為基本燈具添加數字大腦

室外照明通常使用機械開關手動打開或關閉。但是，假設您不想整夜照亮某個區域。在這種情況下，更精確地控制照明將是有利的，這樣您就可以在規定的時間自動關閉/打開照明。

控制器可以感知環境光，在天黑時打開燈，跟蹤時間間隔，并在指定時間自動關閉燈。早上，這個過程可以逆轉。如果環境光水平在預定時間低于預設的勒克斯閾值，系統將打開燈。當環境變得足夠亮以超過相同的勒克斯閾值時，它將關閉燈。

設計一個智能照明控制器，使用環境光傳感器（ALS）感測和測量環境光水平并不困難。控制器配備實時時鐘 （RTC），還知道何時在指定時間打開或關閉照明。這里介紹的系統可用于控制所有由主電源供電的燈具。控制器的勒克斯級閾值可完全以單勒克斯步長進行編程。控制器軟件以十六進制格式提供。

整體系統組件

此設計中的照明控制器需要測量環境光水平，這是通過 ALS 完成的。目前市場上有兩種不同類型的ALS產品：一種輸出與環境光水平成比例的模擬電壓，另一種以數字格式輸出。該系統使用帶有數字輸出的ALS。

控制器需要知道確切的時間，因此使用實時時鐘（RTC）。為了預測可能的斷電，時間信息需要備用電池。

需要用戶界面來設置時間和其他參數。此處的用戶界面由兩個 7 段 LED 顯示屏和一個按鈕組成。只需短按按鈕，系統即可顯示時間和其他參數。長按按鈕，可以調整時間和參數。

系統具有自動/手動開關，可手動打開或關閉燈。

系統電源來自主電源。燈具的電力通過繼電器打開/關閉。系統的數字部分與主電源隔離。

系統框圖如圖1所示。

圖1.照明控制器系統

圖2進一步說明了系統與電源電壓和燈具的接線。

圖2.系統連接到電源電壓和燈具

當系統在手動模式下使用時，必須將自動/手動開關切換到手動。在手動模式下，繼電器持續開啟，燈具使用標準壁燈開關打開/關閉。

當自動/手動開關處于自動模式時，必須打開標準壁燈開關，以便控制器可以正常工作。如果墻壁開關未打開，則控制器無法打開燈具。

一個系統可以包含多個燈具。

系統說明

系統原理圖如圖3所示。

圖3.系統原理圖（更詳細的圖像）)

選擇基本組件

電源電壓轉換為 9VAC （RMS）。該系統僅使用一個電壓軌（3.3V），因此電源轉換簡單明了。變壓器副邊電壓通過MAX3 LDO調節至3.16910V。之所以選擇該 LDO，是因為它具有內置的短路和熱保護功能。F1 是一個 500mA PTC 多晶開關，用于額外的保護。?

系統微控制器是Microchip PIC18LF4520，以8MHz時鐘頻率運行。微控制器的時鐘為MAX7375，這是一款非常小的（SC-70）硅振蕩器，之所以選擇MAX<>，是因為它具有出色的溫度系數和極小的抖動。?

RTC是DS1340C。該時鐘具有內置振蕩器，因此當電源來自備用電源時，它會消耗超低功耗。DS1340C與I2C總線接口。它還具有內置的涓流充電器。因此，如果使用可充電電池或電容作為備用電源，DS1340C始終充滿電。

備用電源BT1是一個0.47mF存儲器存儲電容器。在斷電的情況下，BT1將向DS1340C RTC供電。當該RTC由備用電源供電時，它僅消耗1μA （最大值）電流。使用0.47mF電容和3.3V電容電壓時，RTC將保留時序信息約36小時。如果需要更長的備份時間，可以用兩節串聯的AA電池代替存儲器存儲電容器。這將使運行時間從 36 小時延長到幾個月。但請注意，現在DS1340C的內置涓流充電器需要通過向DS0C的寄存器00h寫入1340x08h來禁用。

用戶界面非常簡單：一個按鈕和兩個 7 段 LED 顯示屏。顯示器由MAX6958 LED顯示驅動器驅動，與I2C接口，ALS和RTC也是如此。

ALS（圖 4）未安裝在控制器的 PCB 上，而是安裝在燈具機箱內。傳感器使用連接器 J4 通過 1 芯電纜連接到 PCB。選擇這款 ALS 是 MAX44009，因為它采用超小 （2mm x 2mm）、6 引腳 UTDFN 封裝，可輕松安裝在燈具機箱內（圖 5）。

