田寶森，楊濤，汪為，嚴幸開，熊艷
（長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)淖兓乐篃艟唛W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
［1］ 沈建華，楊艷琴.MSP430單片機簡介：MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008.
［2］ TI.TI產(chǎn)品說明書［Z］.2000.
［3］ 張友德.單片微型機原理、應用與實驗［M］.上海:復旦大學出版社,2005.
［4］ 振杰.C++程序設計［M］.北京:人民郵電出版社,2005.