如何设计智能化照明管理的控制器？

　　为照明系统增加数字化管理
　　户外照明通常是由人工操作机械开关控制照明系统的打开或关闭。为了节省能源，您可能不希望整个晚上都在某个区域开启照明系统，这种情况下，如果能够精确地控制照明系统，在必要的时候自动打开或关闭照明系统，将会带来更多的便利条件。
　　利用控制器可以检测环境光强，天黑时打开照明灯并保持一定的时间间隔，然后在指定时间自动关闭照明灯。早上，则对该过程进行反向操作。如果预定时间内环境光强仍低于预设的照明门限，系统将打开照明灯。环境光足够亮时，系统将关闭照明灯。
　　利用环境光传感器（ALS）检测、测量环境光强，据此设计智能化照明控制器并不困难。由于控制器配备实时时钟（RTC），还可在规定的时间打开或关闭照明系统。本文介绍的管理系统可用于市电照明系统。控制器的勒克斯门限能够以1勒克斯为步长进行编程设置，提供十六进制格式的控制器软件。
　　集成系统组件
　　本设计中的照明控制器利用ALS测量环境光亮度，目前市场上有两种不同的ALS：一种输出与环境光亮度成比例的模拟电压，另一种提供数字输出。本系统采用数字输出ALS。
　　控制器需要知道准确的时间，所以采用实时时钟（RTC）。考虑到可能发生断电，所以时间信息需要备份电池。
　　通过用户界面设置时间和其它参数。这里的用户界面包括两个7段LED显示器和一个按钮。短按按钮时，系统显示时间和其它参数；长按按钮时，可调整时间和参数。
　　系统具有自动/手动开关，以使能手动控制照明灯。
　　系统由市电供电，照明系统通过一个继电器接通/断开电源。系统的数字信号与市电采用电气隔离。
　　系统方框图如图1所示。
　　图2给出了控制系统与市电及照明系统的接线。
　　
　　图1 照明控制器系统
　　
　　图2 控制系统与市电、照明系统的接线
　　人工操作模式下，自动/手动开关必须切换至手动位置。手动模式下，继电器保持导通，照明系统由标准的墙上控制开关打开/关闭。
　　手动/自动开关处于自动模式时，墙上控制开关必须打开，以确保控制器正常工作。如果墙上开关未打开，控制器将无法控制照明。
　　照明系统可能包含多盏照明灯。
　　系统说明
　　系统原理图如图3所示。
　　
　　图3 系统原理图
　　选择关键元件
　　市电电压首先变换到9VAC（RMS），本系统中仅使用一路供电电压（3.3V），所以电源转换器简单明了。利用MAX16910 LDO将变压器副边电压稳压至3.3V。选择LDO的原因主要考虑到了LDO的内部短路保护和热保护，保险丝为500mA PTC Polyswitch®，提供附加保护。
　　系统微控制器为Microchip® PIC18LF4520，工作在8MHz时钟频率。微控制器时钟由MAX7375小尺寸（SC-70）硅振荡器提供，这款振荡器具有优异的温度系数指标，并且抖动非常小。
　　RTC为Maxim的DS1340C，时钟内置振荡器，由备份电源供电时具有超低功耗。DS1340C通过I2C总线通信，内置涓流充电器。因此，如果使用可充电电池或电容作为备份电源，则可通过DS1340C充电。
　　
　　图4 MAX44009 ALS原理图
　　备份电源BT1为0.47mF储能电容，断电时，BT1将为DS1340C RTC供电。该RTC由备份电源供电时，耗流仅为1µA （最大）。采用0.47mF电容、供电电压为3.3V时，RTC可保存计时信息大约36小时。如果需要支持更长的备份时间，则可用两节串联的AA电池代替储能电容。这样可将工作时间从36小时延长至多达数周。然而，注意，此时需要通过向DS1340C的寄存器写08h来禁用DS1340C的涓流充电功能。
　　用户界面极其简单：一个按钮和两个7段LED显示器。显示器由MAX6958 LED驱动器驱动，与ALS和RTC一样，通过I2C总线通信。
