CN101160010B - 荧光灯亮度的自适应控制器 - Google Patents

Abstract

一种荧光灯亮度的自适应控制器。控制器由主控模块、光强测量模块、可调光电子镇流器电路构成。主控模块由C8051F001单片机和键盘、显示模块构成，单片机内部含ADC、DAC，用于接受光强测量模块采集到的连续光照强度信息，利用片内ADC对其进行模数转换，并根据预定算法控制DAC的输出，实现荧光灯亮度的自动连续调节；光强测量模块由硅光电池和精密运算放大器MAX4236构成；可调光电子镇流器以荧光灯电子镇流器控制芯片IR2159为核心配以外部无源器件构成。本发明可以实现荧光灯亮度随外界环境自动连续可调，在保证照明质量的前提下，极大地节约电能，同时可延长荧光灯的使用寿命。本发明可以在现有照明设备上，通过简单改造就可实现荧光灯亮度的自适应控制。

Description

荧光灯亮度的自适应控制器

【技术领域】：本发明涉及一种照明控制领域，尤其是一种荧光灯亮度自动连续可调的自适应照明控制器。

【背景技术】：随着照明技术和照明设备的不断发展，荧光灯照明已经成为当前应用最广泛的照明方式，传统的白炽灯已逐渐淡出人们的视野。对于荧光灯的控制，传统的方式是采用手动开关对其进行人为控制，这种控制方式简单、成本较低。但控制方式单一，不能实现自动控制，对于无专人管理的公共场合，如教室、会议室、礼堂等，经常出现无人关灯的现象，造成电能的极大浪费。

目前市场上出现的一些荧光灯控制自动控制设备大部分只有开关功能，其工作原理是根据光电传感器、人体传感器、声音传感器等采集信号后，通过简单的逻辑电路控制继电器的开关，从而实现对电灯的控制。这种控制方式只能实现对荧光灯的开关控制，而频繁的开关会对荧光灯的使用寿命造成损害，也不利于照明质量的改善。而对于目前大多数荧光灯调光设备，只能实现手动调光，且价格昂贵，不适合用于对成本敏感、照明设备较多的场所。

【发明内容】：

本发明的目的是提供一种低成本的荧光灯亮度的自适应控制器，能够根据外界光照环境对荧光灯进行自适应功率连续调节，改善照明质量，延长电灯的使用寿命，有效节约电能。

本发明提供的荧光灯亮度的自适应控制器，包括：

单片机：采用混合信号SoC芯片C8051F001，用于接受光强测量模块采集到的连续光照强度信息，利用片内ADC对其进行模数转换，并根据预定算法控制DAC的输出，实现荧光灯亮度的自动连续调节；

光强测量模块：与上述单片机连接，用于进行连续光强度测量并将该测量信息送单片机；

可调光电子镇流器电路：与上述单片机连接，用于实现荧光灯亮度的连续调节。

键盘、显示模块：与上述单片机相连，用来设定和显示控制模式和亮度阀值。

其中，光强测量模块由硅光电池和精密运算放大器MAX4236构成，实现连续的模拟量输出和较高的精度，以单片机C8051F001芯片内的ADC测量光照强度；其中，硅光电池PH1的正极与精密运算放大器MAX4236(U1)的正输入端相连，硅光电池PH1的负极与运算放大器MAX4236(U1)的负输入端相连，电位器R1两端分别连接运算放大器U1的输出端和负输入端；精密运算放大器MAX4236(U1)的SHDN端连+5V电源，MAX4236(U1)的输出端OUTPUT接单片机C8051F001(U4)的模拟量输入AIN0端。

