田寶森，楊　濤，汪　為，嚴(yán)幸開，熊　艷

(長江大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，湖北 荊州434023)

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色溫自調(diào)的LED智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

田寶森，楊濤，汪為，嚴(yán)幸開，熊艷

(長江大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，湖北 荊州434023)

設(shè)計(jì)了一種根據(jù)環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)白光LED色溫的智能照明系統(tǒng)，系統(tǒng)是基于MSP430單片機(jī)與DS18B20數(shù)字溫度傳感器構(gòu)成的測溫模塊與LED模塊。系統(tǒng)上電后，溫度傳感器就會(huì)讀出當(dāng)前環(huán)境的溫度，并將當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)傳給MSP430，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后再用調(diào)控電流來控制三色LED芯片的亮度，達(dá)到用戶體驗(yàn)舒適的色溫，提供更人性化、個(gè)性化、智能化的服務(wù)。

單片機(jī)；數(shù)字溫度傳感器；色溫自調(diào)

引用格式：田寶森，楊濤，汪為，等. 色溫自調(diào)的LED智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(16)：32-33，37.

0　引言

照明在人們生活中無處不在，隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)照明的要求也越來越高了，不只是為了在黑暗中能看清東西，更需要光照給用戶舒適的體驗(yàn)，現(xiàn)在市場上智能照明系統(tǒng)種類繁多，以滿足人們的不同需求。本文設(shè)計(jì)了一種色溫自調(diào)的LED智能照明系統(tǒng)，針對(duì)人們心理的特點(diǎn)，根據(jù)環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)白光LED的色溫，并提供更加人性化、個(gè)性化和智能化的服務(wù)。例如夏天炎熱時(shí)，LED照明系統(tǒng)給出偏冷色的白光，讓人有更加涼爽的感覺，而冬天則發(fā)出偏暖色的白光，以達(dá)到溫暖的心理效果。本文介紹基于單片機(jī)及數(shù)字溫度傳感器的系統(tǒng)來控制照明亮度和色溫的詳細(xì)方案及原理。從整體分析，照明亮度和色溫是通過控制RGB三色LED芯片上通過的電流，再進(jìn)行混色和適配得到的。

1　設(shè)計(jì)方案及工作原理

要滿足上述需求，首先，系統(tǒng)要能檢測環(huán)境溫度，所以使用溫度傳感器對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行檢測，再根據(jù)當(dāng)前溫度對(duì)照明設(shè)備的色溫進(jìn)行調(diào)整，控制整套系統(tǒng)的單片機(jī)采用MSP430。由于調(diào)光需要同時(shí)控制三路LED，數(shù)據(jù)處理量大，然而MSP430具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快等特點(diǎn)，這樣可以減少反應(yīng)時(shí)間。

光源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光色相同時(shí)，黑體的溫度稱為該光源的色溫。光源色溫不同，光色也不同，帶來的感覺也不相同。在色溫小于3 000 K時(shí)，光照顏色為偏紅的白光，讓人感覺略帶溫暖；色溫在3 000～5 000 K范圍時(shí)，光照顏色為白色，此時(shí)適合一般照明；當(dāng)色溫大于5 000 K時(shí)，光照顏色為偏藍(lán)的白光，容易讓人有清涼的感覺。

該照明設(shè)備使用RBG三原色混色，以得到不同色溫。如表1所示，當(dāng)溫度低于18℃時(shí)，照明光源為1擋，為較強(qiáng)的偏暖色光，紅、綠、藍(lán)LED的電流比例約為16.2: 6：1.4；溫度在18～24℃時(shí)，照明光源為2擋，給出偏暖色光，紅、綠、藍(lán)LED的電流比例大概為16.2:6：2.6；溫度在24～26℃時(shí)，照明光源為3擋，接近等能白光，紅、綠、藍(lán)LED的電流比例大概為15.2:5.4:2.6；溫度在26～30℃時(shí)，照明光源為4擋，為偏冷白光，紅、綠、藍(lán)LED的電流比例大概為15.2:7.8:4；溫度高于30℃時(shí)，照明光源為5擋，為較強(qiáng)的偏冷色光，紅、綠、藍(lán)LED的電流比例大概為14.2:7.8:4。這里所說電流比例僅限在二極管的線性區(qū)間內(nèi)。照明系統(tǒng)的幾擋不同色溫的歸一化白光光譜如圖1所示，其中1～5擋光譜的CIE色坐標(biāo)分別為：(0.336，0.336)，(0.336，0.336)，(0.336，0.330)，(0.294，0.329)，(0.300，0.329)。隨著溫度的變化，三色LED的電流相應(yīng)改變，從而白光光譜中紅、綠、藍(lán)色發(fā)光的相對(duì)強(qiáng)度隨之變化。

表1　隨溫度設(shè)置的照明系統(tǒng)電流比例

圖1　LED照明系統(tǒng)歸一化發(fā)光光譜

圖2　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

該照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，溫度傳感器對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行采集后，發(fā)送數(shù)據(jù)到MSP430單片機(jī)中，單片機(jī)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后輸出三路信號(hào)到驅(qū)動(dòng)電路中用以調(diào)節(jié)LED亮度及色溫，根據(jù)不同的溫度分別調(diào)節(jié)出不同的色溫?fù)?，即上述?～5擋光源。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

