智能照明控制器提供環(huán)境光測量與計時(shí)

為照明系統增加數字化管理

戶(hù)外照明通常是由人工操作機械開(kāi)關(guān)控制照明系統的打開(kāi)或關(guān)閉。為了節省能源，您可能不希望整個(gè)晚上都在某個(gè)區域開(kāi)啟照明系統，這種情況下，如果能夠精確地控制照明系統，在必要的時(shí)候自動(dòng)打開(kāi)或關(guān)閉照明系統，將會(huì )帶來(lái)更多的便利條件。

利用控制器可以檢測環(huán)境光強，天黑時(shí)打開(kāi)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(guò)程進(jìn)行反向操作。如果預定時(shí)間內環(huán)境光強仍低于預設的照明門(mén)限，系統將打開(kāi)照明燈。環(huán)境光足夠亮時(shí)，系統將關(guān)閉照明燈。

利用環(huán)境光傳感器(ALS)檢測、測量環(huán)境光強，據此設計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)，還可在規定的時(shí)間打開(kāi)或關(guān)閉照明系統。本文介紹的管理系統可用于市電照明系統?？刂破鞯睦湛怂归T(mén)限能夠以1勒克斯為步長(cháng)進(jìn)行編程設置，提供十六進(jìn)制格式的控制器軟件。

集成系統組件

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(chǎng)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，另一種提供數字輸出。本系統采用數字輸出ALS。

控制器需要知道準確的時(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(guò)用戶(hù)界面設置時(shí)間和其它參數。這里的用戶(hù)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)，系統顯示時(shí)間和其它參數；長(cháng)按按鈕時(shí)，可調整時(shí)間和參數。

系統具有自動(dòng)/手動(dòng)開(kāi)關(guān)，以使能手動(dòng)控制照明燈。

系統由市電供電，照明系統通過(guò)一個(gè)繼電器接通/斷開(kāi)電源。系統的數字信號與市電采用電氣隔離。

系統方框圖如圖1所示。

圖2給出了控制系統與市電及照明系統的接線(xiàn)。

圖1 照明控制器系統

圖2 控制系統與市電、照明系統的接線(xiàn)

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

手動(dòng)/自動(dòng)開(kāi)關(guān)處于自動(dòng)模式時(shí)，墻上控制開(kāi)關(guān)必須打開(kāi)，以確?？刂破髡９ぷ?。如果墻上開(kāi)關(guān)未打開(kāi)，控制器將無(wú)法控制照明。

照明系統可能包含多盞照明燈。

系統說(shuō)明

系統原理圖如圖3所示。

圖3 系統原理圖

選擇關(guān)鍵元件

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

系統微控制器為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)異的溫度系數指標，并且抖動(dòng)非常小。

RTC為Maxim的DS1340C，時(shí)鐘內置振蕩器，由備份電源供電時(shí)具有超低功耗。DS1340C通過(guò)I2C總線(xiàn)通信，內置涓流充電器。因此，如果使用可充電電池或電容作為備份電源，則可通過(guò)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(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可保存計時(shí)信息大約36小時(shí)。如果需要支持更長(cháng)的備份時(shí)間，則可用兩節串聯(lián)的AA電池代替儲能電容。這樣可將工作時(shí)間從36小時(shí)延長(cháng)至多達數周。然而，注意，此時(shí)需要通過(guò)向DS1340C的寄存器寫(xiě)08h來(lái)禁用DS1340C的涓流充電功能。

用戶(hù)界面極其簡(jiǎn)單：一個(gè)按鈕和兩個(gè)7段LED顯示器。顯示器由MAX6958 LED驅動(dòng)器驅動(dòng)，與ALS和RTC一樣，通過(guò)I2C總線(xiàn)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(xiàn)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))。

其它通用設計參數

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

另外，系統還提供4個(gè)LED指示：電源打開(kāi)(V_ON)；系統運行(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。

應慎重選擇ALS的位置，如果傳感器“看”到來(lái)自燈管本身的光線(xiàn)，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(kāi)和關(guān)閉)。

到了晚上，由于照明燈根據時(shí)間(而非環(huán)境光亮度)關(guān)閉，所以ALS定位不成問(wèn)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(mén)限自動(dòng)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(kāi)/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(guò)連接器J1連接至控制器的PCB。

圖9 ALS PCB頂層

圖10 ALS PCB底層

系統器件清單

控制器PCB和ALS PCB器件清單請參見(jiàn)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

圖11所示的系統被安裝于外殼內。

圖11 安裝于外殼內的系統

系統的使用非常簡(jiǎn)單。利用SET按鈕，用戶(hù)可按照以下順序定義參數：

- 當前小時(shí)和分鐘。

- 環(huán)境光勒克斯亮度門(mén)限(默認為2勒克斯)

- 照明燈早上關(guān)閉時(shí)間

- 照明燈晚上打開(kāi)時(shí)間

不是必須設置早上和晚上的關(guān)閉/打開(kāi)時(shí)間，如果沒(méi)有設置這些時(shí)間參數，到了晚上，照明系統將在環(huán)境光強度低于預設勒克斯門(mén)限時(shí)開(kāi)啟，當環(huán)境光強上升到該門(mén)限以上時(shí)關(guān)閉。該模式下，不處理來(lái)自于RTC的時(shí)間信息。

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

如果用戶(hù)希望更改設置信息或希望調整時(shí)間，則按