所述的可调光电子镇流器电路以荧光灯电子镇流器控制芯片IR2159为核心配以外部无源器件构成，应用环境为负载为36W的T8荧光灯管，交流电输入185～265V，调光模拟电压输入为0.5～5V直流电压；其中，电源输入端(Rectified AC Line)指将交流电整流滤波后的直流电，DC BUS指经过稳压和功率因数调整后的直流电，第二电阻(R2)、第三电容(C3)并联在控制芯片IR2159(U3)的VDC端和-DCBUS之间；模拟输入电压通过第三电阻(R3)输入IR2159(U3)的DIM端；第四电容(C4)、第五电容(C5)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)分别连在IR2159(U3)的VCO、CPH、MAX、MIN、FMIN、IPH端和-DC BUS之间；第八电阻(R8)连在RectifiedAC Line和IR2159(U3)的VDC端之间；第九电阻(R9)连在RectifiedAC Line和IR2159(U3)的VCC端之间；第一MOS管(Q1)的漏极和+DC BUS相连，栅极通过第十电阻(R10)和IR2159(U3)的HO端相连，源极和IR2159(U3)的VS端相连；第六电容(C6)连在IR2159(U3)的VCC和COM端之间；第七电容(C7)连在IR2159(U3)的SD和-DC BUS之间；第八电容(C8)连在IR2159(U3)的CS和-DC BUS之间；第十一电阻(R11)和第一二极管(D1)串联在IR2159(U3)的VB端和VCC端；第九电容(C9)一端连在-DC BUS上，另一端连在R11和D1的公共端上；第十电容(C10)连在IR2159(U3)的VS和VB端；第二MOS管(Q2)的漏极和第一MOS管(Q1)的源极相连，栅极通过第十二电阻(R12)与IR2159(U3)的LO端相连，源极通过第十七电阻(R17)和-DC BUS相连；第十三电阻(R13)连接IR2159(U3)的CS端和第二MOS管(Q1)的源极；第十四电阻(R14)和第七电容(C7)并联；第十五电阻(R15)一端和-DC BUS相连，另一端连在R11和D1的公共端上；第十六电阻(R16)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)串联在-DC BUS和R11与D1的公共端上；第十二电容(C12)一端连在第一MOS管(Q1)的源极上，另一端连在D2和D3的公共端上；第十八电阻(R18)和第十一电容(C11)并联在第一MOS管(Q1)的源极上和电感(L)的一端；电感(L)的另一端接在荧光灯的一侧引脚上；荧光灯的另一侧引脚连在-DCBUS上；第十三电容(C13)并联在荧光灯两侧。

所述的单片机以C8051F001(U4)芯片为系统控制核心，利用其片内ADC测量光强测量模块的0～2.5V模拟量输出，利用片内DAC和输出缓冲电路输出可调光电子镇流器调光所需的0～5V电压；并有按键、LCD进行人机交互；其中，第十九电阻(R19)、第十六电容(C16)、第一按键(K1)构成复位电路，第十九电阻(R19)、第十六电容(C16)串联接在+3.3V电源和地之间，第一按键(K1)并联在第十六电容(C16)两端，复位信号从第十九电阻(R19)和第十六电容(C16)连接点接到单片机(U4)的RST端；16×2LCD(L1)的D0～D7端分别接单片机C8051F001(U4)的P0.0～P0.7，L1的RS端接单片机C8051F001(U4)的P1.6，L1的RW端接单片机C8051F001(U4)的P1.7，L1的E端接单片机C8051F001(U4)的P1.0，按键S1、S2、S3分别接单片机C8051F001(U4)的P1.3、P1.2、P1.1；光强测量模块的输出接单片机C8051F001(U4)的AIN0端；单片机C8051F001(U4)的DAC0端接缓冲放大电路的输入；缓冲放大电路由运算放大器(AR1)、第二一电阻(R21)、第二二电阻(R22)构成，第二一电阻(R21)连在单片机C8051F001(U4)的DAC0端和运算放大器(AR1)的正输入端；电阻(R22)接在运算放大器(AR1)的正输入端和输出端之间。

本发明的优点和积极效果：

本发明采用以硅光电池为核心构成的光强测量模块和以IR2159为核心构成的可调光电子镇流器实现荧光灯亮度根据外界环境自动连续可调，在保证照明质量的前提下，极大地节约电能，同时可延长荧光灯的使用寿命。控制核心采用C8051F001单片机，能够充分利用其片上的AD、DA等片上资源，可很大程度地节约成本，提高设备集成度和可靠性，并有利于产品更新换代。

