基于AVR數(shù)字PID的LED恒光照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊宏威　趙　瑾　狄利明

(南京師范大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇 南京　210042)

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基于AVR數(shù)字PID的LED恒光照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊宏威趙瑾狄利明

(南京師范大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇 南京210042)

摘要：為進(jìn)一步優(yōu)化居室健康照明方案，提高調(diào)光質(zhì)量、節(jié)能環(huán)保，對(duì)居室照明調(diào)光技術(shù)及照明方案進(jìn)行研究，提出并設(shè)計(jì)了一種基于AVR數(shù)字PID的LED恒光照明系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)具有成本低、效率高、抗干擾等優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)可以通過(guò)判別有無(wú)用戶(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)啟照明；同時(shí)，PID系統(tǒng)能根據(jù)人的作息習(xí)慣和自然光強(qiáng)弱調(diào)整LED亮度，從而實(shí)現(xiàn)安全、舒適、健康的室內(nèi)照明。

關(guān)鍵詞：照明系統(tǒng)LED恒光調(diào)光智能自動(dòng)控制AVRPID紅外檢測(cè)人體感應(yīng)PWM

0引言

生活品質(zhì)的提高，促進(jìn)了居室LED照明調(diào)光技術(shù)的進(jìn)步及照明方案的優(yōu)化，從一定程度上改善了傳統(tǒng)照明存在的壽命短、功耗大等問(wèn)題。LED調(diào)光技術(shù)分為模擬調(diào)光和晶閘管調(diào)光兩類(lèi)。模擬調(diào)光技術(shù)調(diào)光范圍窄、功耗大，而晶閘管調(diào)光易造成頻閃、功率因素惡化。為克服兩者缺陷，文獻(xiàn)[1]提出PWM調(diào)光，用開(kāi)關(guān)LED改變正向電流導(dǎo)通時(shí)間來(lái)達(dá)到調(diào)整LED亮度的目的。文獻(xiàn)[1]只考慮了占空比與電流的關(guān)系，未考慮光參量的影響。文獻(xiàn)[2]～[3]提出將光參量引入調(diào)光系統(tǒng)，與預(yù)設(shè)閾值比較產(chǎn)生相應(yīng)PWM調(diào)光，但不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)光。文獻(xiàn)[1]～[2]均局限于手動(dòng)開(kāi)光控制，未考慮現(xiàn)代人的一些習(xí)慣,造成人去燈亮的能源浪費(fèi)。為解決人去燈亮問(wèn)題，文獻(xiàn)[4]～[5]提出人體感應(yīng)控制技術(shù)，有效地緩解了資源浪費(fèi)現(xiàn)象。為根據(jù)環(huán)境亮度實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)光，文獻(xiàn)[6]提出自適應(yīng)調(diào)光的概念及研究設(shè)計(jì)，但只給出自適應(yīng)調(diào)光的概念,并未過(guò)多研究如何通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)光。隨著居室照明技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步及節(jié)能環(huán)保概念的深入，人們希望LED調(diào)光技術(shù)不斷有所突破，同時(shí)也希望整個(gè)照明系統(tǒng)能夠更加人性化、自主化。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種基于AVR數(shù)字PID的LED恒光照明設(shè)計(jì)方案。該方案采用人體紅外檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)居室照明智能關(guān)啟；同時(shí)加入實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，可自由設(shè)定作息時(shí)間和符合人體照明的光度值。在此基礎(chǔ)上，采用光感實(shí)時(shí)采集環(huán)境亮度，利用文中提出的AVR數(shù)字PID調(diào)光技術(shù)，將光參量引入PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，一方面實(shí)現(xiàn)LED恒流調(diào)光控制，可更好地解決傳統(tǒng)技術(shù)調(diào)光粗放、光閃等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)精確調(diào)光；另一方面可以根據(jù)人的作息表及不同時(shí)刻人體適宜的光度值，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、舒適、健康的智能LED恒光照明。

1硬件設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由電源、LED驅(qū)動(dòng)電路、LED光源模塊、光敏器件、紅外傳感器、時(shí)鐘電路、鍵盤(pán)、LCD顯示、上位機(jī)及控制器核心模塊等部分組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure of system composition

