基于AVR數字PID的LED恒光照明系統設計

楊宏威　趙　瑾　狄利明

(南京師范大學電氣與自動化工程學院，江蘇 南京　210042)

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基于AVR數字PID的LED恒光照明系統設計

楊宏威趙瑾狄利明

(南京師范大學電氣與自動化工程學院，江蘇 南京210042)

摘要：為進一步優化居室健康照明方案，提高調光質量、節能環保，對居室照明調光技術及照明方案進行研究，提出并設計了一種基于AVR數字PID的LED恒光照明系統。詳細介紹了系統的硬件和軟件設計。系統具有成本低、效率高、抗干擾等優點。試驗結果表明，系統可以通過判別有無用戶來實現關啟照明；同時，PID系統能根據人的作息習慣和自然光強弱調整LED亮度，從而實現安全、舒適、健康的室內照明。

關鍵詞：照明系統LED恒光調光智能自動控制AVRPID紅外檢測人體感應PWM

0引言

生活品質的提高，促進了居室LED照明調光技術的進步及照明方案的優化，從一定程度上改善了傳統照明存在的壽命短、功耗大等問題。LED調光技術分為模擬調光和晶閘管調光兩類。模擬調光技術調光范圍窄、功耗大，而晶閘管調光易造成頻閃、功率因素惡化。為克服兩者缺陷，文獻[1]提出PWM調光，用開關LED改變正向電流導通時間來達到調整LED亮度的目的。文獻[1]只考慮了占空比與電流的關系，未考慮光參量的影響。文獻[2]～[3]提出將光參量引入調光系統，與預設閾值比較產生相應PWM調光，但不能實現連續調光。文獻[1]～[2]均局限于手動開光控制，未考慮現代人的一些習慣,造成人去燈亮的能源浪費。為解決人去燈亮問題，文獻[4]～[5]提出人體感應控制技術，有效地緩解了資源浪費現象。為根據環境亮度實現連續調光，文獻[6]提出自適應調光的概念及研究設計，但只給出自適應調光的概念,并未過多研究如何通過算法實現自適應調光。隨著居室照明技術的發展進步及節能環保概念的深入，人們希望LED調光技術不斷有所突破，同時也希望整個照明系統能夠更加人性化、自主化。

針對上述問題，本文提出一種基于AVR數字PID的LED恒光照明設計方案。該方案采用人體紅外檢測，實現居室照明智能關啟；同時加入實時時鐘功能，可自由設定作息時間和符合人體照明的光度值。在此基礎上，采用光感實時采集環境亮度，利用文中提出的AVR數字PID調光技術，將光參量引入PID調節系統中，一方面實現LED恒流調光控制，可更好地解決傳統技術調光粗放、光閃等問題，實現精確調光；另一方面可以根據人的作息表及不同時刻人體適宜的光度值，實現節能環保、舒適、健康的智能LED恒光照明。

1硬件設計

1.1系統結構

系統由電源、LED驅動電路、LED光源模塊、光敏器件、紅外傳感器、時鐘電路、鍵盤、LCD顯示、上位機及控制器核心模塊等部分組成，系統硬件結構如圖1所示。

圖1　系統組成結構圖Fig.1　Structure of system composition

整個系統通過紅外傳感器來判斷是否有人，以決定關啟LED照明；通過時鐘電路設置人的生活作息時間及相應人體適宜光度值；通過光敏器件檢測環境亮度，經AVR數字PID系統處理之后，控制端口輸出0～100%的可調PWM信號，以控制LED恒流驅動電路，最終實現空間的恒光照明。同時，通過上位機或LCD顯示模塊，可實時顯示此時照明空間的光度大小及實時曲線，確保監控系統穩定工作。

1.2主控制器設計

系統采用ATmega128作為核心控制芯片。AVR128[7]是采用AVRRISC結構的8位低功耗CMOS微處理器，其擁有先進的指令集和單周期指令執行時間，數據吞吐率高達1MIPS/MHz，可緩解系統在功耗和處理速度間的矛盾，而且具有ISP功能、可系統內編程、使用方便等優點。

1.3光亮檢測電路

光亮檢測電路采用光電傳感集成芯片BH1620，與其他元件相比，其具有體積小、適應人眼光感度、輸出電流正比于光度、內置可關斷功能、操作簡單、成本低、功能易實現等特點。光亮檢測電路通過該芯片來接收外部光感信號，從而調節光源亮度。其中，光度計算公式為：