本发明可以在现有照明设备上，通过简单改造就可实现荧光灯亮度的自适应控制，改善照明质量，极大节省电能。

【附图说明】：

图1是荧光灯亮度的自适应控制器原理框图；

图2是光强测量模块电路原理图；

图3是可调光电子镇流器电路图；

图4是主控模块电路原理图，包括单片机、按键、LCD等。

【具体实施方式】：

实施例1：

本发明提供的荧光灯亮度的自适应控制器，由单片机、光强测量模块、可调光电子镇流器电路、键盘、显示模块构成，如图1。

图2是光强测量模块电路原理图，主要由硅光电池PH1和精密运算放大器MAX4236(U1)组成。硅光电池和运算放大器的两个输入同极性相连，运算放大器两输入端间的输入阻抗Z_i是硅光电池的负载电阻，可表示为：Z_i＝R₁/(A+1)；其中，R₁是反馈电阻，A是运放的开环放大倍数；对于MAX4236，A＝10⁵，R₁＝100kΩ，则Z_i＝1Ω；可以认为光电池是处于短路工作状态，其输出电压U₀与输入短路电流成比例，并有

U₀＝I_scR_f＝R_fSΦ

即输出电压信号与输入光通量成正比。该电流放大器因输入阻抗低而响应速度较高且放大器噪音低，因此信噪比很高。其中，硅光电池PH1的正极与精密运算放大器MAX4236(U1)的正输入端相连，硅光电池PH1的负极与运算放大器MAX4236(U1)的负输入端相连，电位器R1两端分别连接运算放大器U1的输出端和负输入端；精密运算放大器MAX4236(U1)的SHDN端连+5V电源。

图3是以IR2159为核心构成的可调光电子镇流器的电路图，IR2159是国际镇流器公司开发的一款功能强大的荧光灯电子镇流器控制芯片，以它为核心可以根据荧光灯管的特性及用户需要设计出功能非常齐全的可调光电子镇流器。该电路的应用环境为：负载为36W的T8荧光灯管，交流电输入185～265V。上电后IR2159自动完成从灯预热、灯触发到调光模式的全过程。图2中Rectified AC Line指将交流电整流滤波后的直流电，+DC BUS指经过稳压和功率因数调整后的直流电。其工作流程为：预热阶段：当VCC超过低压锁定门限电压12.5V且VDC超过5.1V时，IR2159的HC和LO端开始输出振荡信号，HO和LO输出信号的占空比均为50％，为防止上下MOSFET导通时间的重叠，芯片内部设定了1.8s的死区时间。压控振荡器以最高的工作频率起振。与此同时，一个1A的内部电流源对CPH脚上的外部定时电容C5线性充电。从开始充电到CPH脚上电压超过5V的这段时间就是预热时间。触发阶段：当CPH脚电压超过5V，IR2159进入触发工作阶段，此时，芯片内部预热电流参考电压输入端不再与IPH脚的预置电阻相连，而是连接到内部的1.6V的门限电压。为确保可靠触发，尽量减少启辉时的灯闪烁，设定R6的值要使最低工作频率比触发频率或对应100％亮度的频率低5kHz。触发阶段结束后，IR2159进入调光工作模式。调光阶段：当VCO脚电压降低到调光模式压控振荡器门限电压(典型值为0.5V)时，IR2159进入调光模式。相位闭环控制形成，负载电流的相位开始按照用户在DIM端的控制输入进行调整。

电路的连接关系为：第二电阻(R2)、第三电容(C3)并联在控制芯片IR2159(U3)的VDC端和-DC BUS之间；模拟输入电压通过第三电阻(R3)输入IR2159(U3)的DIM端；第四电容(C4)、第五电容(C5)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)分别连在IR2159(U3)的VCO、CPH、MAX、MIN、FMIN、IPH端和-DC BUS之间；第八电阻(R8)连在RectifiedAC Line和IR2159(U3)的VDC端之间；第九电阻(R9)连在RectifiedACLine和IR2159(U3)的VCC端之间；第一MOS管(Q1)的漏极和+DC BUS相连，栅极通过第十电阻(R10)和IR2159(U3)的HO端相连，源极和IR2159(U3)的VS端相连；第六电容(C6)连在IR2159(U3)的VCC和COM端之间；第七电容(C7)连在IR2159(U3)的SD和-DC BUS之间；第八电容(C8)连在IR2159(U3)的CS和-DC BUS之间；第十一电阻(R11)和第一二极管(D1)串联在IR2159(U3)的VB端和VCC端；第九电容(C9)一端连在-DC BUS上，另一端连在R11和D1的公共端上；第十电容(C10)连在IR2159(U3)的VS和VB端；第二MOS管(Q2)的漏极和第一MOS管(Q1)的源极相连，栅极通过第十二电阻(R12)与IR2159(U3)的LO端相连，源极通过第十七电阻(R17)和-DC BUS相连；第十三电阻(R13)连接IR2159(U3)的CS端和第二MOS管(Q1)的源极；第十四电阻(R14)和第七电容(C7)并联；第十五电阻(R15)一端和-DC BUS相连，另一端连在R11和D1的公共端上；第十六电阻(R16)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)串联在-DC BUS和R11与D1的公共端上；第十二电容(C12)一端连在第一MOS管(Q1)的源极上，另一端连在D2和D3的公共端上；第十八电阻(R18)和第十一电容(C11)并联在第一MOS管(Q1)的源极上和电感(L)的一端；电感(L)的另一端接在荧光灯的一侧引脚上；荧光灯的另一侧引脚连在-DC BUS上；第十三电容(C13)并联在荧光灯两侧。

