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）
摘要：設(shè)計了一種根據(jù)環(huán)境溫度自動調(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)到用戶體驗舒適的色溫,，提供更人性化、個性化,、智能化的服務(wù),。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；數(shù)字溫度傳感器,；色溫自調(diào)
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，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)計了一種色溫自調(diào)的LED智能照明系統(tǒng)，針對人們心理的特點,，根據(jù)環(huán)境溫度自動調(diào)節(jié)白光LED的色溫,，并提供更加人性化、個性化和智能化的服務(wù),。例如夏天炎熱時,，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環(huán)境溫度進(jìn)行檢測,，再根據(jù)當(dāng)前溫度對照明設(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)、運算速度快等特點,，這樣可以減少反應(yīng)時間,。
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，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,，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,，光照顏色為白色，此時適合一般照明,；當(dāng)色溫大于5 000 K時,，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,，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,，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,，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,，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,，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)光的相對強(qiáng)度隨之變化,。
該照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，溫度傳感器對環(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到驅(qū)動電路中用以調(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
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)對數(shù)據(jù)處理后,，用4位數(shù)碼管（HS2481BS）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,?！?/p>
各個組成部分介紹：（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)也稱混合信號處理器，可以針對實際應(yīng)用需求,，將多個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
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)晶振到計數(shù)器最后到寄存器需要一定的預(yù)置時間,。首先,，預(yù)置一個值，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)檢測溫度處于某個區(qū)間內(nèi)時,，通過增減LED芯片的控制電流來調(diào)節(jié)各個顏色芯片的發(fā)光強(qiáng)度，以達(dá)到預(yù)定光源的色溫圖4系統(tǒng)流程圖值,。當(dāng)光源亮度和色溫達(dá)不到體驗者的要求值時,，可通過按鍵對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)計已應(yīng)用于燈具產(chǎn)品設(shè)計,，并對該燈具的亮度和色溫的分級調(diào)控進(jìn)行了測試,。實際應(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,，光源色溫較高；在環(huán)境溫度低時,，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)，也就是說每一個不同的環(huán)境溫度照明,，系統(tǒng)將給出一個不同的光源色溫,，用于照明。在設(shè)計時,，為了更加人性化,，溫度傳感器將會在采集的時間間隔上做適當(dāng)?shù)淖兓乐篃艟唛W爍,。如果將LED驅(qū)動方式改為PWM波,，則控制更方便、靈活,，動態(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，MOS消耗較多,，要解決此問題,，可將LED的驅(qū)動方式改為PWM波控制，以進(jìn)一步提高照明效率,。
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