基于單片機的節能調光控制器

摘要：該文的項目背景是智能節能控制系統的創新項目，其研究的主要目的：在充分利用自然光的前提下，優化智能控制電能輸出，調節燈光，補償亮度，達到節能，恒定照度和享受自然光照效果。針對以上要求：提出一種基于單片機的節能調光控制器，在其中嵌入了智能控制程序，通過計算當前照度和預定照度的差值，來調節燈的亮度補償照度，有效的實現綠色照明。

關鍵詞：照度；節能；調光；單片機

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)35-2258-02

An AdjustingLight Controller Based on MCU

DAI Jie

(Department of Computer Science and Technology， Tongji University， Shanghai 201804， China)

Abstract: The background of this project is an intelligent energy-saving control system for innovative projects， the main purpose of study: optimizing intelligent control power output，under the premise offull using of natural light， adjusting lights， brightness compensation to saving energy，constant illumination and enjoyment of natural lighting effects. In order to meet the requirements: A microcontroller based on the energy-saving lighting controller is considered， it is embedded in the smart control procedures， whichcould calculate the current intensity of the illumination scheduled margin，adjust the brightness of light illumination compensation， and effectively realize the green lighting.

Key words: illumination; energy-saving; adjust light; MCU

1 引言

現今很多學校、辦公室、地鐵里等地方，對照度要求比較高，但是在大部分時間里，外部環境的照明很高，如果經常全功率連續開燈運行來學習，辦公或者運營，既會造成電能的浪費又增加運營的成本。國家建設部對照明節能設計的要求是在保證不降低作業面視覺要求，不降低照明質量的前提下，利用電能，太陽能等能源，力求最大限度地減少照明系統中的能源損失。基于以上背景，本實驗室研制了以白熾燈為照明器件的定量照度裝置，在規定要求的照度內，引入外部環境光照補償內部照度來達到需求的照度，既實現節能，又可以享受自然光照。

2 硬件電路的總體設計

節能調光控制器以P89V51RD2BN單片機為核心，由測量照度電路，單片機，過零檢測電路，可控硅調光電路，溫度設定電路，液晶顯示電路等組成，結構框架圖如1所示。

1）測量照度電路：如圖2所示，當光照照到硅光二極管上時，其上產生弱電流，經過I-V兩級放大轉換，產生可測量的電壓，大小在0-5V ，由于照在硅光二極管上的照度和轉換后的電壓呈現近似的線性關系， 所以可以預先通過調節燈光照度，使其在硅光傳感器的照度為100Lux，然后保持該照度不變，調節可調電阻R5使輸出Out的電壓0.50V，接著保持R5不變，依次驗證當硅光傳感器的照度為200-1000Lx，Out輸出與其成線性關系的電壓在1V-5V。

2）P89V51RD2BN單片機：本控制器的核心，這款單片機功能非常強大，它是一款80C51微控制器，擁有64KB Flash和1024字節的數據RAM， 支持并行和串行在系統編程(ISP)，這些功能給軟件編寫帶來了極大的便利性。調光控制器就是用它的控制軟件實現的。

3）照度設定電路：通過兩個按鍵產生脈沖中斷輸入單片機來調節照度的設定值，每按一次調節1Lx的照度。

4）液晶顯示：1601圖形點陣式液晶顯示模塊，其每隔1s刷新液晶，顯示設定照度，當前照度，節約電能。

5）過零檢驗電路：由于是調節交流白熾燈的亮度，故需要過零檢測電路。220V交流電壓經變壓器轉換為16V交流電壓，再經全波整流轉換成100HZ直流脈動電壓，再通過三極管開通閉合，使電壓過零點時，集電極輸出高電平，不過零時輸出低電平，然后將檢測出的零點信號輸入單片機。

6）可控硅調光電路： 通過光耦將照明強電電路和單片機控制信號進行隔離，防止其干擾單片機的正常工作，單片機定時定量輸出高低電平控制信號來控制光耦的通斷，由此控制可控硅的開啟和閉合來進行白熾燈的調光。

