為基本燈具添加數(shù)字大腦

室外照明通常使用機(jī)械開關(guān)手動(dòng)打開或關(guān)閉。但是，假設(shè)您不想整夜照亮某個(gè)區(qū)域。在這種情況下，更精確地控制照明將是有利的，這樣您就可以在規(guī)定的時(shí)間自動(dòng)關(guān)閉/打開照明。

控制器可以感知環(huán)境光，在天黑時(shí)打開燈，跟蹤時(shí)間間隔，并在指定時(shí)間自動(dòng)關(guān)閉燈。早上，這個(gè)過程可以逆轉(zhuǎn)。如果環(huán)境光水平在預(yù)定時(shí)間低于預(yù)設(shè)的勒克斯閾值，系統(tǒng)將打開燈。當(dāng)環(huán)境變得足夠亮以超過相同的勒克斯閾值時(shí)，它將關(guān)閉燈。

設(shè)計(jì)一個(gè)智能照明控制器，使用環(huán)境光傳感器（ALS）感測(cè)和測(cè)量環(huán)境光水平并不困難。控制器配備實(shí)時(shí)時(shí)鐘 （RTC），還知道何時(shí)在指定時(shí)間打開或關(guān)閉照明。這里介紹的系統(tǒng)可用于控制所有由主電源供電的燈具。控制器的勒克斯級(jí)閾值可完全以單勒克斯步長進(jìn)行編程。控制器軟件以十六進(jìn)制格式提供。

整體系統(tǒng)組件

此設(shè)計(jì)中的照明控制器需要測(cè)量環(huán)境光水平，這是通過 ALS 完成的。目前市場(chǎng)上有兩種不同類型的ALS產(chǎn)品：一種輸出與環(huán)境光水平成比例的模擬電壓，另一種以數(shù)字格式輸出。該系統(tǒng)使用帶有數(shù)字輸出的ALS。

控制器需要知道確切的時(shí)間，因此使用實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）。為了預(yù)測(cè)可能的斷電，時(shí)間信息需要備用電池。

需要用戶界面來設(shè)置時(shí)間和其他參數(shù)。此處的用戶界面由兩個(gè) 7 段 LED 顯示屏和一個(gè)按鈕組成。只需短按按鈕，系統(tǒng)即可顯示時(shí)間和其他參數(shù)。長按按鈕，可以調(diào)整時(shí)間和參數(shù)。

系統(tǒng)具有自動(dòng)/手動(dòng)開關(guān)，可手動(dòng)打開或關(guān)閉燈。

系統(tǒng)電源來自主電源。燈具的電力通過繼電器打開/關(guān)閉。系統(tǒng)的數(shù)字部分與主電源隔離。

系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1.照明控制器系統(tǒng)

圖2進(jìn)一步說明了系統(tǒng)與電源電壓和燈具的接線。

圖2.系統(tǒng)連接到電源電壓和燈具

當(dāng)系統(tǒng)在手動(dòng)模式下使用時(shí)，必須將自動(dòng)/手動(dòng)開關(guān)切換到手動(dòng)。在手動(dòng)模式下，繼電器持續(xù)開啟，燈具使用標(biāo)準(zhǔn)壁燈開關(guān)打開/關(guān)閉。

當(dāng)自動(dòng)/手動(dòng)開關(guān)處于自動(dòng)模式時(shí)，必須打開標(biāo)準(zhǔn)壁燈開關(guān)，以便控制器可以正常工作。如果墻壁開關(guān)未打開，則控制器無法打開燈具。

一個(gè)系統(tǒng)可以包含多個(gè)燈具。

系統(tǒng)說明

系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3.系統(tǒng)原理圖（更詳細(xì)的圖像）)

選擇基本組件

電源電壓轉(zhuǎn)換為 9VAC （RMS）。該系統(tǒng)僅使用一個(gè)電壓軌（3.3V），因此電源轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)單明了。變壓器副邊電壓通過MAX3 LDO調(diào)節(jié)至3.16910V。之所以選擇該 LDO，是因?yàn)樗哂袃?nèi)置的短路和熱保護(hù)功能。F1 是一個(gè) 500mA PTC 多晶開關(guān)，用于額外的保護(hù)。?