图4是主控模块电路原理图，由C8051F001单片机、16×2LCD、按键、DAC输出缓冲电路构成。图中还包含了光强测量模块的模拟量输入接口。C8051F001是完全集成的混合信号片上系统Soc芯片，内部含一个8通道、12位、100kps的ADC，1个两通道、12位DAC，非常适合在该系统中应用。此外还有16个IO口，可用来连接LCD和按键，用于人机交互。16×2 LCD用来显示预设模式、亮度阀值等参量，三个按键的功能分别是：S1用于选择控制模式，如宾馆、会议、礼堂、餐厅等模式；S2用于亮度阀值加1、S3用于亮度阀值减1。单片机管脚分配及电路的连接关系如下：第十九电阻(R19)、第十六电容(C16)、第一按键(K1)构成复位电路，第十九电阻(R19)、第十六电容(C16)串联接在+3.3V电源和地之间，第一按键(K1)并联在第十六电容(C16)两端，复位信号从第十九电阻(R19)和第十六电容(C16)连接点接到单片机(U4)的RST端；16×2LCD(L1)的D0～D7端分别接单片机C8051F001(U4)的P0.0～P0.7，L1的RS端接单片机C8051F001(U4)的P1.6，L1的RW端接单片机C8051F001(U4)的P1.7，L1的E端接单片机C8051F001(U4)的P1.0，按键S1、S2、S3分别接单片机C8051F001(U4)的P1.3、P1.2、P1.1；光强测量模块的输出接单片机C8051F001(U4)的AIN0端；单片机C8051F001(U4)的DAC0端接缓冲放大电路的输入；缓冲放大电路由运算放大器(AR1)、第二一电阻(R21)、第二二电阻(R22)构成，第二一电阻(R21)连在单片机C8051F001(U4)的DAC0端和运算放大器(AR1)的正输入端；第二二电阻(R22)接在运算放大器(AR1)的正输入端和输出端之间。

整个系统的工作流程是：光强测量模块检测到周围环境的光照强度之后，输出0～2.5V的模拟量，送入C8051F001单片机中，单片机对其进行模数转换后，通过对预设的亮度阀值和当前光照强度的比较，做出增加或减少荧光灯功率的判断，按照预定的控制算法控制DAC的输出，从而达到对荧光灯自动调光的目的。由于采用C8051F001的内部基准(2.4V)，而可调光电子镇流器的调光模拟量输入为0.5～5V，故通过一级缓冲放大电路对DAC的输出进行放大，使其满足调光电压的要求。

Claims (1)

1.一种荧光灯亮度的自适应控制器，包括：

单片机：采用混合信号SoC芯片C8051F001，用于接受光强测量模块采集到的连续光照强度信息，利用片内ADC对其进行模数转换，并根据预定算法控制DAC的输出，实现荧光灯亮度的自动连续调节；所述的单片机以C8051F001(U4)芯片为系统控制核心，利用其片内ADC测量光强测量模块的0～2.5V模拟量输出，利用片内DAC和输出缓冲电路输出可调光电子镇流器调光所需的0～5V电压；并有按键、LCD进行人机交互；其中，第十九电阻(R19)、第十六电容(C16)、第一按键(K1)构成复位电路，第十九电阻(R19)、第十六电容(C16)串联接在+3.3V电源和地之间，第一按键(K1)并联在第十六电容(C16)两端，复位信号从第十九电阻(R19)和第十六电容(C16)连接点接到单片机(U4)的RST端；16×2LCD(L1)的D0～D7端分别接单片机C8051F001(U4)的P0.0～P0.7，L1的RS端接单片机C8051F001(U4)的P1.6，L1的RW端接单片机C8051F001(U4)的P1.7，L1的E端接单片机C8051F001(U4)的P1.0，按键S1、S2、S3分别接单片机C8051F001(U4)的P1.3、P1.2、P1.1；光强测量模块的输出接单片机C8051F001(U4)的AIN0端；单片机C8051F001(U4)的DAC0端接缓冲放大电路的输入；缓冲放大电路由运算放大器(AR1)、第二一电阻(R21)、第二二电阻(R22)构成，第二一电阻(R21)连在单片机C8051F001(U4)的DAC0端和运算放大器(AR1)的正输入端；第二二电阻(R22)接在运算放大器(AR1)的正输入端和输出端之间；

