1 系統簡(jiǎn)介及工作原理

系統由PIC16F690單片機、TSL2561光照度傳感器、LED光源和LED驅動(dòng)電路4部分組成。由于LED的亮度與工作電流成正比，故調節工作電流即可調節LED的發(fā)光亮度。目前主要有調節正向電流和脈沖調制調光兩種調光方法。由于脈寬調制調光具有不會(huì )產(chǎn)生任何色彩偏移、調光精度高、結合數字技術(shù)調光、調光范圍寬、不閃爍等優(yōu)點(diǎn)，故本文選用脈沖調制調光。

系統主要由TSL2561采集光照度反饋給PIC16F690處理芯片，經(jīng)過(guò)PIC16F690進(jìn)行相應的算法處理，輸出隨光照度規律變化的PWM波形，經(jīng)過(guò)帶有PWM接口的驅動(dòng)電路驅動(dòng)LED燈從而實(shí)現調光。系統框圖如圖1所示。


同時(shí)，在本系統中加入了人體運動(dòng)控制以及按鍵控制，能夠檢測人體運動(dòng)，實(shí)現在無(wú)人時(shí)自動(dòng)關(guān)閉LED燈，進(jìn)一步減少電能浪費;按鍵能夠調節PWM波形的頻率以及設定環(huán)境最大光照度，使系統更為人性化。

1.1 PIC16F690單片機

PIC16F690單片機具有高性能的RISC CPU、低功耗以及豐富的外設資源，能夠滿(mǎn)足本系統的硬件資源需求。由于該款單片機資源豐富，既滿(mǎn)足系統需求，又不十分浪費資源，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度數字轉換芯片。該芯片的應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度上下閾值，當檢測光照度超過(guò)閾值時(shí)能產(chǎn)生中斷信號;

②數字輸出符合標準的SMBus和I2C總線(xiàn)協(xié)議;

③可編程控制模擬增益和數字輸出時(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的內部結構如圖2所示。其內部有兩個(gè)光敏二極管通道，即通道0和通道1，其中通道0對可見(jiàn)光和紅外線(xiàn)都敏感，通道1僅對紅外線(xiàn)敏感。流過(guò)光敏二極管的電流經(jīng)過(guò)積分式A/D轉換器轉換為數字量，轉換完后將數字量存入芯片內部的寄存器中。積分式A/D轉換器將在一個(gè)積分周期完成后自動(dòng)進(jìn)行積分轉換過(guò)程。TSL2561可以通過(guò)對其內部16個(gè)寄存器設定來(lái)控制，該16個(gè)寄存器可通過(guò)標準的SMBus或者I2C總線(xiàn)協(xié)議訪(fǎng)問(wèn)。

[page]
2 硬件設計

2.1 控制電路設計

控制電路主要由PIC16F690的最小系統組成，包括復位電路、輸入按鍵電路、下載調試電路、供電電路、晶振電路以及相應的信號輸入/輸出接口。

由于本系統的研究重點(diǎn)在于調光算法，且系統屬于小功率，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穩壓芯片。

下載調試電路根據微芯公司提供的資料，采用微芯集成仿真器ICD3，接口電路根據官方資料設計。復位電路以及晶振電路按照常用電路設計?？傮w硬件框圖如圖3所示。


2.2 驅動(dòng)電路設計

圖4為基于恒流LED控制芯片NCL30160的LED驅動(dòng)電路。NCL30160是安森美半導體推出的一款NFET遲滯降壓、恒流LED驅動(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的低導通阻抗內部MOSFET及以100%占空比工作的能力，能夠提供能效高達98%的方案。最高1.4 MHz的高開(kāi)關(guān)頻率使設計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NCL30160的數據手冊及輸出要求計算外圍器件參數。系統采用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(cháng)ED燈串電流。圖4中的C5采用官方數據手冊推薦的取值。電感L1及ROT由式(2)～(4)得到。式中，toff、ton、△I、RDS(oN)的取值參考數據手冊;VIN在此處取為24 V，DCRL為電感電阻，此處取為0 Ω。

[page]
3 軟件設計

軟件設計包括主程序設計、I2C總線(xiàn)通信程序設計、調光算法設計，以及運動(dòng)控制和按鍵輸入程序設計4部分，是實(shí)現系統智能化控制的核心。

