智能照明控制器提供環境光測量與計時

為照明系統增加數字化管理

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

利用控制器可以檢測環境光強，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閉照明燈。早上，則對該過程進行反向操作。如果預定時間內環境光強仍低于預設的照明門限，系統將打開照明燈。環境光足夠亮時，系統將關閉照明燈。

利用環境光傳感器(ALS)檢測、測量環境光強，據此設計智能化照明控制器并不困難。由于控制器配備實時時鐘(RTC)，還可在規定的時間打開或關閉照明系統。本文介紹的管理系統可用于市電照明系統。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。

集成系統組件

本設計中的照明控制器利用ALS測量環境光亮度，目前市場上有兩種不同的ALS：一種輸出與環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間，所以采用實時時鐘(RTC)。考慮到可能發生斷電，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。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，系統顯示時間和其它參數；長按按鈕時，可調整時間和參數。

系統具有自動/手動開關，以使能手動控制照明燈。

系統由市電供電，照明系統通過一個繼電器接通/斷開電源。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。

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

人工操作模式下，自動/手動開關必須切換至手動位置。手動模式下，繼電器保持導通，照明系統由標準的墻上控制開關打開/關閉。

手動/自動開關處于自動模式時，墻上控制開關必須打開，以確保控制器正常工作。如果墻上開關未打開，控制器將無法控制照明。

照明系統可能包含多盞照明燈。

系統說明

系統原理圖如圖3所示。

圖3 系統原理圖

選擇關鍵元件

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，這款振蕩器具有優異的溫度系數指標，并且抖動非常小。

RTC為Maxim的DS1340C，時鐘內置振蕩器，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，則可用兩節串聯的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驅動器驅動，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

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用于編程和調試微控制器。

另外，系統還提供4個LED指示：電源打開(V_ON)；系統運行(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，則會影響白天環境光亮度的測量，造成照明燈不斷地閃爍(打開和關閉)。

到了晚上，由于照明燈根據時間(而非環境光亮度)關閉，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/關動作發生在大概相同的環境光亮度，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

系統的使用非常簡單。利用SET按鈕，用戶可按照以下順序定義參數：

- 當前小時和分鐘。

- 環境光勒克斯亮度門限(默認為2勒克斯)

- 照明燈早上關閉時間

- 照明燈晚上打開時間

不是必須設置早上和晚上的關閉/打開時間，如果沒有設置這些時間參數，到了晚上，照明系統將在環境光強度低于預設勒克斯門限時開啟，當環境光強上升到該門限以上時關閉。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。系統將依次顯示小時、分鐘、環境光亮度門限、照明燈關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整時間，則按