光强测量模块：与上述单片机连接，用于进行连续光强度测量并将该测量信息送单片机，所述的光强测量模块由硅光电池和精密运算放大器MAX4236构成，实现连续的模拟量输出和较高的精度，以单片机C8051F001芯片内的ADC测量光照强度；其中，硅光电池(PH1)的正极与精密运算放大器MAX4236(U1)的正输入端相连，硅光电池(PH1)的负极与精密运算放大器MAX4236(U1)的负输入端相连，电位器(R1)两端分别连接精密运算放大器MAX4236(U1)的输出端和负输入端；精密运算放大器MAX4236(U1)的SHDN端连+5V电源，MAX4236(U1)的输出端OUTPUT接单片机C8051F001(U4)的模拟量输入AIN0端；

可调光电子镇流器电路：与上述单片机连接，用于实现荧光灯亮度的连续调节，该电路以荧光灯电子镇流器控制芯片IR2159为核心配以外部无源器件构成，应用环境为负载为36W的T8荧光灯管，交流电输入185～265V，调光模拟电压输入为0.5～5V直流电压；其中，电源输入端(Rectified AC Line)指将交流电整流滤波后的直流电，DC BUS指经过稳压和功率因数调整后的直流电，第二电阻(R2)、第三电容(C3)并联在控制芯片IR2159(U3)的VDC端和-DC BUS之间；模拟输入电压通过第三电阻(R3)输入IR2159(U3)的DIM端；第四电容(C4)、第五电容(C5)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)分别连在IR2159(U3)的VCO、CPH、MAX、MIN、FMIN、IPH端和-DC BUS之间；第八电阻(R8)连在Rectified AC Line和IR2159(U3)的VDC端之间；第九电阻(R9)连在Rectified AC Line和IR2159(U3)的VCC端之间；第一MOS管(Q1)的漏极和+DCBUS相连，栅极通过第十电阻(R10)和IR2159(U3)的HO端相连，源极和IR2159(U3)的VS端相连；第六电容(C6)连在IR2159(U3)的VCC和COM端之间；第七电容(C7)连在IR2159(U3)的SD和-DCBUS之间；第八电容(C8)连在IR2159(U3)的CS和-DC BUS之间；第十一电阻(R11)和第一二极管(D1)串联在IR2159(U3)的VB端和VCC端；第九电容(C9)一端连在-DC BUS上，另一端连在R11和D1的公共端上；第十电容(C10)连在IR2159(U3)的VS和VB端；第二MOS管(Q2)的漏极和第一MOS管(Q1)的源极相连，栅极通过第十二电阻(R12)与IR2159(U3)的LO端相连，源极通过第十七电阻(R17)和-DC BUS相连；第十三电阻(R13)连接IR2159(U3)的CS端和第二MOS管(Q1)的源极；第十四电阻(R14)和第七电容(C7)并联；第十五电阻(R15)一端和-DC BUS相连，另一端连在R11和D1的公共端上；第十六电阻(R16)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)串联在-DC BUS和R11与D1的公共端上；第十二电容(C12)一端连在第一MOS管(Q1)的源极上，另一端连在D2和D3的公共端上；第十八电阻(R18)和第十一电容(C11)并联在第一MOS管(Q1)的源极上和电感(L)的一端；电感(L)的另一端接在荧光灯的一侧引脚上；荧光灯的另一侧引脚连在-DC BUS上；第十三电容(C13)并联在荧光灯两侧；

键盘、显示模块：与上述单片机相连，用来设定和显示控制模式和亮度阀值。

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