照明系統(tǒng)硬件主要由DS18B20、4位數(shù)碼管、MSP430單片機(jī)[1]、TLV5614[2]、N溝道MOS管和LED所組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。首先，數(shù)字溫度傳感器DS18B20將數(shù)字量傳送給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)處理后，用4位數(shù)碼管(HS-2481BS)顯示出當(dāng)前溫度值；然后使用DA轉(zhuǎn)換(TI TLV5618)輸出不同電壓以控制NMOS管，通過增加或減小電壓以控制從NMOS管(2n7002)通過LED的電流，從而控制LED的亮度的增強(qiáng)和減弱；最后混色以達(dá)到相應(yīng)的照明色溫。

圖3　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

各個(gè)組成部分介紹：(1)4位數(shù)碼管是4位7段式顯示器件，可以顯示數(shù)字，用來顯示溫度。(2)MSP430單片機(jī)也稱混合信號(hào)處理器，可以針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，將多個(gè)不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供“單片機(jī)”解決方案。該系列單片機(jī)多應(yīng)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中[3]，這里使用MSP430作為微控制器，用來讀取并處理DS18B20的數(shù)據(jù)和控制LED。(3)DAC采用TI公司生產(chǎn)的TLV5614四路12位電壓輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器。(4)NMOS是N溝道MOS管，屬于電壓控制電流型器件并通過DAC提供電壓以控制輸送給LED芯片的電流大小。(5)LED是將紅綠藍(lán)芯片封裝在一起的照明器件。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖4　系統(tǒng)流程圖

該系統(tǒng)的軟件采用C語言[4]編程。 圖4顯示了系統(tǒng)主流程圖和子流程圖。系統(tǒng)子流程主要是按鍵控制擋位。由于設(shè)備剛剛開啟，溫度傳感器從溫度系數(shù)晶振到計(jì)數(shù)器最后到寄存器需要一定的預(yù)置時(shí)間。首先，預(yù)置一個(gè)值，作為溫度的參考值，通過控制電流來調(diào)節(jié)照明設(shè)備，直接給出白光。然后持續(xù)進(jìn)行溫度感應(yīng)檢測，當(dāng)檢測溫度處于某個(gè)區(qū)間內(nèi)時(shí)，通過增減LED芯片的控制電流來調(diào)節(jié)各個(gè)顏色芯片的發(fā)光強(qiáng)度，以達(dá)到預(yù)定光源的色溫值。當(dāng)光源亮度和色溫達(dá)不到體驗(yàn)者的要求值時(shí)，可通過按鍵對(duì)光源的亮度和色溫進(jìn)行調(diào)控。

4　結(jié)論與展望

本文中的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)已應(yīng)用于燈具產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并對(duì)該燈具的亮度和色溫的分級(jí)調(diào)控進(jìn)行了測試。實(shí)際應(yīng)用表明該系統(tǒng)測試準(zhǔn)確，穩(wěn)定可靠, 根據(jù)此系統(tǒng)生產(chǎn)出的智能照明燈具，在環(huán)境溫度高時(shí)，光源色溫較高；在環(huán)境溫度低時(shí)，光源色溫較低。后續(xù)將把溫度區(qū)間分段式控制光源色溫?fù)跷徽{(diào)節(jié)改進(jìn)成線性的調(diào)節(jié)，也就是說每一個(gè)不同的環(huán)境溫度照明，系統(tǒng)將給出一個(gè)不同的光源色溫，用于照明。在設(shè)計(jì)時(shí)，為了更加人性化，溫度傳感器將會(huì)在采集的時(shí)間間隔上做適當(dāng)?shù)淖兓?，防止燈具閃爍。如果將LED驅(qū)動(dòng)方式改為PWM波，則控制更方便、靈活，動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好，而且開關(guān)電源的效率更高。當(dāng)LED亮度較暗時(shí)，MOS消耗較多，要解決此問題，可將LED的驅(qū)動(dòng)方式改為PWM波控制，以進(jìn)一步提高照明效率。

[1] 沈建華，楊艷琴.MSP430單片機(jī)簡介：MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.[2] TI.TI產(chǎn)品說明書[Z].2000.

[3] 張友德.單片微型機(jī)原理、應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)[M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,2005.

[4] 振杰.C++程序設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社,2005.

An intelligent LED white lighting system with self-adjustable color temperature

Tian Baosen, Yang Tao, Wang Wei, Yan Xingkai, Xiong Yan

(School of Physics and Optoelectronic Engineering, Yangtze University, Jingzhou 434023, China)

An intelligent LED white lighting system was designed based on MSP430 microcontroller, DS18B20 digital temperature sensor and LED module. The environmental temperature information was recorded by the temperature sensor and then transmitted to MSP430 to further control the luminance of R, G and B chips, in order to serve comfort lighting with appropriate color temperature.

microcontroller; digital temperature sensor; self-adjustable color temperature

湖北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201205745)；長江大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展基金應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目

TN312

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.16.009

2016-03-21)

田寶森(1993-)，男，本科在讀，主要研究方向：光電信息科學(xué)與工程。

楊濤(1995-)，男，本科在讀，主要研究方向：光電信息科學(xué)與工程。

熊艷(1980-)，通信作者，女，博士，副教授，主要研究方向：半導(dǎo)體光電器件。E-mail: yxiong@yangtzeu.edu.cn。