整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)紅外傳感器來(lái)判斷是否有人，以決定關(guān)啟LED照明；通過(guò)時(shí)鐘電路設(shè)置人的生活作息時(shí)間及相應(yīng)人體適宜光度值；通過(guò)光敏器件檢測(cè)環(huán)境亮度，經(jīng)AVR數(shù)字PID系統(tǒng)處理之后，控制端口輸出0～100%的可調(diào)PWM信號(hào)，以控制LED恒流驅(qū)動(dòng)電路，最終實(shí)現(xiàn)空間的恒光照明。同時(shí)，通過(guò)上位機(jī)或LCD顯示模塊，可實(shí)時(shí)顯示此時(shí)照明空間的光度大小及實(shí)時(shí)曲線(xiàn)，確保監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

1.2主控制器設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用ATmega128作為核心控制芯片。AVR128[7]是采用AVRRISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器，其擁有先進(jìn)的指令集和單周期指令執(zhí)行時(shí)間，數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，可緩解系統(tǒng)在功耗和處理速度間的矛盾，而且具有ISP功能、可系統(tǒng)內(nèi)編程、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

1.3光亮檢測(cè)電路

光亮檢測(cè)電路采用光電傳感集成芯片BH1620，與其他元件相比，其具有體積小、適應(yīng)人眼光感度、輸出電流正比于光度、內(nèi)置可關(guān)斷功能、操作簡(jiǎn)單、成本低、功能易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。光亮檢測(cè)電路通過(guò)該芯片來(lái)接收外部光感信號(hào)，從而調(diào)節(jié)光源亮度。其中，光度計(jì)算公式為：

UIOUT=0.57 ×10-6×EV×R1

(1)

式中：UIOUT為輸出端的電壓；EV為照明空間亮度。通過(guò)該公式,可以將光的強(qiáng)弱直接用電壓大小來(lái)表示。

1.4LED恒流驅(qū)動(dòng)電路

LED恒流驅(qū)動(dòng)電路采用的是一款降壓型恒流驅(qū)動(dòng)芯片BP1360。該芯片只要采用極少的外部元器件，就可以驅(qū)動(dòng)高亮度LED。主控芯片AVR128通過(guò)改變加在DIM管腳的PWM信號(hào)的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)光。LED的最大平均電流是由連接在UIN和CS兩端的電阻RS決定的。RS計(jì)算方法如下：

RS=(0.1D)/ IOUT

(2)

式中：0≤D≤100%。

1.5紅外檢測(cè)電路

基于熱釋電紅外傳感器D203B的紅外檢測(cè)電路如圖2所示。D203B的工作原理是：由探測(cè)元件將探測(cè)并接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號(hào)，經(jīng)裝在探頭內(nèi)的場(chǎng)效應(yīng)管放大后向外輸出信號(hào)。由于D203B本身感應(yīng)出的信號(hào)過(guò)于微弱或存在其他雜波信號(hào)，所以必須對(duì)其信號(hào)進(jìn)行濾波放大。圖2中：U1、U2為兩級(jí)濾波放大處理電路，U3為比較放大器。

圖2　紅外檢測(cè)電路Fig.2　Infrared detection circuit

當(dāng)檢測(cè)到有人活動(dòng)時(shí)，熱釋檢測(cè)器上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)熱波信號(hào)。該信號(hào)通過(guò)由U1及U2組成的兩級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)濾波放大，再輸入到U3進(jìn)行電平比較。如果感應(yīng)信號(hào)比基準(zhǔn)電壓高(或低)，U3輸出低電平(或高電平)，傳至AVR單片機(jī)PD3端口，由AVR分析處理。其中：C3、C5可濾去高頻雜波，U3中滑動(dòng)變阻器R9可以人工調(diào)試，調(diào)節(jié)感應(yīng)電路的靈敏度。與此同時(shí)，為了提高探測(cè)器的探測(cè)靈敏度、增大探測(cè)距離，一般會(huì)在探測(cè)器的前方裝設(shè)一個(gè)菲涅爾透鏡，這樣可以測(cè)出10～20m范圍內(nèi)人的活動(dòng)，最大限度地進(jìn)行精確判斷，避免人去燈亮。

2軟件設(shè)計(jì)

為了使系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)更加高效與準(zhǔn)確，提出如下控制要求：

①實(shí)現(xiàn)人體紅外檢測(cè)功能，自動(dòng)判斷有無(wú)人物，決定關(guān)啟照明，關(guān)啟延時(shí)100ms。

②實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)電路恒流控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光度可控，調(diào)節(jié)范圍要求在5%～95%。

