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。設置好參數后，按下SET按鈕并保持2s以上，則可保存參數。對所有參數執行相同操作。

　　參數設置完畢后，系統將每次一個參數進行顯示，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，根據每天的時間（早上/晚上）和設置參數做出各種決策。大約每5秒鐘檢查一次。

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

　　總結

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