3 軟件設計

3.1 工作原理

此控制器的測試照度的點是固定的，即照度傳感器擺放的地點離照度器具的空間位置是固定不變的。假設預設照度不變，則有：

S預設照度=S外部照度+S燈光照度

當外部照度變強時，降低燈光照度；當外部照度降低時，增強燈光功率補償照度。如此控制照度使其在調光后的總照度保持動態平衡，并與預設照度的差值在誤差允許的范圍之內。

單片機程序將0-1000Lx范圍分成20個等級，每個等級的照度值為50的整數倍。當程序初始化完成后，程序將從ADC轉換器讀取當前照度，然后將其和預設定的照度進行比較，當兩者差值大于50Lx時，程序將啟動延時防抖子程序，每隔1s檢查差值范圍，總計記時時間為4s，當其在4s時間內差值均超過50Lx，則開啟調光子程序，防抖子程序結束，調光子程序先判斷預進行調光等級范圍，然后每1s調光，均勻緩慢的變化照度，比如當前外部照度是200Lx，預設照度是500Lx，則照度差值是300Lx，調光程序會每隔1s，調低50Lx的照度，直到燈的照度達到300Lx，才停止。反之，則判斷為外部人為或者其他原因造成照度的瞬時變化，控制器將不進行調光程序。每隔1s刷新液晶模塊當前顯示當前照度，預設置照度和調光降低照度達到的節約電能。

3.2 節約電能的計算

假設R可控硅導通后的正弦面積/全通正弦面積，則：

（1）

可知P=R·燈泡的額定功率 （2）

則節約的電能公式如下：

W=P·調光后燈泡工作的時間 （3）

為避免單片機進行復雜的數學運算，預先計算出cosπ/20到19π/20（間隔為cosπ/20），再由(2)式計算出需用到的20個P（其中P取0到燈泡的額定功率P額定，間隔為燈泡額定功率的1/20），再根據(3)式按照分段查表法，算出W。

3.3 單片機控制可控硅導通角

單片機控制導通角的時候，等待檢測波形過零，然后啟動定時器，當到達所要求的角度時，將輸出控制位置置高電平.經過延時后，再置為低電平，一般脈沖寬度取3度到8度，寬度太窄會影響控制的可靠性，如果太寬，在導通角很小時，會影響后半周導通角的控制。

3.4 程序具體實現

程序主要分為液晶顯示模塊，中斷模塊，調光模塊，延時檢測模塊，計算節能模塊。

當初始化完成后，燈全功率運行，初始化的照度設定是500lx。主程序是一個while的無限循環，其包括液晶顯示模塊，計算節能模塊和關閉燈泡函數LedOff。液晶顯示模塊對時間精確性要求不高，它的功能函數：液晶顯示函數Display，它將在檢測1s時間到的Display_flag后執行; 計算節能模塊的功能函數：CalPower在檢測到1s時間到的Cal_flag后，執行查表程序，然后疊加計算出總共節省的電能。 函數LedOff在檢測到Bright_Flag后，關閉燈泡。

中斷模塊用到兩個timer定時器：timer1是產生1s定時器，當timer1中斷時要做的工作：

讀取AD轉換完的照度函數：ReadADC，讀取預設定的照度值ReadLx，設置1s的液晶顯示模塊的flag：Display_Flag和計算節能的Cal_flag。 如果外部照度大于預設照度則設置Bright_Flag，反之當第一次檢測到照度差值大于50時則調用延時檢測模塊的調光延時防抖函數NeedAdjust，，計數值Count加1，當Count值為4時，即，連續4次(4s)確認照度差值大于50，則設置需調光flag：Adjust_Flag，并存儲這4次的差值。 調光模塊函數Adjust：當檢測到Adjust_Flag時，將儲存的4次差值取平均值Average后再增減50，等待波形過零點while(!Zero)，然后開啟Timer2定時器，中斷時置位控制光耦信號進行調光，直到Average的值在50以內，則完成調光，并設置flag：Finish_Flag;。具體的流程圖如3、圖4所示：

3.5實驗測試

實驗場景預設條件：保持實驗測試照度的照度傳感器是固定不變，預設照度為500Lx。

實驗測量的數據如表1所示。

由上述測試數據可知，在預設照度為500lx的情況下，當當前照度不小于500lx時， 控制器控制燈光處于熄滅狀態。當當前照度小于500lx時，調光后的誤差小于50Lx，說明控制器工作符合設計要求。

4 小結

該節能控制器設計原理新穎，硬件電路簡單，有很好的節電效果，由于采取了以單片機MCU為核心，所以整個工作的重點在其軟件的編寫方面，這也增加整個系統的可維護性和擴展性，為后續的項目工作提供了支持。以后的項目將解決以下兩個問題：

1）當外部照度大于預定照度時，燈將關閉，但是需求預設照度沒有得到定量上的滿足，在后續的工作中將涉及到這一部分問題的解決，譬如控制窗簾降低照度，

2）給出的系統調光只涉及到交流電，后續的工作將覆蓋直流LED，高頻燈的調光。

參考文獻：

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