程序中實(shí)現(xiàn)。

  主程序流程圖

  圖5 主程序流程圖

  3.2 調(diào)光算法設(shè)計(jì)

  調(diào)光算法主要實(shí)現(xiàn)光照度信號(hào)的採集、數(shù)據(jù)處理運(yùn)算並通過(guò)相應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤補償照度，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)光。TSL2561光照度傳感器數(shù)字輸(shū)出符合I2C 總線(xiàn )標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)光照度採集必須實(shí)現(xiàn)TSL2561通信。I2C總線(xiàn )標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的讀寫(xiě)方法主要有硬體實(shí)現(xiàn)和軟體模擬，由於PIC16F690控制器沒有自帶的I2C總線(xiàn )接口，故本文採用軟體模擬實(shí)現(xiàn)的方法。

  採集進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)TSL2561標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)計(jì)算後獲得光照度，將採集進(jìn)來(lái)的室內(nèi)光照度與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值比較，計(jì)算出LED需要補償的照度值，並轉(zhuǎn)化為處理器內(nèi)PWM寄存器的值，記為當(dāng)前PWM值。將前PWM寄存器值記為 PWM原值。將PWM原值與當(dāng)前PWM值不斷比較遞增或遞減，使PWM輸(shū)出以極小的步長(zhǎng)跟蹤當(dāng)前PWM值，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)光。此算法還能解決啟動(dòng)跳變問(wèn)題，使系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)PWM由零慢慢變化到當(dāng)前PWM值。調(diào)光算法程序流程圖如圖6所示。

  調(diào)光算法程序流程圖

圖6 調(diào)光算法程序流程圖

  3.3 運(yùn)動(dòng)控制和按鍵輸(shū)入程序設(shè)計(jì)

  運(yùn)動(dòng)控制採用紅外熱電釋人體運(yùn)動(dòng)傳感器，能夠檢測(cè)室內(nèi)是否有人，通過(guò)判斷人體的活動(dòng)情況選擇相應(yīng)的照明模式。若有人則選擇調(diào)光模式，若無(wú)人則關(guān)閉LED燈，進(jìn)一步節(jié)能。

按鍵輸(shū)入主要有模式切換(huàn)鍵及增減鍵，模式切換(huàn)鍵主要用於切換(huàn)改變頻率或者改變光照度的大設(shè)定值。考慮到單片機(jī)的硬體資源和合理的調(diào)光需求，時(shí)鐘預分頻比設(shè)定為4，頻率變化範圍為10～100 kHz，光照度大設(shè)定值根據(jù)多次測(cè)量各時(shí)間段的光照度選取合適的調(diào)節(jié)範圍，故光照度大設(shè)定值範圍為350～500。

  4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

  本實(shí)驗(yàn)使用TSL2561光照度傳感器、控制電路、驅動(dòng)電路。LED負(fù)載為5顆1 W的LED串聯(lián)，恆定電流為350 mA。系統(tǒng)的工作狀態(tài)可分為有人和無(wú)人，當(dāng)傳感器檢測(cè)為無(wú)人時(shí)，PWM輸(shū)出關(guān)閉，此時(shí)LED燈串熄滅;反之，則根據(jù)室內(nèi)光照度自動(dòng)調(diào)節(jié)LED燈串的亮度。由於實(shí)驗(yàn)條件限制，室內(nèi)光照度改由遮光窗簾遮擋窗戶(hù)強(qiáng)光來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果系統(tǒng)數(shù)據(jù)和波形與理論分析一致，則說(shuō)明系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確。理論計(jì)算公式如下：

  理論計(jì)算公式中，LUXF為反饋回來(lái)的光照度值。

​多雲天氣條件下測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

  表 1是在多雲天氣條件下測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)根據(jù)不同的室內(nèi)照度，調(diào)節(jié)PWM輸(shū)出波形從而改變LED光亮度。由於室內(nèi)照度計(jì)探頭位置放置和TSL2561傳感器有一定的偏差，故數(shù)據(jù)存在一定的誤差。即在有人時(shí)，根據(jù)式（5）計(jì)算PWM佔空比與示波器顯示波形基本吻合;無(wú)人時(shí)，無(wú)論室內(nèi)光照度值是多少，PWM 佔空比均為零，LED不照明。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論值進(jìn)行比較，考慮一定誤差的情況下，基本吻合。輸(shū)出部分PWM波形如圖7所示，分別為室內(nèi)光照為22.82 lx和317.08 lx時(shí)的PWM波形。

  結(jié)語

  通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)按照程序設(shè)計(jì)，能夠很好地進(jìn)行恆照度控制;運(yùn)動(dòng)控制在無(wú)人時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，一旦檢測(cè)到有人活動(dòng)時(shí)，馬上進(jìn)行恆照度控制。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)置了調(diào)節(jié)調(diào)光頻率和大光照度值，能夠根據(jù)不同要求做適當(dāng)的改變。恆照度自適應(yīng)調(diào)光和人體運(yùn)動(dòng)控制有效實(shí)現(xiàn)了節(jié)能要求。