單片機(jī)智能照明調(diào)光系統(tǒng)的研究

單片機(jī)智能照明調(diào)光系統(tǒng)的研究１、引言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)自身生活水平以及生存環(huán)境也有了更高的要求。傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)因其機(jī)械單調(diào)的照明方式以及有差別區(qū)域亮度等缺陷,已無(wú)法滿(mǎn)足人們的需求?，F(xiàn)階段出現(xiàn)的各種豪華燈飾,其突出的特點(diǎn)僅僅是為了滿(mǎn)足裝飾空間和環(huán)境的需要,而在均勻照明及保護(hù)視力方面考慮不足，更談不上HYPERＬINＫ＂http：//wwｗ．ｄqjsw．ｃ/tａg/zhinenｈua＿64０＿1。html＂＼t"_blaｎk”智能化。針對(duì)傳統(tǒng)照明存在的缺陷，本文提出一種智能化的照明系統(tǒng)。這種照明系統(tǒng)可通過(guò)模式選取，智能化的調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)照度,以滿(mǎn)足人們對(duì)照明的各種不同需求，增加照明模式并可通過(guò)對(duì)系統(tǒng)程序的編程改變照明模式。具有無(wú)階躍的光亮度調(diào)節(jié)方式，使照明區(qū)域內(nèi)的光線(xiàn)更趨于人性化和個(gè)性化。2、研究方法分析傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)之所以有諸多缺點(diǎn)，是與照明系統(tǒng)本身設(shè)計(jì)有關(guān)。在傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)中,對(duì)于室內(nèi)照度的調(diào)節(jié)多局限光源處,而對(duì)光源輸出光通量和室內(nèi)各點(diǎn)照度的關(guān)系分析不足，對(duì)光源輸出光通量調(diào)節(jié)的方法研究不足。本文針對(duì)上訴不足,在對(duì)室內(nèi)各點(diǎn)照度情況的分析基礎(chǔ)上,得出光源光通量與各點(diǎn)照度的關(guān)系,結(jié)合上述關(guān)系給出智能調(diào)節(jié)的一種方案.2.1智能化照明的實(shí)現(xiàn)為了實(shí)現(xiàn)智能化照明,首先應(yīng)當(dāng)解決如下問(wèn)題：光源應(yīng)如何分布問(wèn)題,光HYPERLINK”http：／/www。dqjsｗ。com.cｎ／diaｎqｉ／cｈuangaｎｑｉ/＂\ｔ＂_ｂlanｋ"傳感器的分布如何真實(shí)反映室內(nèi)平均照度問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)智能化控制的方案問(wèn)題，光源光強(qiáng)度如何調(diào)整的問(wèn)題等.(1）采光模塊分布：光敏材料在其周?chē)恼斩劝l(fā)生變化時(shí)，物理量會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變,故可將亮度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。因此，采用光敏材料對(duì)該點(diǎn)照度信號(hào)進(jìn)行采集,通過(guò)Ａ/Ｄ模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以此構(gòu)成光電傳感單元。光源和傳感器的分布，須遵循以下原則：①燈具布置需滿(mǎn)足工作、生活需求；②傳感單元的分布必須能夠真實(shí)的反映室內(nèi)照度;③光源與傳感單元之間須無(wú)障礙,傳感單元的分布位置在滿(mǎn)足前一條件的基礎(chǔ)上可適當(dāng)調(diào)節(jié)。在滿(mǎn)足以上原則的條件下，本設(shè)計(jì)以點(diǎn)光源分布為例予以說(shuō)明。光源采用多點(diǎn)均勻分布，傳感單元?jiǎng)t視室內(nèi)面積和光源數(shù)目而定。如：在廠(chǎng)房中，作業(yè)場(chǎng)所需實(shí)現(xiàn)無(wú)影作業(yè)，因此采用大量光源均勻分布于作業(yè)場(chǎng)所上方，為能夠真實(shí)反映作業(yè)場(chǎng)所照度情況，將傳感單元均勻分布于作業(yè)場(chǎng)所四周和上空；在室內(nèi)，為了滿(mǎn)足人們各種需求，光源采用多點(diǎn)均勻分布方式，傳感單元置于墻體四周。我們以室內(nèi)光源分布為例予以進(jìn)一步說(shuō)明。光源采用3×3陣列分布，如圖1所示：

