照度及色溫自適應調節的LED臺燈設計

陳鏡羽，葛愛明

(復旦大學 光源與照明工程系，上海 200433)

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照度及色溫自適應調節的LED臺燈設計

陳鏡羽，葛愛明

(復旦大學 光源與照明工程系，上海 200433)

本文以單片機為控制器，采用色彩傳感器獲取工作面上的照度及混合光的色溫信息來構建反饋環，設計了一種具有照度及色溫自適應調節能力的LED臺燈。經過實驗驗證，在不同的環境中，該臺燈均能提供良好的工作面照明，在節約能源的同時，帶來更加舒適的用戶體驗。

LED臺燈；照度；相關色溫；色彩傳感器；調光控制；照明；控制

引言

隨著LED照明技術的飛速發展，人們對照明的追求也由亮度和價格需求提升到品質、環保和舒適等方面[1-2]。目前市面上的 LED 臺燈有兩種：一種不可調光調色；另一種可以手動調光調色。當外界光環境發生變化時，前者無法提供恒定舒適的照明環境，后者手動調節的過程全憑使用者的感覺，很容易出現長時間使用強光或者是弱光的情況，對眼睛造成傷害[3]，并且手動調節多有不便，與現代家電的智能化、人性化、低碳設計理念相違背[4-5]。除此之外，不同的用戶對于色溫的偏好不同，不同的使用場景下用戶對LED臺燈色溫的需求也不盡相同，例如在工作狀態下，需要冷白光以保持清醒，而在睡眠或接近睡眠時則暖色光更合適[6-7]。為了更好地滿足用戶對于光環境的品質和舒適度的需求，本文設計了一種具有照度及色溫自適應調節能力的LED臺燈，當外界的光強度變化時該臺燈可以自動調節，提供恒定照度、恒定色溫的光環境。

1 臺燈整體設計

如圖1所示，臺燈的整體結構包括控制電路MCU、兩路雙通道LED驅動、色彩傳感器、輸入電平轉換電路與RGBW LED陣列。

圖1 臺燈系統結構圖Fig.1 Overview of the desk lamp

LED陣列由Cree的多芯片LED產品XLamp MC-E組成，如圖2所示。該COB LED單顆內部封裝了四種不同顏色的LED芯片，分別為紅光、綠光、藍光以及中性白或冷白。單個芯片的最大輸入電功率高達2 W。且發光強度能夠被單獨調節，可根據需求產生各種不同色溫的光輸出。

圖2 (a)多芯片LED XLamp MC-E；(b)4種LED芯片的光譜分布圖Fig.2 (a)Multi-chip LED XLamp MC-E; (b)Spectra distribution of the 4 color LED chips

色彩傳感器位于臺燈燈座上，能夠測量由環境光和LED光組成的混合光的光譜信息，并通過數據總線將信息反饋給MCU，用于完成照度與色溫值的計算。MCU將測量計算值與目標值相比較，實時控制兩路雙通道LED驅動器的輸出，以實現照度及色溫的自適應調節。

臺燈的輸入電壓為24 V，通過外部的電源適配器完成市電到低壓直流電的轉換。由于MCU和色彩傳感器的工作電壓為3.3 V，因此還需要在PCB板上添加電平轉換電路。

2 硬件電路設計

2.1 MCU控制電路

MCU根據設定的調光策略以及色彩傳感器反饋的光譜信息，完成對LED驅動電路的動態調節。本設計選用了Silicon Laboratories的8位微控制器C8051F330，該MCU采用高速、流水線結構的8051兼容的CIP-51內核，具有標準8052的所有外設部件。如圖3所示，MCU生成四路獨立的PWM信號，分別控制不同顏色LED芯片的光輸出。PWM的頻率為1 kHz，遠高于人眼可察覺的頻率上限；占空比值為8位數據，配合后文所述的LED驅動電路，電流調節精度高達0.4%。另外，MCU內部集成有SMBus接口，能夠非常方便地與色彩傳感器TCS3414CS通信。