系統(tǒng)微控制器是Microchip PIC18LF4520，以8MHz時(shí)鐘頻率運(yùn)行。微控制器的時(shí)鐘為MAX7375，這是一款非常小的（SC-70）硅振蕩器，之所以選擇MAX<>，是因?yàn)樗哂谐錾臏囟认禂?shù)和極小的抖動(dòng)。?

RTC是DS1340C。該時(shí)鐘具有內(nèi)置振蕩器，因此當(dāng)電源來自備用電源時(shí)，它會(huì)消耗超低功耗。DS1340C與I2C總線接口。它還具有內(nèi)置的涓流充電器。因此，如果使用可充電電池或電容作為備用電源，DS1340C始終充滿電。

備用電源BT1是一個(gè)0.47mF存儲(chǔ)器存儲(chǔ)電容器。在斷電的情況下，BT1將向DS1340C RTC供電。當(dāng)該RTC由備用電源供電時(shí)，它僅消耗1μA （最大值）電流。使用0.47mF電容和3.3V電容電壓時(shí)，RTC將保留時(shí)序信息約36小時(shí)。如果需要更長的備份時(shí)間，可以用兩節(jié)串聯(lián)的AA電池代替存儲(chǔ)器存儲(chǔ)電容器。這將使運(yùn)行時(shí)間從 36 小時(shí)延長到幾個(gè)月。但請(qǐng)注意，現(xiàn)在DS1340C的內(nèi)置涓流充電器需要通過向DS0C的寄存器00h寫入1340x08h來禁用。

用戶界面非常簡(jiǎn)單：一個(gè)按鈕和兩個(gè) 7 段 LED 顯示屏。顯示器由MAX6958 LED顯示驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，與I2C接口，ALS和RTC也是如此。

ALS（圖 4）未安裝在控制器的 PCB 上，而是安裝在燈具機(jī)箱內(nèi)。傳感器使用連接器 J4 通過 1 芯電纜連接到 PCB。選擇這款 ALS 是 MAX44009，因?yàn)樗捎贸?（2mm x 2mm）、6 引腳 UTDFN 封裝，可輕松安裝在燈具機(jī)箱內(nèi)（圖 5）。

圖4.MAX44009 ALS原理圖

圖5.環(huán)境光傳感器 PCB（左圖）安裝在燈具機(jī)箱內(nèi)（機(jī)箱底部可見小黑點(diǎn)）。燈具照片由馬爾科·坎尼斯托提供

其他通用設(shè)計(jì)參數(shù)

由于繼電器線圈電壓為 1V，燈具電源由帶有晶體管 T12 的繼電器控制。連接器J2用于編程和調(diào)試微控制器。還有 4 個(gè)指示燈 LED：開機(jī) （V_ON）;系統(tǒng)運(yùn)行（正常）;和小時(shí) （HR） 或分鐘 （MIN） 顯示在帶有 DS7 和 DS1 的 2 段顯示器上。

定位肌萎縮側(cè)索硬化癥

傳感器放置對(duì)于良好操作至關(guān)重要。在燈具機(jī)箱上鉆一個(gè)小孔，并用透明膠帶密封。ALS的PCB放置在孔的中間，因此傳感器可以“看到”并測(cè)量環(huán)境光水平。傳感器 PCB 使用熱膠連接到燈具機(jī)箱上。

應(yīng)仔細(xì)考慮 ALS 的放置。如果傳感器“看到”燈具本身的光線，則無法在早晨正確測(cè)量環(huán)境光水平。這可能會(huì)導(dǎo)致燈具連續(xù)閃爍。