圖1光源與傳感器分布圖圖中M代表傳感器，A代表光源，將傳感器分布于墻體四周，據(jù)地面２ｍ以上同一水平面處。光源成陣列形式分布與頂上天＊板,到傳感器垂直距離為H，水平距離為D，空間距離為L(zhǎng)，夾角為θ。照度計(jì)算：如圖2所示，設(shè)傳感單元受光面為S，取其中一個(gè)微面元ds;面元ds對(duì)點(diǎn)光源Ａ所張的微立體角元為dω，則ｄω=ｄs／L２。而點(diǎn)光源A在微立體角元dω范圍內(nèi)射向被照面N的光通量ｄφ，由光強(qiáng)定義可知：?

那么，由照度的定義可求得點(diǎn)光源A在微面元dｓ上產(chǎn)生的照度Ev：

由此可知，全部光源作用下傳感器Mi表面上某點(diǎn)的照度為：?

則傳感器Ｍi感光表面上的照度為:?

當(dāng)傳感單元與光源足夠遠(yuǎn)時(shí)，可將傳感單元視為一個(gè)點(diǎn),故此時(shí)：

?

圖2點(diǎn)光源指向傳感單元處照度我們以圖１(ａ)所示分布為例,進(jìn)行說(shuō)明。其中i表示的是傳感器的阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)識(shí)，j表示是光源的阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)識(shí)，則:?

即：?

P為光通傳遞矩陣，其中Pij表示光源j到傳感器i處的光通傳遞函數(shù)。當(dāng)我們將光源和傳感器分布固定時(shí),P則為一個(gè)固定值。因此我們選擇調(diào)節(jié)光源光強(qiáng)I，實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)光.2。2智能調(diào)控方案由式（8）我們可以看出，將燈具和傳感器分布確定后，光通傳遞函數(shù)固定,要改變傳感器各處照度時(shí),需調(diào)節(jié)光源光強(qiáng).我們?nèi)砸詧D1（a)圖為例進(jìn)行說(shuō)明。結(jié)合式(５),從圖上我們可以看出,光源對(duì)傳感器的照度影響是以距離和夾角衡量的。也就是說(shuō),距傳感器最近的光源對(duì)傳感器的影響最大，影響的比例是與距離的平方成反比的.以圖1(ａ）為例,傳感器所測(cè)的數(shù)據(jù)為M，則:?

其中Ｅｖi表示傳感器i處所測(cè)得照度數(shù)據(jù)，為了使行列式W真實(shí)反映傳感器分布,故在無(wú)傳感器處以“０”表示。預(yù)先設(shè)定照度數(shù)據(jù)為Ｗo(hù),則:??

將式（9）與式（10)做差，可得差值行列式ΔW，則：?

式（11)表示，所測(cè)數(shù)據(jù)與理想數(shù)據(jù)的差值。若差值為正,表示該處照度過(guò)大;若為負(fù),表示該處照度過(guò)大。“0"處,暫無(wú)需調(diào)節(jié)。結(jié)合式(８），可知:?

式中Ｐ為固定參數(shù)，調(diào)節(jié)ΔEＭ只能通過(guò)調(diào)節(jié)ΔI.ΔＩ的調(diào)節(jié)，選擇使用相關(guān)二級(jí)調(diào)節(jié)。所謂相關(guān)二級(jí)調(diào)節(jié)，就是指在調(diào)節(jié)某處照度時(shí),首先將該處照度差值與相鄰兩處照度差值相關(guān)，找出相關(guān)性，再予以調(diào)節(jié)。為了在程序中容易實(shí)現(xiàn)，相關(guān)正負(fù)關(guān)系足以達(dá)到設(shè)計(jì)需求。其次，在調(diào)節(jié)時(shí)，根據(jù)相關(guān)結(jié)果，予以分級(jí)調(diào)節(jié)。以圖3為例,進(jìn)行說(shuō)明。