3.1 主程序設計

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)人模式和有人調光模式。恒照度算法在定時(shí)中斷處理程序中實(shí)現。


3.2 調光算法設計

調光算法主要實(shí)現光照度信號的采集、數據處理運算并通過(guò)相應的算法實(shí)現實(shí)時(shí)跟蹤補償照度，從而實(shí)現平滑調光。TSL2561光照度傳感器數字輸出符合I2C總線(xiàn)標準協(xié)議，實(shí)現光照度采集必須實(shí)現TSL2561通信。I2C總線(xiàn)標準協(xié)議的讀寫(xiě)方法主要有硬件實(shí)現和軟件模擬，由于PIC16F690控制器沒(méi)有自帶的I2C總線(xiàn)接口，故本文采用軟件模擬實(shí)現的方法。

采集進(jìn)來(lái)的數據經(jīng)過(guò)TSL2561標準規定的數據計算后獲得光照度，將采集進(jìn)來(lái)的室內光照度與設定的標準值比較，計算出LED需要補償的照度值，并轉化為處理器內PWM寄存器的值，記為當前PWM值。將前PWM寄存器值記為PWM原值。將PWM原值與當前PWM值不斷比較遞增或遞減，使PWM輸出以極小的步長(cháng)跟蹤當前PWM值，從而實(shí)現平滑調光。此算法還能解決啟動(dòng)跳變問(wèn)題，使系統啟動(dòng)時(shí)PWM由零慢慢變化到當前PWM值。調光算法程序流程圖如圖6所示。


3.3 運動(dòng)控制和按鍵輸入程序設計

運動(dòng)控制采用紅外熱電釋人體運動(dòng)傳感器，能夠檢測室內是否有人，通過(guò)判斷人體的活動(dòng)情況選擇相應的照明模式。若有人則選擇調光模式，若無(wú)人則關(guān)閉LED燈，進(jìn)一步節能。

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定值?？紤]到單片機的硬件資源和合理的調光需求，時(shí)鐘預分頻比設定為4，頻率變化范圍為10～100 kHz，光照度最大設定值根據多次測量各時(shí)間段的光照度選取合適的調節范圍，故光照度最大設定值范圍為350～500。

4 實(shí)驗結果

本實(shí)驗使用TSL2561光照度傳感器、控制電路、驅動(dòng)電路。LED負載為5顆1 W的LED串聯(lián)，恒定電流為350 mA。系統的工作狀態(tài)可分為有人和無(wú)人，當傳感器檢測為無(wú)人時(shí)，PWM輸出關(guān)閉，此時(shí)LED燈串熄滅;反之，則根據室內光照度自動(dòng)調節LED燈串的亮度。由于實(shí)驗條件限制，室內光照度改由遮光窗簾遮擋窗戶(hù)強光來(lái)實(shí)現。如果系統數據和波形與理論分析一致，則說(shuō)明系統設計正確。理論計算公式如下：

式中，LUXF為反饋回來(lái)的光照度值。

表1是在多云天氣條件下測得的實(shí)驗數據。系統根據不同的室內照度，調節PWM輸出波形從而改變LED光亮度。由于室內照度計探頭位置放置和TSL2561傳感器有一定的偏差，故數據存在一定的誤差。即在有人時(shí)，根據式(5)計算PWM占空比與示波器顯示波形基本吻合;無(wú)人時(shí)，無(wú)論室內光照度值是多少，PWM占空比均為零，LED不照明。將實(shí)驗數據與理論值進(jìn)行比較，考慮一定誤差的情況下，基本吻合。輸出部分PWM波形如圖7所示，分別為室內光照為22.82 lx和317.08 lx時(shí)的PWM波形。

結語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗證明，系統按照程序設計，能夠很好地進(jìn)行恒照度控制;運動(dòng)控制在無(wú)人時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，一旦檢測到有人活動(dòng)時(shí)，馬上進(jìn)行恒照度控制。同時(shí)系統設置了調節調光頻率和最大光照度值，能夠根據不同要求做適當的改變。恒照度自適應調光和人體運動(dòng)控制有效實(shí)現了節能要求。

相關(guān)閱讀：

多IO口的LED驅動(dòng)電路設計，精且簡(jiǎn)！
入門(mén)指導：LED驅動(dòng)電源知識集錦
實(shí)例證明：LED驅動(dòng)電路是并聯(lián)設計還是串聯(lián)設計好！