基于传感器与mcu的智能LED照明解决方案

近十年来，发光二极管（LED）已经从电子设备指标的优势选择转变为使照明更节能的主要焦点。有效产生强光照度的能力使LED成为大多数应用越来越受欢迎的选择，超越了荧光和其他技术的能力。 LED相对于其他选项的另一个重要优势是其可控性。
　　虽然LED调光涉及比传统白炽灯照明所用的简单控制器更复杂的电路设计，但LED支持不仅可以调节照明水平，但发出的颜色要精细调整。这种可控性可用于各种应用，从仓库和工厂的高棚照明到智能温室。
　　LED照明已经通过延长可能的生长季节来提高农业产量温带气候下几个月的作物范围。通过提高产量和增长时间，该技术使屋顶农业更加经济。因此，城市可以开始为粮食生产做出贡献。智能温室设计的一个重要方面是能够使LED响应环境光水平，以避免过度消耗电力，并提供不同的颜色，以支持作物在其生命周期中的需求。在明亮的环境照明条件下，LED可以完全关闭，并在降低时逐渐上线。
　　在仓库中环境照明不太容易获得，但它通常通过天窗和窗户呈现。传统照明设计的问题是在整个地面空间提供一致的照明。传统上，灯具将被设置为提供恒定水平的照明，这在高环境光水平的区域中将是浪费的。同时，周围灯具和窗户或天窗很少的角落区域可能比较暗。智能LED照明可以通过不仅适应自然光的变化，而且可以适应其他灯具的影响来弥补这些问题。
　　智能LED照明解决方案将电路控制每个元件与检测环境光线水平的传感器相结合。虽然越来越多的系统采用无线微控制器来支持交互式控制，但这种组合为高效的光采集提供了基础，而不需要复杂的通信方案。
　　原则上，LED提供的光线易于控制。 LED的输出是正向电流的近似线性函数，并且为了提供一致的照明，它需要恒定的驱动电流。通常，随着LED结加热，亮度与电流曲线变平，由于温度升高导致的特性效率损失而浪费能量。
　

　　图1：LED输出与电流的关系图。
　　实际上，只要频率快于人眼可以检测到的频率，流向LED的电流就可以短时间中断。通常，200Hz的开关频率避免了人们注意到灯闪烁的情况。 LED的有效电流和因此感知的亮度水平变得与调光电路提供的波形的占空比成比例。这使得脉冲宽度调制（PWM）成为实现高效LED调光的有效方法。
　　专为PWM工作而设计的LED功率控制器，如德州仪器TPS92640，使用标准PWM提供2500：1的调光范围在分流FET的帮助下调光和20000：1。在该系列的另一个成员TPS92641上使用并联FET，克服了PWM周期时间对调光水平的限制。因为对PWM功率控制器的输出级电感器充电和放电需要时间，所以可能需要比给定水平的光所需的电流更多的电流通过LED。通过激活与LED或串联连接的LED串并联的并联FET，可以转移大部分电流。 TPS92640和类似的控制器提供与分流FET的连接，以激活周期的可变部分，从而进一步调暗LED。
　　PWM调光的另一个优点是它可以更好地控制LED的亮度。输出光谱，是使用荧光粉涂层的白光LED的一个重要方面。在低电流下，磷光体输出占主导地位，这倾向于导致黄色色调。在高电流时，LED的蓝光占主导地位。通过以特定电流驱动LED，电路设计人员可以确保一致的色彩输出。使用恒流策略是不可能的，其中需要改变电流水平以实现不同的调光水平。
　　TPS92640和TPS92641接受来自外部控制器的模拟或PWM输入。智能照明系统将使用微控制器来实现感测逻辑和照明控制，这倾向于有利于使用PWM输入的应用。德州仪器（TI）生产的CC2650微控制器等设备可以连接2.4 GHz工作的低功耗无线网络，以及接收传感器信号的众多接口端口。
　　

　　图2：智能光捕获灯具的方框图。
　　德州仪器OPT3001可以向系统提供有关现有光照水平的信息。设计传感器的光谱响应与人眼的明视响应紧密匹配。其过滤包括显着的红外抑制，以防止过高估计可收集的环境光量。
　　通过I 2 C总线提供结果，可以通过OPT3001从0.01 lux到83 klux，无需手动选择满量程范围。这是使用内部满量程设置功能执行的。此功能允许在23位有效动态范围内进行光测量。通过分离重要的半字节，从通过I 2 C发送的每个测量字中提取数据。此高位半字节包含一个比例因子，需要应用于三个低半字节以提供勒克斯值。
　　OPT3001可以连续执行测量或作为单次读数，在100 ms或800 ms的时间段内集成读数，以消除其他人造光源噪声源的影响。该器件有自己的中断逻辑。这允许其在主机MCU可以睡眠的设计中使用，直到超过限制。这可以提高灯具在长时间不活动的情况下的效率 - 例如阳光灿烂的日子。 OPT3001可以将其读数与上限和下限寄存器进行比较，并在遇到其中任何一个时产生中断。 MCU可以通过I 2 C重新编程限制寄存器，以支持不同的操作模式。例如，一旦灯具处于活动状态，MCU就可以接受来自OPT3001的读数，并且在下模式改变之前不需要传感器根据上限或下限进行中断。或者，MCU可以关闭OPT3001以节省功耗并使用定期读取的单次读数。每次单次读取后，OPT3001都会关闭。
　　有些系统设计可能会选择将OPT3001集成到灯具本身。其他人可能会使用耦合到无线微控制器的分布式OPT3001传感器将地板水平的光强度数据传回灯具，每个灯具内的本地MCU集成了结果，以计算LED灯串本身所需的PWM比率。
　

　　图3：OPT3001与主机MCU之间的连接。
　　智能灯具中另一个重要组件是温度传感器。这可用于确保LED免受过温条件的影响。 MCU不仅可以通过降低LED的功率来响应这些功能，以保护设备，还可以通过无线网络发出警报。合适的温度传感器是Texas Instruments LMT84。这是一款精密CMOS温度传感器，提供模拟输出，可用于馈入CC2650的一个ADC端口。 LMT84的输出电压与温度成线性和反比。该设计具有瞬态负载要求，适用于驱动典型的ADC采样保持输入，因此可以持续监控灯具内的热状况，从而提高寿命和效率。
　　结论
　　总的来说，通过将传感器与基于MCU的智能和合适的电源转换器相结合，可以构建智能灯具，不仅可以限度地利用自然光，而且可以相互配合，在大空间内提供一致的照明。