為照明系統(tǒng)增加數(shù)字化管理

戶外照明通常是由人工操作機械開關(guān)控制照明系統(tǒng)的打開或關(guān)閉。為了節(jié)省能源，您可能不希望整個晚上都在某個區(qū)域開啟照明系統(tǒng)，這種情況下，如果能夠精確地控制照明系統(tǒng)，在必要的時候自動打開或關(guān)閉照明系統(tǒng)，將會帶來更多的便利條件。

利用控制器可以檢測環(huán)境光強，天黑時打開照明燈并保持一定的時間間隔，然后在指定時間自動關(guān)閉照明燈。早上，則對該過程進行反向操作。如果預定時間內(nèi)環(huán)境光強仍低于預設的照明門限，系統(tǒng)將打開照明燈。環(huán)境光足夠亮時，系統(tǒng)將關(guān)閉照明燈。

利用環(huán)境光傳感器(ALS)檢測、測量環(huán)境光強，據(jù)此設計智能化照明控制器并不困難。由于控制器配備實時時鐘(RTC)，還可在規(guī)定的時間打開或關(guān)閉照明系統(tǒng)。本文介紹的管理系統(tǒng)可用于市電照明系統(tǒng)。控制器的勒克斯門限能夠以1勒克斯為步長進行編程設置，提供十六進制格式的控制器軟件。

集成系統(tǒng)組件

本設計中的照明控制器利用ALS測量環(huán)境光亮度，目前市場上有兩種不同的ALS：一種輸出與環(huán)境光亮度成比例的模擬電壓，另一種提供數(shù)字輸出。本系統(tǒng)采用數(shù)字輸出ALS。

控制器需要知道準確的時間，所以采用實時時鐘(RTC)?？紤]到可能發(fā)生斷電，所以時間信息需要備份電池。

通過用戶界面設置時間和其它參數(shù)。這里的用戶界面包括兩個7段LED顯示器和一個按鈕。短按按鈕時，系統(tǒng)顯示時間和其它參數(shù)；長按按鈕時，可調(diào)整時間和參數(shù)。

系統(tǒng)具有自動/手動開關(guān)，以使能手動控制照明燈。

系統(tǒng)由市電供電，照明系統(tǒng)通過一個繼電器接通/斷開電源。系統(tǒng)的數(shù)字信號與市電采用電氣隔離。

系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

圖2給出了控制系統(tǒng)與市電及照明系統(tǒng)的接線。

圖1 照明控制器系統(tǒng)

圖2 控制系統(tǒng)與市電、照明系統(tǒng)的接線

人工操作模式下，自動/手動開關(guān)必須切換至手動位置。手動模式下，繼電器保持導通，照明系統(tǒng)由標準的墻上控制開關(guān)打開/關(guān)閉。

手動/自動開關(guān)處于自動模式時，墻上控制開關(guān)必須打開，以確?？刂破髡９ぷ鳌Ｈ绻麎ι祥_關(guān)未打開，控制器將無法控制照明。

照明系統(tǒng)可能包含多盞照明燈。

系統(tǒng)說明

系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)原理圖

選擇關(guān)鍵元件

市電電壓首先變換到9VAC(RMS)，本系統(tǒng)中僅使用一路供電電壓(3.3V)，所以電源轉(zhuǎn)換器簡單明了。利用MAX16910 LDO將變壓器副邊電壓穩(wěn)壓至3.3V。選擇LDO的原因主要考慮到了LDO的內(nèi)部短路保護和熱保護，保險絲為500mA PTC Polyswitch®，提供附加保護。

系統(tǒng)微控制器為Microchip® PIC18LF4520，工作在8MHz時鐘頻率。微控制器時鐘由MAX7375小尺寸(SC-70)硅振蕩器提供，這款振蕩器具有優(yōu)異的溫度系數(shù)指標，并且抖動非常小。

RTC為Maxim的DS1340C，時鐘內(nèi)置振蕩器，由備份電源供電時具有超低功耗。DS1340C通過I2C總線通信，內(nèi)置涓流充電器。因此，如果使用可充電電池或電容作為備份電源，則可通過DS1340C充電。

圖4 MAX44009 ALS原理圖

備份電源BT1為0.47mF儲能電容，斷電時，BT1將為DS1340C RTC供電。該RTC由備份電源供電時，耗流僅為1µA (最大)。采用0.47mF電容、供電電壓為3.3V時，RTC可保存計時信息大約36小時。如果需要支持更長的備份時間，則可用兩節(jié)串聯(lián)的AA電池代替儲能電容。這樣可將工作時間從36小時延長至多達數(shù)周。然而，注意，此時需要通過向DS1340C的寄存器寫08h來禁用DS1340C的涓流充電功能。