③實(shí)現(xiàn)光亮檢測(cè)功能，探測(cè)光度范圍在200～10 000lx。

④能設(shè)定生活作息表及對(duì)應(yīng)時(shí)間國(guó)際規(guī)定適宜人體光度值，實(shí)現(xiàn)人性化健康照明。

2.1主程序設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)控制流程如圖3所示。第一步，完成系統(tǒng)初始化，包括I/O初始化、T/C初始化、變量初始化等；第二步，根據(jù)人的作息習(xí)慣設(shè)定相應(yīng)的人體適應(yīng)光值；第三步，由紅外檢測(cè)程序判斷是否有人，如果有人出現(xiàn)，系統(tǒng)開(kāi)始采集光度并判斷是否達(dá)到設(shè)定值，然后由PID系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，判斷是否要輸出PWM調(diào)節(jié)信號(hào)，最終確保居室空間光照恒定。在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，核心的控制程序是數(shù)字PID程序、PWM控制程序及總體控制管理程序，其設(shè)計(jì)的好壞將直接影響系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)與調(diào)光技術(shù)的優(yōu)劣。整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)軟件流程圖Fig.3　Flowchart of system software

2.2數(shù)字PID算法及其程序設(shè)計(jì)

PID控制器由比例(P)、積分(I)和微分(D)三種基本控制作用組合而成[8-10]。在數(shù)字系統(tǒng)中，選擇合適的采樣周期T獲取離散數(shù)據(jù)，并根據(jù)參考值r(k)與反饋值b(k)的差構(gòu)成控制誤差量e(k)；誤差量經(jīng)過(guò)比例項(xiàng)Kp、積分項(xiàng)KiZ-1、微分項(xiàng)KdZ運(yùn)算后求和，構(gòu)成控制變量u(k)。控制器輸出u(k)與輸入e(k)之間的關(guān)系式為：

Td/Ts[e(k)-e(k-1)]}

(3)

式中：KP為比例增益；Ti為可調(diào)積分時(shí)間常數(shù)；Td為可調(diào)微分時(shí)間常數(shù)。

為了便于軟件編程，需要對(duì)式(3)作一變換：

Td/Ts[e(k-1)-e(k-2)]}

(4)

整合式(3)～式(4)，可得：

Δμ(k)=q0e(k)+q1e(k-1)+q2e(k-2)

(5)

式中：q0=Kp[1+Ts/Ti+Td/Ts];q1=-Kp[1+2Td/Ts];q2=Kp[Td/Ts];ei=S-Yi，S為光度設(shè)定值，Yi為第i次的實(shí)際光照輸出值。

從式(3)、式(4)可知式(5)為增量式數(shù)字PID，只要三次誤差采樣值即可。由上述增量式數(shù)字PID算法和本系統(tǒng)所涉及的控制量，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)PID程序流程，如圖4所示。

圖4　數(shù)字PID程序設(shè)計(jì)流程圖Fig.4　The design flowchart of digital PID program

從圖4可知，根據(jù)作息時(shí)間下對(duì)應(yīng)的設(shè)定照明空間光度值S與實(shí)際居室空間照度Yi的絕對(duì)誤差不為零時(shí)，須人為配置PID參數(shù)后由PID系統(tǒng)對(duì)誤差進(jìn)行處理，執(zhí)行PWM程序，最終使得照明空間達(dá)到設(shè)定光照。系統(tǒng)除人為配置PID參數(shù)外，其他是自我校正穩(wěn)定的過(guò)程，是寬范圍、高精度的PWM調(diào)光過(guò)程。

2.3PWM程序設(shè)計(jì)

ATmega128有2個(gè)8位定時(shí)計(jì)數(shù)器和2個(gè)16位的定時(shí)計(jì)數(shù)器。為使PWM的控制精度更高、響應(yīng)速度更快，采用AVR定時(shí)器1的快速PWM模式14，具體設(shè)定如下。

①TCCR1A/ TCCR1B設(shè)置PWM輸出通道、波形發(fā)生模式及時(shí)鐘分頻。

②ICR1/OCR1A/OCR1B/OCR1C設(shè)置PWM周期及通道脈寬。

③DDRB |=(1<

根據(jù)PWM頻率公式foc=fclk/2N(1+TOP),設(shè)置PWM頻率foc為10 kHz、fclk=1 MHz、ICR1為50(代表TOP值)，OCR1A就代表PWM輸出占空比值；N為1分頻。