圖4.MAX44009 ALS原理圖

圖5.環境光傳感器 PCB（左圖）安裝在燈具機箱內（機箱底部可見小黑點）。燈具照片由馬爾科·坎尼斯托提供

其他通用設計參數

由于繼電器線圈電壓為 1V，燈具電源由帶有晶體管 T12 的繼電器控制。連接器J2用于編程和調試微控制器。還有 4 個指示燈 LED：開機 （V_ON）;系統運行（正常）;和小時 （HR） 或分鐘 （MIN） 顯示在帶有 DS7 和 DS1 的 2 段顯示器上。

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傳感器放置對于良好操作至關重要。在燈具機箱上鉆一個小孔，并用透明膠帶密封。ALS的PCB放置在孔的中間，因此傳感器可以“看到”并測量環境光水平。傳感器 PCB 使用熱膠連接到燈具機箱上。

應仔細考慮 ALS 的放置。如果傳感器“看到”燈具本身的光線，則無法在早晨正確測量環境光水平。這可能會導致燈具連續閃爍。

然而，在晚上，這種ALS定位不是問題，因為然后根據時間而不是基于環境光水平關閉燈。

最后，幾乎不可能將ALS放置在無法感應到燈具本身的任何光線的地方。因此，燈具在早上的關閉勒克斯閾值在軟件中會自動設置為大于 8 勒克斯。這種補償只能確保燈具的開/關在大致相同的環境光水平下發生。這并不能消除燈具閃爍的可能性。

系統印刷電路板 （PCB）

控制器PCB的頂部和底部層如圖6至8所示。

圖6.控制器印刷電路板零件放置

圖7.控制器PCB頂側層

圖8.控制器PCB底側層

MAX44009 ALS安裝在自己的PCB上。其PCB部件的頂部和底部層位置如圖9和10所示。

圖9.ALS 印刷電路板頂部層

圖 10.ALS 印刷電路板底側層

ALS 通過連接器 J1 連接到控制器的 PCB。

系統部件列表

控制器PCB和ALS PCB零件列表如表1和表2所示。

圖 11.系統安裝到盤柜中。照片由Marko Kannisto提供

使用該系統相當簡單。使用 SET 按鈕，用戶可以按以下順序定義這些參數：

當前小時和分鐘

環境光勒克斯級別閾值（默認值為 2 勒克斯）

晚上的燈光關閉時間

早上的燈光開啟時間

不必設置晚上和早上的關閉/打開時間。如果未設置，則當環境光在黑暗中超過預設的勒克斯級閾值時，燈具將打開;當環境光超過該閾值時，它將關閉。在此模式下，不會處理來自 RTC 的時間信息。

按下SET按鈕不到1秒即可讀取編程信息。然后，系統將按該順序顯示小時、分鐘、環境勒克斯級別閾值、燈光關閉時間和燈光開啟時間。

如果用戶想要更改編程參數或想要調整時間，請按住SET按鈕超過2秒。然后可以按與上述相同的順序一次設置一個參數。當要對參數進行編程時，按下SET按鈕的時間超過2s，以便記錄參數。對所有參數執行相同的過程。

對所有參數進行編程后，系統將一次顯示一個參數，以便用戶可以驗證所有參數是否正確存儲。

軟件框圖

軟件框圖如圖 12 所示。

圖 12.軟件框圖

該軟件的流程圖很復雜。該軟件根據一天中的時間（晚上/早上）和編程參數做出許多決策。這些決策大約每 5 秒審查一次。

存儲的勒克斯閾值需要連續超過五次，間隔 5 秒才能打開或關閉燈光。或重述，必須超過閾值約 25 秒才能打開或關閉指示燈。

總結

借助現代半導體技術，設計一種以預設方式測量環境光水平和控制照明的控制器并不困難。本應用筆記解釋了如何設計智能照明控制器，根據環境光和時間信息打開/關閉燈。該系統可用于控制所有主電源供電的燈具。

審核編輯：郭婷