用戶界面極其簡單：一個按鈕和兩個7段LED顯示器。顯示器由MAX6958 LED驅(qū)動器驅(qū)動，與ALS和RTC一樣，通過I2C總線通信。

ALS (圖4)不安裝在控制器的PCB，而是按照在燈管位置。傳感器采用4線連接器J1連接至PCB。該ALS為MAX44009，選用該器件的原因是其超小尺寸(2mm x 2mm)、6引腳UTDFN封裝，很容易安裝在燈座上(圖5)。

圖5 環(huán)境光傳感器PCB (左圖)安裝在燈座上(外殼底部可看到的小黑點)。

其它通用設計參數(shù)

燈具電源由帶有變壓器T1的繼電器控制，因為繼電器線圈電壓為12V。連接器J2用于編程和調(diào)試微控制器。

另外，系統(tǒng)還提供4個LED指示：電源打開(V_ON)；系統(tǒng)運行(OK)；7段顯示器DS1和DS2提供的小時(HR)或分鐘(MIN)指示。

定位ALS

傳感器位置對于良好的工作非常關(guān)鍵。在燈具外殼上鉆一個小孔，并用透明膠帶密封。ALS的PCB安裝在小孔中部，使傳感器“看”到并測量環(huán)境光亮度。利用熱粘接劑將傳感器PCB安裝至燈具外殼。

應慎重選擇ALS的位置，如果傳感器“看”到來自燈管本身的光線，則會影響白天環(huán)境光亮度的測量，造成照明燈不斷地閃爍(打開和關(guān)閉)。

到了晚上，由于照明燈根據(jù)時間(而非環(huán)境光亮度)關(guān)閉，所以ALS定位不成問題。

最后，將ALS安裝在完全不受照明燈影響的位置幾乎是不可能的。正因如此，照明燈關(guān)閉門限自動設置在高出軟件設置8勒克斯處。這種補償僅保證燈具的開/關(guān)動作發(fā)生在大概相同的環(huán)境光亮度，并不能消除照明燈閃爍的可能性。

系統(tǒng)印制板(PCB)

控制器PCB的頂層和底層如圖6至8所示。

圖6 控制器PCB器件位置

圖7 控制器PCB頂層

圖8 控制器PCB底層

MAX44009 ALS安裝在自身的PCB，其PCB的器件位置、頂層和底層如圖9和10所示。

ALS通過連接器J1連接至控制器的PCB。

圖9 ALS PCB頂層

圖10 ALS PCB底層

系統(tǒng)器件清單

控制器PCB和ALS PCB器件清單請參見表1和表2。

表1.控制器PCB器件清單

表2. ALS PCB器件清單

使用系統(tǒng)

圖11所示的系統(tǒng)被安裝于外殼內(nèi)。

圖11 安裝于外殼內(nèi)的系統(tǒng)

系統(tǒng)的使用非常簡單。利用SET按鈕，用戶可按照以下順序定義參數(shù)：

- 當前小時和分鐘。

- 環(huán)境光勒克斯亮度門限(默認為2勒克斯)

- 照明燈早上關(guān)閉時間

- 照明燈晚上打開時間

不是必須設置早上和晚上的關(guān)閉/打開時間，如果沒有設置這些時間參數(shù)，到了晚上，照明系統(tǒng)將在環(huán)境光強度低于預設勒克斯門限時開啟，當環(huán)境光強上升到該門限以上時關(guān)閉。該模式下，不處理來自于RTC的時間信息。

按下SET按鈕的時間短于1秒時，可讀取設置信息。系統(tǒng)將依次顯示小時、分鐘、環(huán)境光亮度門限、照明燈關(guān)閉時間和照明燈打開時間。

如果用戶希望更改設置信息或希望調(diào)整時間，則按下SET按鈕，并保持2s以上，可按照以上順序每次更改一個參數(shù)。設置好參數(shù)后，按下SET按鈕并保持2s以上，則可保存參數(shù)。對所有參數(shù)執(zhí)行相同操作。

參數(shù)設置完畢后，系統(tǒng)將每次一個參數(shù)進行顯示，用戶可檢查確認保存是否正確。

軟件流程圖

軟件流程圖如圖12所示。

圖12 軟件方框圖

軟件流程圖非常復雜，根據(jù)每天的時間(早上/晚上)和設置參數(shù)做出各種決策。大約每5秒鐘檢查一次。

連續(xù)5次(5s間隔)儲存的光強超出門限時，則打開或關(guān)閉照明系統(tǒng)。即越過門限的時間超出大約25秒，可將照明燈打開或關(guān)閉。

總結(jié)

憑借現(xiàn)代化半導體技術(shù)，系統(tǒng)可按照預設方式測量環(huán)境光亮度并控制照明系統(tǒng)的開啟/關(guān)閉。本文介紹了如何設計可基于環(huán)境光和時間信息實現(xiàn)智能化照明管理的控制器方案，該系統(tǒng)理想用于市電照明系統(tǒng)。