圖3調(diào)節(jié)說(shuō)明由式3，可知M6處所測(cè)的照度數(shù)據(jù)與L2成反比。故調(diào)節(jié)時(shí),以M6為圓心，分別以光源距M６距離中最近的二個(gè)兩個(gè)距離為半徑畫(huà)圓,為上圖所示.所謂二級(jí)調(diào)節(jié),是指調(diào)節(jié)時(shí)，第一級(jí)調(diào)節(jié)也就是重點(diǎn)調(diào)節(jié)距傳感器最近光源，其次第二級(jí)調(diào)節(jié)時(shí)依據(jù)相關(guān)性調(diào)節(jié)第二個(gè)圓所交傳感器。舉例說(shuō)明,假設(shè)，ΔEM６為負(fù),ΔEＭ4為正,ΔＥM7為負(fù)。由于ΔEM６為負(fù)，首先增加A７的光強(qiáng)I7，增加量為ΔI7。第二步,將ΔEＭ6、ΔEＭ4、ΔＥM7相關(guān)，可知，第二級(jí)時(shí),只增加A8的光強(qiáng)Ｉ8，增加量為ΔI8。其增加量關(guān)系應(yīng)為：?

2．3光源光通量調(diào)節(jié)控制目前調(diào)節(jié)光強(qiáng)的方法主要有兩種,一種是調(diào)功,一種是調(diào)壓。本設(shè)計(jì)采用后者調(diào)壓的方式。硬件實(shí)現(xiàn)上我們采用將市電通過(guò)整流電路轉(zhuǎn)換為直流電流,后將直流電流通過(guò)逆變電路轉(zhuǎn)化為交流電供光源使用.我們通過(guò)控制逆變電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的控制。該部分很多資料已涉及，故不是本文討論重點(diǎn).對(duì)其電壓的控制量變化，是通過(guò)軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)的。將正弦波等分為256份，將一份作為一個(gè)調(diào)節(jié)因子,調(diào)節(jié)過(guò)程中，依據(jù)邏輯運(yùn)算單元得出的數(shù)據(jù)乘以調(diào)節(jié)因子,并對(duì)逆變電路實(shí)施控制，從而達(dá)到調(diào)節(jié)光源光通量的目的。3智能照明系統(tǒng)方案依據(jù)以上理論計(jì)算分析，為了實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的智能化控制目標(biāo)并使照明系統(tǒng)光照均勻穩(wěn)定，本系統(tǒng)采用閉合反饋的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)光照度的HYPＥRLINK”htｔp://www。ｄqｊｓw。ｃｏｍ.ｃn/"\t＂_ｂlank"自動(dòng)調(diào)節(jié)。3．1方案原理為了對(duì)室內(nèi)各處照度，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，因此采用如文中的“2．１智能化照明的實(shí)現(xiàn)"中的（１)處提及的分布,使用傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)照度采集。將采集到數(shù)據(jù)通過(guò)智能控制單元,予以實(shí)時(shí)控制，其原理如圖4所示：?

圖4系統(tǒng)原理圖上圖僅以一路信號(hào)說(shuō)明處理情況，其余各路處理方式與此路相同。我們首先使用傳感器將光信號(hào)采樣成8位2５６級(jí)的數(shù)字電信號(hào)，由低到高分別表示光線(xiàn)由暗到明.將光亮度分為256級(jí)，首先是由于數(shù)字信號(hào)在后續(xù)處理中較為方便，其次是因?yàn)椋?6個(gè)級(jí)別在人的感知中是一個(gè)連續(xù)漸變的過(guò)程,不會(huì)產(chǎn)生跳躍的亮度差.之后將連續(xù)采集到的N組數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，把疊加得到的數(shù)據(jù)送入邏輯判決，得到差異化數(shù)據(jù)。調(diào)整控制單元將這些差異化數(shù)據(jù)分析并執(zhí)行相應(yīng)子程序，得到執(zhí)行調(diào)節(jié)單元所需信號(hào)。調(diào)節(jié)控制單元將得到的控制參數(shù)輸出給執(zhí)行控制單元。3．2方案實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)由中央處理單元、采樣單元、控制單元、HYPERＬＩNK”ｈｔtp：／/ｗww.dqjsw.coｍ．cn／ｄiａｎｇoｎｇｄｉanｚi/ｄianyuａn／"\t＂_blａnk”電源管理單元和人機(jī)輸入單元４個(gè)單元組成。該系統(tǒng)可以智能的調(diào)節(jié)區(qū)域性的光照度，克服了上文提及的傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的缺點(diǎn).具體設(shè)計(jì)如圖5所示：?

