智能照明控制器测量环境光并跟踪时间

为基本灯具添加数字大脑

室外照明通常使用机械开关手动打开或关闭。但是，假设您不想整夜照亮某个区域。在这种情况下，更精确地控制照明将是有利的，这样您就可以在规定的时间自动关闭/打开照明。

控制器可以感知环境光，在天黑时打开灯，跟踪时间间隔，并在指定时间自动关闭灯。早上，这个过程可以逆转。如果环境光水平在预定时间低于预设的勒克斯阈值，系统将打开灯。当环境变得足够亮以超过相同的勒克斯阈值时，它将关闭灯。

设计一个智能照明控制器，使用环境光传感器（ALS）感测和测量环境光水平并不困难。控制器配备实时时钟 （RTC），还知道何时在指定时间打开或关闭照明。这里介绍的系统可用于控制所有由主电源供电的灯具。控制器的勒克斯级阈值可完全以单勒克斯步长进行编程。控制器软件以十六进制格式提供。

整体系统组件

此设计中的照明控制器需要测量环境光水平，这是通过 ALS 完成的。目前市场上有两种不同类型的ALS产品：一种输出与环境光水平成比例的模拟电压，另一种以数字格式输出。该系统使用带有数字输出的ALS。

控制器需要知道确切的时间，因此使用实时时钟（RTC）。为了预测可能的断电，时间信息需要备用电池。

需要用户界面来设置时间和其他参数。此处的用户界面由两个 7 段 LED 显示屏和一个按钮组成。只需短按按钮，系统即可显示时间和其他参数。长按按钮，可以调整时间和参数。

系统具有自动/手动开关，可手动打开或关闭灯。

系统电源来自主电源。灯具的电力通过继电器打开/关闭。系统的数字部分与主电源隔离。

系统框图如图1所示。

图1.照明控制器系统

图2进一步说明了系统与电源电压和灯具的接线。

图2.系统连接到电源电压和灯具

当系统在手动模式下使用时，必须将自动/手动开关切换到手动。在手动模式下，继电器持续开启，灯具使用标准壁灯开关打开/关闭。

当自动/手动开关处于自动模式时，必须打开标准壁灯开关，以便控制器可以正常工作。如果墙壁开关未打开，则控制器无法打开灯具。

一个系统可以包含多个灯具。

系统说明

系统原理图如图3所示。

图3.系统原理图（更详细的图像）) 

选择基本组件

电源电压转换为 9VAC （RMS）。该系统仅使用一个电压轨（3.3V），因此电源转换简单明了。变压器副边电压通过MAX3 LDO调节至3.16910V。之所以选择该 LDO，是因为它具有内置的短路和热保护功能。F1 是一个 500mA PTC 多晶开关，用于额外的保护。®

系统微控制器是Microchip PIC18LF4520，以8MHz时钟频率运行。微控制器的时钟为MAX7375，这是一款非常小的（SC-70）硅振荡器，之所以选择MAX<>，是因为它具有出色的温度系数和极小的抖动。®

RTC是DS1340C。该时钟具有内置振荡器，因此当电源来自备用电源时，它会消耗超低功耗。DS1340C与I²C总线接口。它还具有内置的涓流充电器。因此，如果使用可充电电池或电容作为备用电源，DS1340C始终充满电。

备用电源BT1是一个0.47mF存储器存储电容器。在断电的情况下，BT1将向DS1340C RTC供电。当该RTC由备用电源供电时，它仅消耗1μA （最大值）电流。使用0.47mF电容和3.3V电容电压时，RTC将保留时序信息约36小时。如果需要更长的备份时间，可以用两节串联的AA电池代替存储器存储电容器。这将使运行时间从 36 小时延长到几个月。但请注意，现在DS1340C的内置涓流充电器需要通过向DS0C的寄存器00h写入1340x08h来禁用。

用户界面非常简单：一个按钮和两个 7 段 LED 显示屏。显示器由MAX6958 LED显示驱动器驱动，与I²C接口，ALS和RTC也是如此。

ALS（图 4）未安装在控制器的 PCB 上，而是安装在灯具机箱内。传感器使用连接器 J4 通过 1 芯电缆连接到 PCB。选择这款 ALS 是 MAX44009，因为它采用超小 （2mm x 2mm）、6 引脚 UTDFN 封装，可轻松安装在灯具机箱内（图 5）。

图4.MAX44009 ALS原理图

图5.环境光传感器 PCB（左图）安装在灯具机箱内（机箱底部可见小黑点）。灯具照片由马尔科·坎尼斯托提供

其他通用设计参数

由于继电器线圈电压为 1V，灯具电源由带有晶体管 T12 的继电器控制。连接器J2用于编程和调试微控制器。还有 4 个指示灯 LED：开机 （V_ON）;系统运行（正常）;和小时 （HR） 或分钟 （MIN） 显示在带有 DS7 和 DS1 的 2 段显示器上。

定位肌萎缩侧索硬化症

传感器放置对于良好操作至关重要。在灯具机箱上钻一个小孔，并用透明胶带密封。ALS的PCB放置在孔的中间，因此传感器可以“看到”并测量环境光水平。传感器 PCB 使用热胶连接到灯具机箱上。

