基于AVR数字PID的LED恒光照明系统设计

杨宏威　赵　瑾　狄利明

(南京师范大学电气与自动化工程学院，江苏 南京　210042)



基于AVR数字PID的LED恒光照明系统设计

杨宏威赵瑾狄利明

(南京师范大学电气与自动化工程学院，江苏 南京210042)

摘要：为进一步优化居室健康照明方案，提高调光质量、节能环保，对居室照明调光技术及照明方案进行研究，提出并设计了一种基于AVR数字PID的LED恒光照明系统。详细介绍了系统的硬件和软件设计。系统具有成本低、效率高、抗干扰等优点。试验结果表明，系统可以通过判别有无用户来实现关启照明；同时，PID系统能根据人的作息习惯和自然光强弱调整LED亮度，从而实现安全、舒适、健康的室内照明。

关键词：照明系统LED恒光调光智能自动控制AVRPID红外检测人体感应PWM

0引言

生活品质的提高，促进了居室LED照明调光技术的进步及照明方案的优化，从一定程度上改善了传统照明存在的寿命短、功耗大等问题。LED调光技术分为模拟调光和晶闸管调光两类。模拟调光技术调光范围窄、功耗大，而晶闸管调光易造成频闪、功率因素恶化。为克服两者缺陷，文献[1]提出PWM调光，用开关LED改变正向电流导通时间来达到调整LED亮度的目的。文献[1]只考虑了占空比与电流的关系，未考虑光参量的影响。文献[2]～[3]提出将光参量引入调光系统，与预设阈值比较产生相应PWM调光，但不能实现连续调光。文献[1]～[2]均局限于手动开光控制，未考虑现代人的一些习惯,造成人去灯亮的能源浪费。为解决人去灯亮问题，文献[4]～[5]提出人体感应控制技术，有效地缓解了资源浪费现象。为根据环境亮度实现连续调光，文献[6]提出自适应调光的概念及研究设计，但只给出自适应调光的概念,并未过多研究如何通过算法实现自适应调光。随着居室照明技术的发展进步及节能环保概念的深入，人们希望LED调光技术不断有所突破，同时也希望整个照明系统能够更加人性化、自主化。

针对上述问题，本文提出一种基于AVR数字PID的LED恒光照明设计方案。该方案采用人体红外检测，实现居室照明智能关启；同时加入实时时钟功能，可自由设定作息时间和符合人体照明的光度值。在此基础上，采用光感实时采集环境亮度，利用文中提出的AVR数字PID调光技术，将光参量引入PID调节系统中，一方面实现LED恒流调光控制，可更好地解决传统技术调光粗放、光闪等问题，实现精确调光；另一方面可以根据人的作息表及不同时刻人体适宜的光度值，实现节能环保、舒适、健康的智能LED恒光照明。

1硬件设计

1.1系统结构

系统由电源、LED驱动电路、LED光源模块、光敏器件、红外传感器、时钟电路、键盘、LCD显示、上位机及控制器核心模块等部分组成，系统硬件结构如图1所示。

图1　系统组成结构图Fig.1　Structure of system composition

整个系统通过红外传感器来判断是否有人，以决定关启LED照明；通过时钟电路设置人的生活作息时间及相应人体适宜光度值；通过光敏器件检测环境亮度，经AVR数字PID系统处理之后，控制端口输出0～100%的可调PWM信号，以控制LED恒流驱动电路，最终实现空间的恒光照明。同时，通过上位机或LCD显示模块，可实时显示此时照明空间的光度大小及实时曲线，确保监控系统稳定工作。

1.2主控制器设计

系统采用ATmega128作为核心控制芯片。AVR128[7]是采用AVRRISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，其拥有先进的指令集和单周期指令执行时间，数据吞吐率高达1MIPS/MHz，可缓解系统在功耗和处理速度间的矛盾，而且具有ISP功能、可系统内编程、使用方便等优点。

1.3光亮检测电路

光亮检测电路采用光电传感集成芯片BH1620，与其他元件相比，其具有体积小、适应人眼光感度、输出电流正比于光度、内置可关断功能、操作简单、成本低、功能易实现等特点。光亮检测电路通过该芯片来接收外部光感信号，从而调节光源亮度。其中，光度计算公式为：

UIOUT=0.57 ×10-6×EV×R1

(1)

式中：UIOUT为输出端的电压；EV为照明空间亮度。通过该公式,可以将光的强弱直接用电压大小来表示。

1.4LED恒流驱动电路

LED恒流驱动电路采用的是一款降压型恒流驱动芯片BP1360。该芯片只要采用极少的外部元器件，就可以驱动高亮度LED。主控芯片AVR128通过改变加在DIM管脚的PWM信号的占空比来实现调光。LED的最大平均电流是由连接在UIN和CS两端的电阻RS决定的。RS计算方法如下：

RS=(0.1D)/ IOUT

(2)

式中：0≤D≤100%。

1.5红外检测电路

基于热释电红外传感器D203B的红外检测电路如图2所示。D203B的工作原理是：由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出信号。由于D203B本身感应出的信号过于微弱或存在其他杂波信号，所以必须对其信号进行滤波放大。图2中：U1、U2为两级滤波放大处理电路，U3为比较放大器。

图2　红外检测电路Fig.2　Infrared detection circuit

当检测到有人活动时，热释检测器上会产生一个热波信号。该信号通过由U1及U2组成的两级放大电路实现滤波放大，再输入到U3进行电平比较。如果感应信号比基准电压高(或低)，U3输出低电平(或高电平)，传至AVR单片机PD3端口，由AVR分析处理。其中：C3、C5可滤去高频杂波，U3中滑动变阻器R9可以人工调试，调节感应电路的灵敏度。与此同时，为了提高探测器的探测灵敏度、增大探测距离，一般会在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，这样可以测出10～20m范围内人的活动，最大限度地进行精确判断，避免人去灯亮。

