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(jī)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(gè)晚上都在某個(gè)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(shí)候自動(dòng)打開或關(guān)閉照明系統(tǒng)，將會(huì)帶來更多的便利條件。

利用控制器可以檢測環(huán)境光強(qiáng)，天黑時(shí)打開照明燈并保持一定的時(shí)間間隔，然后在指定時(shí)間自動(dòng)關(guān)閉照明燈。早上，則對該過程進(jìn)行反向操作。如果預(yù)定時(shí)間內(nèi)環(huán)境光強(qiáng)仍低于預(yù)設(shè)的照明門限，系統(tǒng)將打開照明燈。環(huán)境光足夠亮?xí)r，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(qiáng)，據(jù)此設(shè)計(jì)智能化照明控制器并不困難。由于控制器配備實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)，還可在規(guī)定的時(shí)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)?？刂破鞯睦湛怂归T限能夠以1勒克斯為步長進(jìn)行編程設(shè)置，提供十六進(jìn)制格式的控制器軟件。

集成系統(tǒng)組件

本設(shè)計(jì)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(zhǔn)確的時(shí)間，所以采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)?？紤]到可能發(fā)生斷電，所以時(shí)間信息需要備份電池。

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

系統(tǒng)具有自動(dòng)/手動(dòng)開關(guān)，以使能手動(dòng)控制照明燈。

系統(tǒng)由市電供電，照明系統(tǒng)通過一個(gè)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(dòng)/手動(dòng)開關(guān)必須切換至手動(dòng)位置。手動(dòng)模式下，繼電器保持導(dǎo)通，照明系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)的墻上控制開關(guān)打開/關(guān)閉。

手動(dòng)/自動(dòng)開關(guān)處于自動(dòng)模式時(shí)，墻上控制開關(guān)必須打開，以確保控制器正常工作。如果墻上開關(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(hù)和熱保護(hù)，保險(xiǎn)絲為500mA PTC Polyswitch®，提供附加保護(hù)。

系統(tǒng)微控制器為Microchip® PIC18LF4520，工作在8MHz時(shí)鐘頻率。微控制器時(shí)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(biāo)，并且抖動(dòng)非常小。

RTC為Maxim的DS1340C，時(shí)鐘內(nèi)置振蕩器，由備份電源供電時(shí)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(chǔ)能電容，斷電時(shí)，BT1將為DS1340C RTC供電。該RTC由備份電源供電時(shí)，耗流僅為1µA (最大)。采用0.47mF電容、供電電壓為3.3V時(shí)，RTC可保存計(jì)時(shí)信息大約36小時(shí)。如果需要支持更長的備份時(shí)間，則可用兩節(jié)串聯(lián)的AA電池代替儲(chǔ)能電容。這樣可將工作時(shí)間從36小時(shí)延長至多達(dá)數(shù)周。然而，注意，此時(shí)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(gè)按鈕和兩個(gè)7段LED顯示器。顯示器由MAX6958 LED驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，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(diǎn))。

其它通用設(shè)計(jì)參數(shù)

燈具電源由帶有變壓器T1的繼電器控制，因?yàn)槔^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(gè)LED指示：電源打開(V_ON)；系統(tǒng)運(yùn)行(OK)；7段顯示器DS1和DS2提供的小時(shí)(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(gè)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(yīng)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(huì)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(shí)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(dòng)設(shè)置在高出軟件設(shè)置8勒克斯處。這種補(bǔ)償僅保證燈具的開/關(guān)動(dòng)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(dāng)前小時(shí)和分鐘。

- 環(huán)境光勒克斯亮度門限(默認(rèn)為2勒克斯)

- 照明燈早上關(guān)閉時(shí)間

- 照明燈晚上打開時(shí)間

不是必須設(shè)置早上和晚上的關(guān)閉/打開時(shí)間，如果沒有設(shè)置這些時(shí)間參數(shù)，到了晚上，照明系統(tǒng)將在環(huán)境光強(qiáng)度低于預(yù)設(shè)勒克斯門限時(shí)開啟，當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)上升到該門限以上時(shí)關(guān)閉。該模式下，不處理來自于RTC的時(shí)間信息。

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

如果用戶希望更改設(shè)置信息或希望調(diào)整時(shí)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(gè)參數(shù)。設(shè)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(shè)置完畢后，系統(tǒng)將每次一個(gè)參數(shù)進(jìn)行顯示，用戶可檢查確認(rèn)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(fù)雜，根據(jù)每天的時(shí)間(早上/晚上)和設(shè)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(chǔ)存的光強(qiáng)超出門限時(shí)，則打開或關(guān)閉照明系統(tǒng)。即越過門限的時(shí)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(dǎo)體技術(shù)，系統(tǒng)可按照預(yù)設(shè)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(shè)計(jì)可基于環(huán)境光和時(shí)間信息實(shí)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)。