UIOUT=0.57 ×10-6×EV×R1

(1)

式中：UIOUT為輸出端的電壓；EV為照明空間亮度。通過該公式,可以將光的強弱直接用電壓大小來表示。

1.4LED恒流驅動電路

LED恒流驅動電路采用的是一款降壓型恒流驅動芯片BP1360。該芯片只要采用極少的外部元器件，就可以驅動高亮度LED。主控芯片AVR128通過改變加在DIM管腳的PWM信號的占空比來實現調光。LED的最大平均電流是由連接在UIN和CS兩端的電阻RS決定的。RS計算方法如下：

RS=(0.1D)/ IOUT

(2)

式中：0≤D≤100%。

1.5紅外檢測電路

基于熱釋電紅外傳感器D203B的紅外檢測電路如圖2所示。D203B的工作原理是：由探測元件將探測并接收到的紅外輻射轉變成微弱的電壓信號，經裝在探頭內的場效應管放大后向外輸出信號。由于D203B本身感應出的信號過于微弱或存在其他雜波信號，所以必須對其信號進行濾波放大。圖2中：U1、U2為兩級濾波放大處理電路，U3為比較放大器。

圖2　紅外檢測電路Fig.2　Infrared detection circuit

當檢測到有人活動時，熱釋檢測器上會產生一個熱波信號。該信號通過由U1及U2組成的兩級放大電路實現濾波放大，再輸入到U3進行電平比較。如果感應信號比基準電壓高(或低)，U3輸出低電平(或高電平)，傳至AVR單片機PD3端口，由AVR分析處理。其中：C3、C5可濾去高頻雜波，U3中滑動變阻器R9可以人工調試，調節感應電路的靈敏度。與此同時，為了提高探測器的探測靈敏度、增大探測距離，一般會在探測器的前方裝設一個菲涅爾透鏡，這樣可以測出10～20m范圍內人的活動，最大限度地進行精確判斷，避免人去燈亮。

2軟件設計

為了使系統軟件設計更加高效與準確，提出如下控制要求：

①實現人體紅外檢測功能，自動判斷有無人物，決定關啟照明，關啟延時100ms。

②實現LED驅動電路恒流控制，進而實現光度可控，調節范圍要求在5%～95%。

③實現光亮檢測功能，探測光度范圍在200～10 000lx。

④能設定生活作息表及對應時間國際規定適宜人體光度值，實現人性化健康照明。

2.1主程序設計流程

系統控制流程如圖3所示。第一步，完成系統初始化，包括I/O初始化、T/C初始化、變量初始化等；第二步，根據人的作息習慣設定相應的人體適應光值；第三步，由紅外檢測程序判斷是否有人，如果有人出現，系統開始采集光度并判斷是否達到設定值，然后由PID系統進行分析處理，判斷是否要輸出PWM調節信號，最終確保居室空間光照恒定。在程序設計過程中，核心的控制程序是數字PID程序、PWM控制程序及總體控制管理程序，其設計的好壞將直接影響系統功能的實現與調光技術的優劣。整個系統軟件設計流程圖如圖3所示。

圖3　系統軟件流程圖Fig.3　Flowchart of system software

2.2數字PID算法及其程序設計

PID控制器由比例(P)、積分(I)和微分(D)三種基本控制作用組合而成[8-10]。在數字系統中，選擇合適的采樣周期T獲取離散數據，并根據參考值r(k)與反饋值b(k)的差構成控制誤差量e(k)；誤差量經過比例項Kp、積分項KiZ-1、微分項KdZ運算后求和，構成控制變量u(k)?？刂破鬏敵鰑(k)與輸入e(k)之間的關系式為：

Td/Ts[e(k)-e(k-1)]}

(3)

式中：KP為比例增益；Ti為可調積分時間常數；Td為可調微分時間常數。

為了便于軟件編程，需要對式(3)作一變換：

Td/Ts[e(k-1)-e(k-2)]}

(4)

整合式(3)～式(4)，可得：

Δμ(k)=q0e(k)+q1e(k-1)+q2e(k-2)

(5)

式中：q0=Kp[1+Ts/Ti+Td/Ts];q1=-Kp[1+2Td/Ts];q2=Kp[Td/Ts];ei=S-Yi，S為光度設定值，Yi為第i次的實際光照輸出值。