圖3 MCU控制電路及C2接口Fig.3 MCU control circuit and C2 interface

2.2 色彩傳感器

為了能夠同時獲得混合光的照度和色溫信息，本設計中采用了AMS的四通道色彩傳感器TCS3414CS。如圖4(a)所示，該傳感器具有紅光、綠光、藍光與無濾光片(即全光譜)四個采光通道，且前三個通道的光譜響應曲線輪廓與峰值位置與人眼三刺激值較為接近，如圖4(b)所示。

圖4 (a)TCS3414光譜響應曲線；(b)人眼三刺激值Fig.4 (a)Response curve of TCS3414; (b)tristimulus of human eyes

因此，通過對這三個通道的積分響應數值進行矩陣運算，即能換算出對應的照度和色溫值[8]，以作為調光策略的輸入參數。工作面上的照度E為

E=(-0.324 66)R+(1.578 37)G+(-0.731 91)B

(1)

其中R，G，B分別為三個通道的測量值。混合光的相關色溫CCT計算過程如下

(2)

(3)

(4)

CCT=449n3+3 525n2+6 823.3n+5

(5)

如圖5所示，色彩傳感器通過I2C總線實現與

MCU通信，一次采樣的積分時間為154 ms。

圖5 色彩傳感器電路Fig.5 Color sensor circuit

2.3 LED驅動電路

如圖6所示，LED驅動電路采用了Diodes的雙通道線性LED驅動芯片AL1792。該芯片支持模擬調光與PWM調光兩種模式，調光精度高達0.4%，同時具備溫度保護和低壓關斷功能。如式(6)所示，芯片每個通道的最大輸出電流值由采樣電阻Rset決定，其中參考電壓值Uref的典型值為1.5 V。本設計一共使用6顆多芯片LED，每顆LED中相同顏色的芯片分別串聯后接到驅動芯片的一個通道上。設計選取Rset為6 kΩ，則每一路的LED的最大輸出電流為500 mA。四種顏色芯片的導通壓降分別為2.3 V(R)，3.7 V(G)，3.5 V(B)及3.5 V(W)，因此，臺燈的最大輸出功率為39 W。MCU產生不同的占空比組合來控制驅動輸出，以實現不同色溫和強度的混合光輸出。

(6)

圖6 LED驅動電路Fig.6 LED diver circuit

3 調光控制策略

目前市面上的可調色臺燈一般使用兩種色溫差距較大的LED來實現光色調節。當目標色溫較高時，臺燈會提高冷色溫LED輸出，同時調暗暖色溫LED，反之亦然[9]。然而，這樣的調光策略存在兩個問題。其一，沒有考慮到環境光的影響。工作面上的照明環境是由環境光與臺燈照明共同組成的，當環境光在工作面上產生的照度較高，且其色溫與目標色溫差距較大時，LED光和環境光組成的混合光的色溫便達不到要求。本設計中通過采用色彩傳感器，主動檢測混合光的色溫作為調節依據，解決了該問題。其二，照度要求和色溫要求往往難以同時兼顧。例如使用2 500 K色溫和6 500 K色溫的LED進行混合調節時，若目標色溫較高，則2 500 K色溫的LED輸出所占比重會很低，甚至完全關閉。此時僅靠6 500 K色溫的LED進行照明，就有可能達不到照度要求。另一方面，若以滿足照度為優先條件，提高2 500 K色溫的LED輸出，則混合光的色溫又偏離了目標值。針對這一情況，本設計中采用了如下的調光策略。

1)使用彩色照度計分別測量出每路LED驅動單獨輸出且占空比為1時的光譜數據。基于這4組數據，使用Matlab的優化工具箱，求解出當輸出總光通相同時，不同預設色溫下能夠使顯色指數及光效達最佳的占空比組合，并將這些組合參數寫入到MCU中。此處的預設色溫為4路LED混合光的色溫，不包括環境光。表1列出了10種預設色溫下的占空比組合，以及對應的LED合成光譜的顯色指數及光效。圖7為LED合成光譜的功率分布曲線。

表1 不同預設色溫下的占空比組合及對應的顯色指數與光效Table 1 Duty cycle sets with Ra and luminous efficiency under different preset CCT condition

圖7 不同占空比組合下LED合成光譜的功率分布曲線Fig.7 Power distribution of LED spectra generated by different duty cycle sets

