色温自调的LED智能照明系统的设计

2017-01-05 02:28

田宝森,杨涛,汪为,严幸开,熊艳  (长江大学物理与光电工程学院,湖北 荆州434023)

       摘要:设计了一种根据环境温度自动调节白光LED色温的智能照明系统,系统是基于MSP430单片机与DS18B20数字温度传感器构成的测温模块与LED模块。系统上电后,温度传感器就会读出当前环境的温度,并将当前的温度数据传给MSP430,经数据处理后再用调控电流来控制三色LED芯片的亮度,达到用户体验舒适的色温,提供更人性化、个性化、智能化的服务。

  关键词:单片机;数字温度传感器;色温自调  

0引言

  照明在人们生活中无处不在,随着人们生活水平的提高,人们对照明的要求也越来越高了,不只是为了在黑暗中能看清东西,更需要光照给用户舒适的体验,现在市场上智能照明系统种类繁多,以满足人们的不同需求。本文设计了一种色温自调的LED智能照明系统,针对人们心理的特点,根据环境温度自动调节白光LED的色温,并提供更加人性化、个性化和智能化的服务。例如夏天炎热时,LED照明系统给出偏冷色的白光,让人有更加凉爽的感觉,而冬天则发出偏暖色的白光,以达到温暖的心理效果。本文介绍基于单片机及数字温度传感器的系统来控制照明亮度和色温的详细方案及原理。从整体分析,照明亮度和色温是通过控制RGB三色LED芯片上通过的电流,再进行混色和适配得到的。

1设计方案及工作原理

  要满足上述需求,首先,系统要能检测环境温度,所以使用温度传感器对环境温度进行检测,再根据当前温度对照明设备的色温进行调整,控制整套系统的单片机采用MSP430。由于调光需要同时控制三路LED,数据处理量大,然而MSP430具有处理能力强、运算速度快等特点,这样可以减少反应时间。  光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时,黑体的温度称为该光源的色温。光源色温不同,光色也不同,带来的感觉也不相同。在色温小于3 000 K时,光照颜色为偏红的白光,让人感觉略带温暖;色温在3 000~5 000 K范围时,光照颜色为白色,此时适合一般照明;当色温大于5 000 K时,光照颜色为偏蓝的白光,容易让人有清凉的感觉。

  该照明设备使用RBG三原色混色,以得到不同色温。如表1所示,当温度低于18℃时,照明光源为1挡,为较强的偏暖色光,红、绿、蓝LED的电流比例约为16.2: 6:1.4;温度在18~24℃时,照明光源为2挡,给出偏暖色光,红、绿、蓝LED的电流比例大概为16.2:6:2.6;温度在24~26℃时,照明光源为3挡,接近等能白光,红、绿、蓝LED的电流比例大概为15.2:5.4:2.6;温度在26~30℃时,照明光源为4挡,为偏冷白光,红、绿、蓝LED的电流比例大概为15.2:7.8:4;温度高于30℃时,照明光源为5挡,为较强的偏冷色光,红、绿、蓝LED的电流比例大概为14.2:7.8:4。这里所说电流比例仅限在二极管的线性区间内。照明系统的几挡不同色温的归一化白光光谱如图1所示,其中1~5挡光谱的CIE色坐标分别为:(0.336,0.336),(0.336,0.336),(0.336,0.330),(0.294,0.329),(0.300,0.329)。随着温度的变化,三色LED的电流相应改变,从而白光光谱中红、绿、蓝色发光的相对强度随之变化。

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       该照明系统结构图如图2所示,温度传感器对环境温度进行采集后,发送数据到MSP430单片机中,单片机经过数据处理后输出三路信号到驱动电路中用以调节LED亮度及色温,根据不同的温度分别调节出不同的色温挡,即上述的1~5挡光源。

2系统硬件设计

  照明系统硬件主要由DS18B20、4位数码管、MSP430单片机[1]、TLV5614[2]、N沟道MOS管和LED所组成。系统硬件结构图如图3所示。首先,数字温度传感器DS18B20将数字量传送给单片机,单片机对数据处理后,用4位数码管(HS2481BS)显示出当前温度值;然后使用DA转换(TI TLV5618)输出不同电压以控制NMOS管,通过增加或减小电压以控制从NMOS管(2n7002)通过LED的电流,从而控制LED的亮度的增强和减弱;最后混色以达到相应的照明色温。 

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      各个组成部分介绍:(1)4位数码管是4位7段式显示器件,可以显示数字,用来显示温度。(2)MSP430单片机也称混合信号处理器,可以针对实际应用需求,将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上,以提供“单片机”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中[3],这里使用MSP430作为微控制器,用来读取并处理DS18B20的数据和控制LED。(3)DAC采用TI公司生产的TLV5614四路12位电压输出型数模转换器。(4)NMOS是N沟道MOS管,属于电压控制电流型器件并通过DAC提供电压以控制输送给LED芯片的电流大小。(5)LED是将红绿蓝芯片封装在一起的照明器件。

3系统软件设计

  该系统的软件采用C语言[4]编程。 图4显示了系统主流程图和子流程图。系统子流程主要是按键控制挡位。由于设备刚刚开启,温度传感器从温度系数晶振到计数器最后到寄存器需要一定的预置时间。首先,预置一个值,作为温度的参考值,通过控制电流来调节照明设备,直接给出白光。然后持续进行温度感应检测,当检测温度处于某个区间内时,通过增减LED芯片的控制电流来调节各个颜色芯片的发光强度,以达到预定光源的色温图4系统流程图值。当光源亮度和色温达不到体验者的要求值时,可通过按键对光源的亮度和色温进行调控。

图像 011.png

4结论与展望 

 本文中的照明系统设计已应用于灯具产品设计,并对该灯具的亮度和色温的分级调控进行了测试。实际应用表明该系统测试准确,稳定可靠, 根据此系统生产出的智能照明灯具,在环境温度高时,光源色温较高;在环境温度低时,光源色温较低。后续将把温度区间分段式控制光源色温挡位调节改进成线性的调节,也就是说每一个不同的环境温度照明,系统将给出一个不同的光源色温,用于照明。在设计时,为了更加人性化,温度传感器将会在采集的时间间隔上做适当的变化,防止灯具闪烁。如果将LED驱动方式改为PWM波,则控制更方便、灵活,动态响应更好,而且开关电源的效率更高。当LED亮度较暗时,MOS消耗较多,要解决此问题,可将LED的驱动方式改为PWM波控制,以进一步提高照明效率。

  参考文献

  [1] 沈建华,杨艳琴.MSP430单片机简介:MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.  

       [2] TI.TI产品说明书[Z].2000.

  [3] 张友德.单片微型机原理、应用与实验[M].上海:复旦大学出版社,2005.

  [4] 振杰.C++程序设计[M].北京:人民邮电出版社,2005.