從式(3)、式(4)可知式(5)為增量式數字PID，只要三次誤差采樣值即可。由上述增量式數字PID算法和本系統所涉及的控制量，設計了系統PID程序流程，如圖4所示。

圖4　數字PID程序設計流程圖Fig.4　The design flowchart of digital PID program

從圖4可知，根據作息時間下對應的設定照明空間光度值S與實際居室空間照度Yi的絕對誤差不為零時，須人為配置PID參數后由PID系統對誤差進行處理，執行PWM程序，最終使得照明空間達到設定光照。系統除人為配置PID參數外，其他是自我校正穩定的過程，是寬范圍、高精度的PWM調光過程。

2.3PWM程序設計

ATmega128有2個8位定時計數器和2個16位的定時計數器。為使PWM的控制精度更高、響應速度更快，采用AVR定時器1的快速PWM模式14，具體設定如下。

①TCCR1A/ TCCR1B設置PWM輸出通道、波形發生模式及時鐘分頻。

②ICR1/OCR1A/OCR1B/OCR1C設置PWM周期及通道脈寬。

③DDRB |=(1<

根據PWM頻率公式foc=fclk/2N(1+TOP),設置PWM頻率foc為10 kHz、fclk=1 MHz、ICR1為50(代表TOP值)，OCR1A就代表PWM輸出占空比值；N為1分頻。

3試驗及結果分析

為實時監測PID系統在環境亮度變化情況下的調節過程，實時采集、記錄相關數據并繪制曲線，檢驗PID系統調光的有效性及系統工作的穩定性,設計了上位機軟件。系統可自由設置作息表及對應光度值、檢測環境光度大小，并記錄PID系統PWM調節曲線。

模擬真實場景下，環境亮度出現突變時系統調節過程曲線如圖5所示。

圖5　PID系統調節過程曲線Fig.5　The curves of regulation process of PID system

檢測到有人時，LED處于正常照明環境下，即光感電壓UIOUT為2.5 V、OCR1A_PWM占空比值為24，實測曲線如圖5(b)所示。這時，用光壓值約3.5 V的手機電筒模擬環境亮度突然增大，可以看到圖5(b)

光度曲線瞬間出現波峰，PID系統快速響應，實時減小調節PWM曲線，出現低谷曲線。待穩定一段時間后，使環境亮度突然減小，可看到光度曲線出現波谷，同時PID系統快速響應，實時增加PWM調節。由圖5可以看出,PID調光技術下的LED照明系統具有快速響應、自我穩定的特性。

4結束語

經試驗表明，當PID參數取KP=14.8、KI=0.2、KD=0.002時，系統調光精度達到±5%，取得較佳效果,最終可以實現居室恒光照明。

本文最大的創新點在于將數字PID控制思想引入調光系統，并在此提出恒光照明設計概念；與此同時，采用人體紅外檢測技術，能有效避免人去燈亮的現象，實現照明的節能環保。除此以外，本文在提出PID調光技術的同時，考慮到了人的不同生活習慣、體質與自由調光的關系。

由于PID參數的確定須人工整定，不能根據控制環境自行調整，故系統在智能化的程度上有待提高，需要后續的繼續完善。本設計雖考慮到照度對生活作息的影響，卻沒有考慮色溫對人體生理的影響，在以后的研究中可以進一步將色溫的控制加入該控制系統中，從而使系統更加完善。

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中圖分類號：TH7;TP273+.2

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201607014

DesignofLEDConstantLightIlluminationSystemBasedonAVRDigitalPID

Abstract：To further promote healthy illumination,improve dimming quality,energy saving and environmental protection,the illumination dimming technology and illumination solution for living rooms are studied,and the LED constant light illumination system based on AVR digital PID is put forward and designed; the design of the system hardware and software is introduced in detail.The system has advantages of low cost,high efficiency and anti-interference capability.Experimental tests show that the system can turn on and off the illumination by distinguishing there is any user or not.The PID system can also adjust the brightness of LED in accordance with people's activity habits and natural light intensity; implement safe,comfortable and healthy indoor illumination.

Keywords:Illumination systemLEDConstant lightDimmingIntelligentAutomatic controlAVRPIDInfrared detectionHuman body inductionPulse width modulation

修改稿收到日期：2015-12-18。

第一作者楊宏威(1989—)，男，現為南京師范大學控制理論與控制工程專業在讀碩士研究生；主要從事過程控制、嵌入式系統及應用等方向的研究。