3)MCU將實際照度值與目標照度值進行對比。若二者的差值落在了設定的閾值之外，則同時等比例同方向地調節兩路“虛擬”LED的輸出值，經過不斷的負反饋調節，使實際照度值重新落回閾值內。當實際照度滿足需求之后，MCU開始比較實際色溫與目標值的偏差。同樣的，若二者的偏差較大，則調節兩路“虛擬”LED的輸出比值：若色溫偏高，則提高暖色溫“虛擬”LED的輸出，并等比例反方向調節冷色溫“虛擬”LED；反之亦然。此時不用考慮對目標照度值的影響，因為“基底”光譜的光通量是相同的。控制的流程如圖8所示。

圖8 照度與色溫的控制流程圖Fig.8 Flow chart of illuminance and CCT control

(7)

其中Kw,c(n)分別為當前時刻暖色溫和冷色溫LED占空比向量的權重，Kw,c(n+1)為下一時刻的權重，P為比例系數，e為目標照度與實際照度的差值。為避免輸出在設定值附近出現震蕩，比例系數的設置不宜過大；但比例系數設置太小又會帶來調節過程緩慢的問題。經過實際調試，P可取0.002。色溫調節的過程與照度調節類似，只是兩個權重系數計算時的比例系數符號相反。

(8)

4 實驗與數據分析

本文采用了兩組實驗來驗證臺燈設計的可行性。如圖8所示，LED陣列由支架固定，控制板位于工作面上，LED陣列中心距離色彩傳感器30 cm。圖9(a)為目標色溫3 400 K，目標照度為500 lx時的實驗場景圖；圖9(b)為目標色溫5 200 K，目標照度為750 lx時的實驗場景圖。表2列出了不同場景下的實驗結果。

圖9 (a)3 400 K/500 lx 實驗場景圖；(b)5 200 K/750 lx實驗場景圖Fig.9 (a)3 400 K/500 lx experiment; (b)5 200 K/750 lx experiment

場景開燈前照度/lx開燈前色溫/K實驗1：500lx/3400K實驗2：750lx/5200K開燈后照度/lx開燈后色溫/K開燈后照度/lx開燈后色溫/K夜間無燈光0N/A49333567355156開遠處日光燈187413649134597405100開近處日光燈326428751834667395136正午開窗戶238520748734987535182

從實驗數據可以看出，在不同的實驗場景下，照度的偏差小于4%，色溫的偏差小于2%。實驗中未出現輸出震蕩，且從開燈到穩定的調節周期小于12個，即穩定時間均在2 s以內。由此可以看出，該具備有照度與色溫自適應的臺燈在不同的外部條件下，都能為其下的工作面提供滿足需求的照明環境。本文沒有設計具體的燈具機械結構，在實際生產中，可以將PCB置于燈具底座中，同時在色彩傳感器上方開一個小窗口，并安裝透明材料，以使得光線能夠照射到傳感器上。值得注意的是，由于窗口材料的透過率不為1，因此在安裝窗口后需要在程序內對傳感器采樣計算得到的照度值進行線性補償。另外，使用的窗口材料的光譜透過率在可見光范圍內應該近似為常數，以避免色溫測量出現較大誤差。

5 結論

本文以單片機為控制器，采用色彩傳感器獲取工作面上的照度及混合光色溫信息來構建反饋環，設計了一種具有照度色溫自適應調節能力的LED臺燈。經過實驗驗證，在不同的環境中，該臺燈均能提供良好的工作面照明，在節約能源的同時，帶來更加舒適的用戶體驗。

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The Design of A Self-Adaptive Illuminance and Color Temperature Adjustable LED Desk Lamp

CHEN Jingyu，GE Aiming

(Department of Light Sources and Illuminating Engineering, Fudan University, Shanghai 200433；China)

In this paper, a self-adaptive LED desk lamp is designed. By utilizing the MCU as an intelligent controller and the color sensor to obtain illuminance on the work plane and the correlated color temperature value of mixed light, this LED desk lamp is capable for both illuminance and CCT control. Experimental results show that, in different environments, the lamp can provide satisfactory lighting condition with energy saved, leading to a more comfortable user experience.

LED desk lamp; illumination; CCT; color sensor; dimming control; lighting; control

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.03.014