然而，在晚上，這種ALS定位不是問題，因?yàn)槿缓蟾鶕?jù)時(shí)間而不是基于環(huán)境光水平關(guān)閉燈。

最后，幾乎不可能將ALS放置在無法感應(yīng)到燈具本身的任何光線的地方。因此，燈具在早上的關(guān)閉勒克斯閾值在軟件中會(huì)自動(dòng)設(shè)置為大于 8 勒克斯。這種補(bǔ)償只能確保燈具的開/關(guān)在大致相同的環(huán)境光水平下發(fā)生。這并不能消除燈具閃爍的可能性。

系統(tǒng)印刷電路板 （PCB）

控制器PCB的頂部和底部層如圖6至8所示。

圖6.控制器印刷電路板零件放置

圖7.控制器PCB頂側(cè)層

圖8.控制器PCB底側(cè)層

MAX44009 ALS安裝在自己的PCB上。其PCB部件的頂部和底部層位置如圖9和10所示。

圖9.ALS 印刷電路板頂部層

圖 10.ALS 印刷電路板底側(cè)層

ALS 通過連接器 J1 連接到控制器的 PCB。

系統(tǒng)部件列表

控制器PCB和ALS PCB零件列表如表1和表2所示。

圖 11.系統(tǒng)安裝到盤柜中。照片由Marko Kannisto提供

使用該系統(tǒng)相當(dāng)簡(jiǎn)單。使用 SET 按鈕，用戶可以按以下順序定義這些參數(shù)：

當(dāng)前小時(shí)和分鐘

環(huán)境光勒克斯級(jí)別閾值（默認(rèn)值為 2 勒克斯）

晚上的燈光關(guān)閉時(shí)間

早上的燈光開啟時(shí)間

不必設(shè)置晚上和早上的關(guān)閉/打開時(shí)間。如果未設(shè)置，則當(dāng)環(huán)境光在黑暗中超過預(yù)設(shè)的勒克斯級(jí)閾值時(shí)，燈具將打開;當(dāng)環(huán)境光超過該閾值時(shí)，它將關(guān)閉。在此模式下，不會(huì)處理來自 RTC 的時(shí)間信息。

按下SET按鈕不到1秒即可讀取編程信息。然后，系統(tǒng)將按該順序顯示小時(shí)、分鐘、環(huán)境勒克斯級(jí)別閾值、燈光關(guān)閉時(shí)間和燈光開啟時(shí)間。

如果用戶想要更改編程參數(shù)或想要調(diào)整時(shí)間，請(qǐng)按住SET按鈕超過2秒。然后可以按與上述相同的順序一次設(shè)置一個(gè)參數(shù)。當(dāng)要對(duì)參數(shù)進(jìn)行編程時(shí)，按下SET按鈕的時(shí)間超過2s，以便記錄參數(shù)。對(duì)所有參數(shù)執(zhí)行相同的過程。

對(duì)所有參數(shù)進(jìn)行編程后，系統(tǒng)將一次顯示一個(gè)參數(shù)，以便用戶可以驗(yàn)證所有參數(shù)是否正確存儲(chǔ)。

軟件框圖

軟件框圖如圖 12 所示。

圖 12.軟件框圖

該軟件的流程圖很復(fù)雜。該軟件根據(jù)一天中的時(shí)間（晚上/早上）和編程參數(shù)做出許多決策。這些決策大約每 5 秒審查一次。

存儲(chǔ)的勒克斯閾值需要連續(xù)超過五次，間隔 5 秒才能打開或關(guān)閉燈光。或重述，必須超過閾值約 25 秒才能打開或關(guān)閉指示燈。

總結(jié)

借助現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)，設(shè)計(jì)一種以預(yù)設(shè)方式測(cè)量環(huán)境光水平和控制照明的控制器并不困難。本應(yīng)用筆記解釋了如何設(shè)計(jì)智能照明控制器，根據(jù)環(huán)境光和時(shí)間信息打開/關(guān)閉燈。該系統(tǒng)可用于控制所有主電源供電的燈具。

審核編輯：郭婷