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(qū)動(dòng)電路4部分組成。由于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)正向電流和脈沖調(diào)制調(diào)光兩種調(diào)光方法。由于脈寬調(diào)制調(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)字技術(shù)調(diào)光、調(diào)光范圍寬、不閃爍等優(yōu)點(diǎn),故本文選用脈沖調(diào)制調(diào)光。
系統(tǒng)主要由TSL2561采集光照度反饋給PIC16F690處理芯片,經(jīng)過(guò)PIC16F690進(jìn)行相應(yīng)的算法處理,輸出隨光照度規(guī)律變化的PWM波形,經(jīng)過(guò)帶有PWM接口的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)LED燈從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
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)境最大光照度,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,能夠滿足本系統(tǒng)的硬件資源需求。由于該款單片機(jī)資源豐富,既滿足系統(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)換芯片。該芯片的應(yīng)用能夠提供最好的顯示亮度并降低電源功耗。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)字輸出符合標(biāo)準(zhǔn)的SMBus和I2C總線協(xié)議;
③可編程控制模擬增益和數(shù)字輸出時(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)部有兩個(gè)光敏二極管通道,即通道0和通道1,其中通道0對(duì)可見(jiàn)光和紅外線都敏感,通道1僅對(duì)紅外線敏感。流過(guò)光敏二極管的電流經(jīng)過(guò)積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,轉(zhuǎn)換完后將數(shù)字量存入芯片內(nèi)部的寄存器中。積分式A/D轉(zhuǎn)換器將在一個(gè)積分周期完成后自動(dòng)進(jìn)行積分轉(zhuǎn)換過(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總線協(xié)議訪問(wèn)。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 控制電路設(shè)計(jì)
控制電路主要由PIC16F690的最小系統(tǒng)組成,包括復(fù)位電路、輸入按鍵電路、下載調(diào)試電路、供電電路、晶振電路以及相應(yīng)的信號(hào)輸入/輸出接口。
由于本系統(tǒng)的研究重點(diǎn)在于調(diào)光算法,且系統(tǒng)屬于小功率,故供電電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的阻容電路。芯片供電電壓為3.3 V,采用ASM1117穩(wěn)壓芯片。
下載調(diào)試電路根據(jù)微芯公司提供的資料,采用微芯集成仿真器ICD3,接口電路根據(jù)官方資料設(shè)計(jì)。復(fù)位電路以及晶振電路按照常用電路設(shè)計(jì)??傮w硬件框圖如圖3所示。
2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
圖4為基于恒流LED控制芯片NCL30160的LED驅(qū)動(dòng)電路。NCL30160是安森美半導(dǎo)體推出的一款NFET遲滯降壓、恒流LED驅(qū)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,可最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%占空比工作的能力,能夠提供能效高達(dá)98%的方案。最高1.4 MHz的高開關(guān)頻率使設(shè)計(jì)人員可采用更小的外部元件,將電路板尺寸減至最小及成本降至最低。
根據(jù)NCL30160的數(shù)據(jù)手冊(cè)及輸出要求計(jì)算外圍器件參數(shù)。系統(tǒng)采用5顆1 W的LED串聯(lián),恒定電流為350 mA。
R1=200 mV/ILED=200 mV/350 mA≈0.56 Ω (1)
式中,ILED為L(zhǎng)ED燈串電流。圖4中的C5采用官方數(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。
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3 軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)包括主程序設(shè)計(jì)、I2C總線通信程序設(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。恒照度算法在定時(shí)中斷處理程序中實(shí)現(xiàn)。
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)的采集、數(shù)據(jù)處理運(yùn)算并通過(guò)相應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償照度,從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)光。TSL2561光照度傳感器數(shù)字輸出符合I2C總線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,實(shí)現(xiàn)光照度采集必須實(shí)現(xiàn)TSL2561通信。I2C總線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的讀寫方法主要有硬件實(shí)現(xiàn)和軟件模擬,由于PIC16F690控制器沒(méi)有自帶的I2C總線接口,故本文采用軟件模擬實(shí)現(xiàn)的方法。
采集進(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)算后獲得光照度,將采集進(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(bǔ)償?shù)恼斩戎?,并轉(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。
3.3 運(yùn)動(dòng)控制和按鍵輸入程序設(shè)計(jì)
運(yùn)動(dòng)控制采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。
按鍵輸入主要有模式切換鍵及增減鍵,模式切換鍵主要用于切換改變頻率或者改變光照度的最大設(shè)定值。考慮到單片機(jī)的硬件資源和合理的調(diào)光需求,時(shí)鐘預(yù)分頻比設(shè)定為4,頻率變化范圍為10~100 kHz,光照度最大設(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)范圍,故光照度最大設(shè)定值范圍為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(qū)動(dòng)電路。LED負(fù)載為5顆1 W的LED串聯(lián),恒定電流為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。由于實(shí)驗(yàn)條件限制,室內(nèi)光照度改由遮光窗簾遮擋窗戶強(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:
式中,LUXF為反饋回來(lái)的光照度值。
結(jié)語(yǔ)
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)行恒照度控制;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)行恒照度控制。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)置了調(diào)節(jié)調(diào)光頻率和最大光照度值,能夠根據(jù)不同要求做適當(dāng)?shù)母淖儭:阏斩茸赃m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。
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