应仔细考虑 ALS 的放置。如果传感器“看到”灯具本身的光线，则无法在早晨正确测量环境光水平。这可能会导致灯具连续闪烁。

然而，在晚上，这种ALS定位不是问题，因为然后根据时间而不是基于环境光水平关闭灯。

最后，几乎不可能将ALS放置在无法感应到灯具本身的任何光线的地方。因此，灯具在早上的关闭勒克斯阈值在软件中会自动设置为大于 8 勒克斯。这种补偿只能确保灯具的开/关在大致相同的环境光水平下发生。这并不能消除灯具闪烁的可能性。

系统印刷电路板 （PCB）

控制器PCB的顶部和底部层如图6至8所示。

图6.控制器印刷电路板零件放置

图7.控制器PCB顶侧层

图8.控制器PCB底侧层

MAX44009 ALS安装在自己的PCB上。其PCB部件的顶部和底部层位置如图9和10所示。

图9.ALS 印刷电路板顶部层

图 10.ALS 印刷电路板底侧层

ALS 通过连接器 J1 连接到控制器的 PCB。

系统部件列表

控制器PCB和ALS PCB零件列表如表1和表2所示。

 

部件名称	价值	包	描述
BR1	B40S	B40S 贴片	桥式整流器
BT1	47mF 电容器	间距 = 5.5mm	存储器备份电容器
C1	1nF/50V	0805	电容器
C2	2.2nF/400V ~ X1	节距 = 10mm	X-电容器
C3	10nF/50V	0805	电容器
C4-C8	100nF/50V	0805	电容器
C9-C11	10uF/50V	0805	电容器
C12	100uF/25V	间距 = 2.54mm	电解电容器，直径6mm
D1	10BQ100	中小企业	肖蒂二极管 1A/100V
D2	绿色指示灯	0805	发光二极管
DS1-DS2	SC39-11SRWA	10 x 13毫米	共阴极，7段显示器
F1	RXEF050	节距 = 5mm	PTC 500mA， 多晶开关
人力资源	绿色指示灯	0805	发光二极管
J1	22-23-2041	2.54mm 间距	Molex® 4 针接头连接器
J2	520258-3	6 针模块化	放大器模块化连接器
J3-J6	6.3毫米	阿比科连接器	印刷电路板通孔连接器
K1	G8P-1A4P-12V	JT1A-印刷电路板	欧姆龙继电器 12V 线圈电压/30A®
最低	绿色指示灯	0805	发光二极管
还行	绿色指示灯	0805	发光二极管
R1-R4	2k2	0805	电阻器
R6-R7	4k7	0805	电阻器
R8-R11	10k	0805	电阻器
设置	B3F-1000	6 毫米 x 6 毫米	印刷电路板通孔轻触开关
T1	公元前817年	TO-23	NPN 晶体管
TR1	BVEI 305 2879	EI30-1	230VAC 至 9VAC 变压器
U1	MAX16910CASA8/V+	硫-8	美信线性稳压器
U2	DS1340C-33#	SO16L	美信RTC
U3	MAX7375AXR805+	SC70	Maxim 8MHz 硅振荡器
U4	MAX6958AAEE+	TSSOP16	美信7段LED驱动器
U5	PIC18LF4520-I/PT	TQFP44	微芯片微控制器

部件名称	价值	包	描述
C1	100nF/50V	0603	电容器
U1	MAX44009EDT+	UTFDN-6	马克西姆肌萎缩侧索硬化症

 

图 11.系统安装到盘柜中。照片由Marko Kannisto提供

使用该系统相当简单。使用 SET 按钮，用户可以按以下顺序定义这些参数：

当前小时和分钟

环境光勒克斯级别阈值（默认值为 2 勒克斯）

晚上的灯光关闭时间

早上的灯光开启时间

不必设置晚上和早上的关闭/打开时间。如果未设置，则当环境光在黑暗中超过预设的勒克斯级阈值时，灯具将打开;当环境光超过该阈值时，它将关闭。在此模式下，不会处理来自 RTC 的时间信息。

按下SET按钮不到1秒即可读取编程信息。然后，系统将按该顺序显示小时、分钟、环境勒克斯级别阈值、灯光关闭时间和灯光开启时间。

如果用户想要更改编程参数或想要调整时间，请按住SET按钮超过2秒。然后可以按与上述相同的顺序一次设置一个参数。当要对参数进行编程时，按下SET按钮的时间超过2s，以便记录参数。对所有参数执行相同的过程。

对所有参数进行编程后，系统将一次显示一个参数，以便用户可以验证所有参数是否正确存储。

软件框图

软件框图如图 12 所示。

图 12.软件框图

该软件的流程图很复杂。该软件根据一天中的时间（晚上/早上）和编程参数做出许多决策。这些决策大约每 5 秒审查一次。

存储的勒克斯阈值需要连续超过五次，间隔 5 秒才能打开或关闭灯光。或重述，必须超过阈值约 25 秒才能打开或关闭指示灯。

总结

借助现代半导体技术，设计一种以预设方式测量环境光水平和控制照明的控制器并不困难。本应用笔记解释了如何设计智能照明控制器，根据环境光和时间信息打开/关闭灯。该系统可用于控制所有主电源供电的灯具。

审核编辑：郭婷