　　ALS （图4）不安装在控制器的PCB，而是按照在灯管位置。传感器采用4线连接器J1连接至PCB。该ALS为MAX44009，选用该器件的原因是其超小尺寸（2mm x 2mm）、6引脚UTDFN封装，很容易安装在灯座上（图5）。
　　
　　图5 环境光传感器PCB （左图）安装在灯座上（外壳底部可看到的小黑点）。
　　其它通用设计参数
　　灯具电源由带有变压器T1的继电器控制，因为继电器线圈电压为12V。连接器J2用于编程和调试微控制器。
　　另外，系统还提供4个LED指示：电源打开（V_ON）；系统运行（OK）；7段显示器DS1和DS2提供的小时（HR）或分钟（MIN）指示。
　　定位ALS
　　传感器位置对于良好的工作非常关键。在灯具外壳上钻一个小孔，并用透明胶带密封。ALS的PCB安装在小孔中部，使传感器“看”到并测量环境光亮度。利用热粘接剂将传感器PCB安装至灯具外壳。
　　应慎重选择ALS的位置，如果传感器“看”到来自灯管本身的光线，则会影响白天环境光亮度的测量，造成照明灯不断地闪烁（打开和关闭）。
　　到了晚上，由于照明灯根据时间（而非环境光亮度）关闭，所以ALS定位不成问题。
　　最后，将ALS安装在完全不受照明灯影响的位置几乎是不可能的。正因如此，照明灯关闭门限自动设置在高出软件设置8勒克斯处。这种补偿仅保证灯具的开/关动作发生在大概相同的环境光亮度，并不能消除照明灯闪烁的可能性。
　　系统印制板（PCB）
　　控制器PCB的顶层和底层如图6至8所示。
　　
　　图6 控制器PCB器件位置
　　
　　图7 控制器PCB顶层
　　
　　图8 控制器PCB底层
　　MAX44009 ALS安装在自身的PCB，其PCB的器件位置、顶层和底层如图9和10所示。
　　ALS通过连接器J1连接至控制器的PCB。
　　
　　图9 ALS PCB顶层
　　
　　图10 ALS PCB底层
　　系统器件清单
　　控制器PCB和ALS PCB器件清单请参见表1和表2。
　　表1.控制器PCB器件清单
　　
　　表2. ALS PCB器件清单
　　
　　使用系统
　　图11所示的系统被安装于外壳内。
　　
　　图11 安装于外壳内的系统
　　系统的使用非常简单。利用SET按钮，用户可按照以下顺序定义参数：
　　- 当前小时和分钟。
　　- 环境光勒克斯亮度门限（默认为2勒克斯）
　　- 照明灯早上关闭时间
　　- 照明灯晚上打开时间
　　不是必须设置早上和晚上的关闭/打开时间，如果没有设置这些时间参数，到了晚上，照明系统将在环境光强度低于预设勒克斯门限时开启，当环境光强上升到该门限以上时关闭。该模式下，不处理来自于RTC的时间信息。
　　按下SET按钮的时间短于1秒时，可读取设置信息。系统将依次显示小时、分钟、环境光亮度门限、照明灯关闭时间和照明灯打开时间。
　　如果用户希望更改设置信息或希望调整时间，则按下SET按钮，并保持2s以上，可按照以上顺序每次更改一个参数。设置好参数后，按下SET按钮并保持2s以上，则可保存参数。对所有参数执行相同操作。
　　参数设置完毕后，系统将每次一个参数进行显示，用户可检查确认保存是否正确。
　　软件流程图
　　软件流程图如图12所示。
　　
　　图12 软件方框图
　　软件流程图非常复杂，根据每天的时间（早上/晚上）和设置参数做出各种决策。大约每5秒钟检查一次。
　　连续5次（5s间隔）储存的光强超出门限时，则打开或关闭照明系统。即越过门限的时间超出大约25秒，可将照明灯打开或关闭。
　　总结
　　凭借现代化半导体技术，系统可按照预设方式测量环境光亮度并控制照明系统的开启/关闭。本文介绍了如何设计可基于环境光和时间信息实现智能化照明管理的控制器方案，该系统理想用于市电照明系统。