田寶森,，楊濤,，汪為,，嚴幸開,，熊艷 ?。ㄩL江大學物理與光電工程學院,，湖北 荊州434023）
摘要：設計了一種根據(jù)環(huán)境溫度自動調節(jié)白光LED色溫的智能照明系統(tǒng),，系統(tǒng)是基于MSP430單片機與DS18B20數(shù)字溫度傳感器構成的測溫模塊與LED模塊,。系統(tǒng)上電后,，溫度傳感器就會讀出當前環(huán)境的溫度,，并將當前的溫度數(shù)據(jù)傳給MSP430，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后再用調控電流來控制三色LED芯片的亮度,，達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,。
關鍵詞：單片機；數(shù)字溫度傳感器,；色溫自調
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,。本文設計了一種色溫自調的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,。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,，以達到溫暖的心理效果。本文介紹基于單片機及數(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，再進行混色和適配得到的。
1設計方案及工作原理
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)境溫度進行檢測,，再根據(jù)當前溫度對照明設備的色溫進行調整,，控制整套系統(tǒng)的單片機采用MSP430。由于調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、運算速度快等特點,，這樣可以減少反應時間,。 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,；當色溫大于5 000 K時，光照顏色為偏藍的白光,，容易讓人有清涼的感覺,。
該照明設備使用RBG三原色混色，以得到不同色溫,。如表1所示,，當溫度低于18℃時，照明光源為1擋,，為較強的偏暖色光,，紅、綠,、藍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,，為較強的偏冷色光,，紅、綠,、藍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的電流相應改變,，從而白光光譜中紅,、綠、藍色發(fā)光的相對強度隨之變化,。
該照明系統(tǒng)結構圖如圖2所示,，溫度傳感器對環(huán)境溫度進行采集后,，發(fā)送數(shù)據(jù)到MSP430單片機中，單片機經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后輸出三路信號到驅動電路中用以調節(jié)LED亮度及色溫,，根據(jù)不同的溫度分別調節(jié)出不同的色溫擋,，即上述的1~5擋光源。
2系統(tǒng)硬件設計
照明系統(tǒng)硬件主要由DS18B20,、4位數(shù)碼管,、MSP430單片機［1］、TLV5614［2］,、N溝道MOS管和LED所組成,。系統(tǒng)硬件結構圖如圖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,，單片機對數(shù)據(jù)處理后，用4位數(shù)碼管（HS2481BS）顯示出當前溫度值,；然后使用DA轉換（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的亮度的增強和減弱,；最后混色以達到相應的照明色溫,。
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單片機也稱混合信號處理器,，可以針對實際應用需求,，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”解決方案,。該系列單片機多應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是將紅綠藍芯片封裝在一起的照明器件。
3系統(tǒng)軟件設計
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置時間,。首先,，預置一個值，作為溫度的參考值,，通過控制電流來調節(jié)照明設備,，直接給出白光。然后持續(xù)進行溫度感應檢測,，當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節(jié)各個顏色芯片的發(fā)光強度，以達到預定光源的色溫圖4系統(tǒng)流程圖值,。當光源亮度和色溫達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行調控。
4結論與展望
本文中的照明系統(tǒng)設計已應用于燈具產(chǎn)品設計,，并對該燈具的亮度和色溫的分級調控進行了測試,。實際應用表明該系統(tǒng)測試準確，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擋位調節(jié)改進成線性的調節(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?shù)淖兓?，防止燈具閃爍,。如果將LED驅動方式改為PWM波，則控制更方便,、靈活,，動態(tài)響應更好，而且開關電源的效率更高,。當LED亮度較暗時,，MOS消耗較多，要解決此問題,，可將LED的驅動方式改為PWM波控制,，以進一步提高照明效率。
參考文獻
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