圖5系統(tǒng)整體框圖光信號(hào)采樣單元,主要完成的是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為可供HＹＰERLＩＮK"htｔp：//wwｗ．dqjｓｗ.coｍ。cn／dｉaｎｑｉ／danpianji／”\ｔ”＿ｂｌａｎk＂單片機(jī)識(shí)別的數(shù)字電信號(hào)。該單元以光敏電阻為核心，配以外圍電路。光照度通過(guò)光敏電阻轉(zhuǎn)換為連續(xù)的電流信號(hào),在通過(guò)A/D將電信號(hào)轉(zhuǎn)為8位寬度的數(shù)字信號(hào)，供后續(xù)電路的處理.ＺｉgBee無(wú)線(xiàn)傳輸單元,主要完成的是將中央處理單元與采樣單元、控制單元之間的數(shù)據(jù)傳輸。采用ZｉgＢee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)一是當(dāng)采樣單元過(guò)多時(shí),省去了系統(tǒng)過(guò)多的繁雜布線(xiàn),使環(huán)境美觀整齊；優(yōu)點(diǎn)二是有利于控制面積的增加;優(yōu)點(diǎn)三是借助ＺｉgBｅe(cuò)超強(qiáng)的可擴(kuò)展性，可以很方便的通過(guò)ZigBee的節(jié)點(diǎn)并入更多的控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的縱向擴(kuò)展。中央處理單元，主要完成的是將采樣得到的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設(shè)定數(shù)值進(jìn)行邏輯運(yùn)算，輸出控制單元所需數(shù)據(jù)。該單元主要由80C51構(gòu)成,以Ｃ語(yǔ)言基礎(chǔ)完成控制算法，實(shí)現(xiàn)邏輯控制。采用單片機(jī)構(gòu)成的中央處理單元可以靈活的改變系統(tǒng)照明方式,還可通過(guò)修改程序提高系統(tǒng)的生命力。我們將設(shè)定的照度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與外部RAM中，讓單片機(jī)訪(fǎng)問(wèn)外部ＲAM來(lái)修改程序中的系統(tǒng)變量。人機(jī)輸入單元,是為了實(shí)現(xiàn)人工可調(diào)照度及工作模式而設(shè)置的。通過(guò)按鍵改變系統(tǒng)的變量，將輸入的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于外部RAM中，并以中斷的工作模式介入主程序的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)工作模式的改變電源管理模塊,為各個(gè)單元提供所需電壓，保證系統(tǒng)的正常穩(wěn)定的運(yùn)行。4軟件實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分主要分為兩個(gè)部分:照明模式選設(shè)和邏輯調(diào)光。照明模式選取,也就是建立照明模式的過(guò)程。在用戶(hù)選設(shè)(即可選擇系統(tǒng)所存儲(chǔ)照明模式，也可自行設(shè)定照明模式)照明模式后，系統(tǒng)根據(jù)照明燈具和傳感器分布情況，建立照明模型。依據(jù)照明模型，設(shè)定照度矩陣行列式，將所設(shè)定的數(shù)據(jù)作為邏輯調(diào)光的參數(shù)，存儲(chǔ)于外部RＡM中。邏輯調(diào)光部分,將外部采樣得到的數(shù)據(jù)與設(shè)定的參數(shù)做邏輯運(yùn)算，依據(jù)上文中提及到的智能調(diào)控方案，施行二級(jí)調(diào)控，以達(dá)到用戶(hù)要求。系統(tǒng)軟件流程主要分為三部分程序組成:主程序、中斷程序、調(diào)控子程序。主程序流程如圖６所示：?

圖６主程序流程主程序是一個(gè)無(wú)限循環(huán)的程序。開(kāi)機(jī)后，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，并讀取外部RAＭ中的上次存儲(chǔ)的模式設(shè)置參數(shù)。在判斷得知用戶(hù)無(wú)需修改照明模式后,讀取傳感器所得數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)與所設(shè)參數(shù)做邏輯運(yùn)算.得出結(jié)果后，進(jìn)行分級(jí)調(diào)控。首先進(jìn)行第一級(jí)調(diào)控，對(duì)整體光源光通進(jìn)行初次調(diào)整。將調(diào)整后的照度數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理,實(shí)施第二級(jí)調(diào)控,局部光源的微調(diào)。此時(shí)在數(shù)據(jù)計(jì)算上的精度要求應(yīng)大于第一級(jí)調(diào)控時(shí)所需的數(shù)據(jù)精度.中斷程序主要是處理人機(jī)交互信息。用戶(hù)通過(guò)中斷程序?qū)⑦x取的模式信息告知系統(tǒng),系統(tǒng)予以處理。