3試驗(yàn)及結(jié)果分析

為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PID系統(tǒng)在環(huán)境亮度變化情況下的調(diào)節(jié)過(guò)程，實(shí)時(shí)采集、記錄相關(guān)數(shù)據(jù)并繪制曲線(xiàn)，檢驗(yàn)PID系統(tǒng)調(diào)光的有效性及系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)了上位機(jī)軟件。系統(tǒng)可自由設(shè)置作息表及對(duì)應(yīng)光度值、檢測(cè)環(huán)境光度大小，并記錄PID系統(tǒng)PWM調(diào)節(jié)曲線(xiàn)。

模擬真實(shí)場(chǎng)景下，環(huán)境亮度出現(xiàn)突變時(shí)系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5　PID系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程曲線(xiàn)Fig.5　The curves of regulation process of PID system

檢測(cè)到有人時(shí)，LED處于正常照明環(huán)境下，即光感電壓UIOUT為2.5 V、OCR1A_PWM占空比值為24，實(shí)測(cè)曲線(xiàn)如圖5(b)所示。這時(shí)，用光壓值約3.5 V的手機(jī)電筒模擬環(huán)境亮度突然增大，可以看到圖5(b)

光度曲線(xiàn)瞬間出現(xiàn)波峰，PID系統(tǒng)快速響應(yīng)，實(shí)時(shí)減小調(diào)節(jié)PWM曲線(xiàn)，出現(xiàn)低谷曲線(xiàn)。待穩(wěn)定一段時(shí)間后，使環(huán)境亮度突然減小，可看到光度曲線(xiàn)出現(xiàn)波谷，同時(shí)PID系統(tǒng)快速響應(yīng)，實(shí)時(shí)增加PWM調(diào)節(jié)。由圖5可以看出,PID調(diào)光技術(shù)下的LED照明系統(tǒng)具有快速響應(yīng)、自我穩(wěn)定的特性。

4結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)試驗(yàn)表明，當(dāng)PID參數(shù)取KP=14.8、KI=0.2、KD=0.002時(shí)，系統(tǒng)調(diào)光精度達(dá)到±5%，取得較佳效果,最終可以實(shí)現(xiàn)居室恒光照明。

本文最大的創(chuàng)新點(diǎn)在于將數(shù)字PID控制思想引入調(diào)光系統(tǒng)，并在此提出恒光照明設(shè)計(jì)概念；與此同時(shí)，采用人體紅外檢測(cè)技術(shù)，能有效避免人去燈亮的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)照明的節(jié)能環(huán)保。除此以外，本文在提出PID調(diào)光技術(shù)的同時(shí)，考慮到了人的不同生活習(xí)慣、體質(zhì)與自由調(diào)光的關(guān)系。

由于PID參數(shù)的確定須人工整定，不能根據(jù)控制環(huán)境自行調(diào)整，故系統(tǒng)在智能化的程度上有待提高，需要后續(xù)的繼續(xù)完善。本設(shè)計(jì)雖考慮到照度對(duì)生活作息的影響，卻沒(méi)有考慮色溫對(duì)人體生理的影響，在以后的研究中可以進(jìn)一步將色溫的控制加入該控制系統(tǒng)中，從而使系統(tǒng)更加完善。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TH7;TP273+.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201607014

DesignofLEDConstantLightIlluminationSystemBasedonAVRDigitalPID

Abstract：To further promote healthy illumination,improve dimming quality,energy saving and environmental protection,the illumination dimming technology and illumination solution for living rooms are studied,and the LED constant light illumination system based on AVR digital PID is put forward and designed; the design of the system hardware and software is introduced in detail.The system has advantages of low cost,high efficiency and anti-interference capability.Experimental tests show that the system can turn on and off the illumination by distinguishing there is any user or not.The PID system can also adjust the brightness of LED in accordance with people's activity habits and natural light intensity; implement safe,comfortable and healthy indoor illumination.

Keywords:Illumination systemLEDConstant lightDimmingIntelligentAutomatic controlAVRPIDInfrared detectionHuman body inductionPulse width modulation

修改稿收到日期：2015-12-18。

第一作者楊宏威(1989—)，男，現(xiàn)為南京師范大學(xué)控制理論與控制工程專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生；主要從事過(guò)程控制、嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用等方向的研究。