2软件设计

为了使系统软件设计更加高效与准确，提出如下控制要求：

①实现人体红外检测功能，自动判断有无人物，决定关启照明，关启延时100ms。

②实现LED驱动电路恒流控制，进而实现光度可控，调节范围要求在5%～95%。

③实现光亮检测功能，探测光度范围在200～10 000lx。

④能设定生活作息表及对应时间国际规定适宜人体光度值，实现人性化健康照明。

2.1主程序设计流程

系统控制流程如图3所示。第一步，完成系统初始化，包括I/O初始化、T/C初始化、变量初始化等；第二步，根据人的作息习惯设定相应的人体适应光值；第三步，由红外检测程序判断是否有人，如果有人出现，系统开始采集光度并判断是否达到设定值，然后由PID系统进行分析处理，判断是否要输出PWM调节信号，最终确保居室空间光照恒定。在程序设计过程中，核心的控制程序是数字PID程序、PWM控制程序及总体控制管理程序，其设计的好坏将直接影响系统功能的实现与调光技术的优劣。整个系统软件设计流程图如图3所示。

图3　系统软件流程图Fig.3　Flowchart of system software

2.2数字PID算法及其程序设计

PID控制器由比例(P)、积分(I)和微分(D)三种基本控制作用组合而成[8-10]。在数字系统中，选择合适的采样周期T获取离散数据，并根据参考值r(k)与反馈值b(k)的差构成控制误差量e(k)；误差量经过比例项Kp、积分项KiZ-1、微分项KdZ运算后求和，构成控制变量u(k)。控制器输出u(k)与输入e(k)之间的关系式为：

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

(3)

式中：KP为比例增益；Ti为可调积分时间常数；Td为可调微分时间常数。

为了便于软件编程，需要对式(3)作一变换：

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为光度设定值，Yi为第i次的实际光照输出值。

从式(3)、式(4)可知式(5)为增量式数字PID，只要三次误差采样值即可。由上述增量式数字PID算法和本系统所涉及的控制量，设计了系统PID程序流程，如图4所示。

图4　数字PID程序设计流程图Fig.4　The design flowchart of digital PID program

从图4可知，根据作息时间下对应的设定照明空间光度值S与实际居室空间照度Yi的绝对误差不为零时，须人为配置PID参数后由PID系统对误差进行处理，执行PWM程序，最终使得照明空间达到设定光照。系统除人为配置PID参数外，其他是自我校正稳定的过程，是宽范围、高精度的PWM调光过程。

2.3PWM程序设计

ATmega128有2个8位定时计数器和2个16位的定时计数器。为使PWM的控制精度更高、响应速度更快，采用AVR定时器1的快速PWM模式14，具体设定如下。

①TCCR1A/ TCCR1B设置PWM输出通道、波形发生模式及时钟分频。

②ICR1/OCR1A/OCR1B/OCR1C设置PWM周期及通道脉宽。

③DDRB |=(1<

根据PWM频率公式foc=fclk/2N(1+TOP),设置PWM频率foc为10 kHz、fclk=1 MHz、ICR1为50(代表TOP值)，OCR1A就代表PWM输出占空比值；N为1分频。

3试验及结果分析

为实时监测PID系统在环境亮度变化情况下的调节过程，实时采集、记录相关数据并绘制曲线，检验PID系统调光的有效性及系统工作的稳定性,设计了上位机软件。系统可自由设置作息表及对应光度值、检测环境光度大小，并记录PID系统PWM调节曲线。

模拟真实场景下，环境亮度出现突变时系统调节过程曲线如图5所示。

图5　PID系统调节过程曲线Fig.5　The curves of regulation process of PID system

检测到有人时，LED处于正常照明环境下，即光感电压UIOUT为2.5 V、OCR1A_PWM占空比值为24，实测曲线如图5(b)所示。这时，用光压值约3.5 V的手机电筒模拟环境亮度突然增大，可以看到图5(b)

光度曲线瞬间出现波峰，PID系统快速响应，实时减小调节PWM曲线，出现低谷曲线。待稳定一段时间后，使环境亮度突然减小，可看到光度曲线出现波谷，同时PID系统快速响应，实时增加PWM调节。由图5可以看出,PID调光技术下的LED照明系统具有快速响应、自我稳定的特性。

4结束语

经试验表明，当PID参数取KP=14.8、KI=0.2、KD=0.002时，系统调光精度达到±5%，取得较佳效果,最终可以实现居室恒光照明。

本文最大的创新点在于将数字PID控制思想引入调光系统，并在此提出恒光照明设计概念；与此同时，采用人体红外检测技术，能有效避免人去灯亮的现象，实现照明的节能环保。除此以外，本文在提出PID调光技术的同时，考虑到了人的不同生活习惯、体质与自由调光的关系。

由于PID参数的确定须人工整定，不能根据控制环境自行调整，故系统在智能化的程度上有待提高，需要后续的继续完善。本设计虽考虑到照度对生活作息的影响，却没有考虑色温对人体生理的影响，在以后的研究中可以进一步将色温的控制加入该控制系统中，从而使系统更加完善。

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中图分类号：TH7;TP273+.2

文献标志码：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。

第一作者杨宏威(1989—)，男，现为南京师范大学控制理论与控制工程专业在读硕士研究生；主要从事过程控制、嵌入式系统及应用等方向的研究。