日光灯亮度自动调节控制系统

罗晓艺

日光灯作为现代照明系统中应用最广泛的灯具，具有只能发出单一光强的光、无法协调适应外界光强的缺点，造成了电能的浪费。市面上虽已有以单片机为核心部件的教室灯光智能控制系统解决方案，功率接口采用固态继电器，在一定程度上达到了节约能源的目的，但该方案仅根据环境亮度控制日光灯的开和关，亮度调节灵活性较差。

针对这一现象，本文提出了基于微控制器和采用相位控制的交流调压电路的新型日光灯亮度自动调节控制解决方案，具有结构简单、可靠性高、成本低等特点，在满足使用者光照强度的要求下，达到节约能源的目的，可广泛应用于学校学习和家庭生活等场合。

一、系统设计

图1是日光灯原理示意图，主要由灯管、启动器和镇流器组成，灯管内的水银蒸气在高电压的激发下导电，发出紫外线，使管壁上的荧光粉发出白光。

日光灯正常工作时两端所需的电压比220V低很多，利用电感的自感现象，启动器和镇流器的配合提供了启动所需的高压和正常工作所需的低压。

因为低电压时日光灯甚至不能启动，所以通过调节日光灯两端的电压来调节灯管的亮度不适宜。

本文提出的基于微控制器和采用相位控制的交流调压电路的新型日光灯亮度自动调节控制解决方案如图2所示。

辅助供电单元为亮度自动调节系统提供稳定可靠的工作供电，光敏传感器负责测量室内环境光照强度并转化为对应的电信号，经调理后送入微控制器采样。手动控制开关供用户选择是否启用亮度自动调节系统，在不启用亮度自动调节系统时，控制双向晶闸管保持导通状态。微控制器根据采样得到的光照强度信息，计算出双向晶闸管导通角，经移向触发器驱动双向晶闸管导通。

系统上电启动时，微控制器对系统进行初始化，然后读取手动控制开关状态。当用户设定手动控制开关闭合时，微控制器直接设定双向晶闸管导通触发角[]，控制双向晶闸管保持导通状态，此时，亮度自动调节控制系统不产生作用。

当手动控制开关打开时，微控制器采样光敏传感器输出的环境光照信息，并和程序设定的光照信息作比较，计算出新的双向晶闸管移向触发角，输出到移向触发器，控制双向晶闸管的导通。系统软件设计流程图如图3所示。为保证日光灯正常启动，设定导通触发角[]。

二、实验验证

为验证该装置的有效性，本文采用Matlab/Simulink软件中的SimPowerSystem工具箱搭建该系统，如图4所示。系统所需双向晶闸管由两个单向晶闸管反并联组成，日光灯由阻感负载代替。

由于仿真主要针对系统设计正确性验证，因此，并未对导通触发角进行实时计算修正，仿真系统直接给定了一个导通触发角，日光灯亮度的变化可由其消耗功率的均方根值表征。

图5为调光前后施加在日光灯上的电压示意图，调光前，单相电网电压全部施加在日光灯上，调光后，单相电网电压部分施加在日光灯管上，电压波形受导通触发角的控制。对比图4（a）和图4（b）可知，调光前，日光灯消耗的功率为49.07W，控制导通触发角为60°时，日光灯消耗的功率为45.86W，日光灯功率得到了调节，验证了系统分析和设计的正确性。