日光燈亮度自動調節控制系統

羅曉藝

日光燈作為現代照明系統中應用最廣泛的燈具，具有只能發出單一光強的光、無法協調適應外界光強的缺點，造成了電能的浪費。市面上雖已有以單片機為核心部件的教室燈光智能控制系統解決方案，功率接口采用固態繼電器，在一定程度上達到了節約能源的目的，但該方案僅根據環境亮度控制日光燈的開和關，亮度調節靈活性較差。

針對這一現象，本文提出了基于微控制器和采用相位控制的交流調壓電路的新型日光燈亮度自動調節控制解決方案，具有結構簡單、可靠性高、成本低等特點，在滿足使用者光照強度的要求下，達到節約能源的目的，可廣泛應用于學校學習和家庭生活等場合。

一、系統設計

圖1是日光燈原理示意圖，主要由燈管、啟動器和鎮流器組成，燈管內的水銀蒸氣在高電壓的激發下導電，發出紫外線，使管壁上的熒光粉發出白光。

日光燈正常工作時兩端所需的電壓比220V低很多，利用電感的自感現象，啟動器和鎮流器的配合提供了啟動所需的高壓和正常工作所需的低壓。

因為低電壓時日光燈甚至不能啟動，所以通過調節日光燈兩端的電壓來調節燈管的亮度不適宜。

本文提出的基于微控制器和采用相位控制的交流調壓電路的新型日光燈亮度自動調節控制解決方案如圖2所示。

輔助供電單元為亮度自動調節系統提供穩定可靠的工作供電，光敏傳感器負責測量室內環境光照強度并轉化為對應的電信號，經調理后送入微控制器采樣。手動控制開關供用戶選擇是否啟用亮度自動調節系統，在不啟用亮度自動調節系統時，控制雙向晶閘管保持導通狀態。微控制器根據采樣得到的光照強度信息，計算出雙向晶閘管導通角，經移向觸發器驅動雙向晶閘管導通。

系統上電啟動時，微控制器對系統進行初始化，然后讀取手動控制開關狀態。當用戶設定手動控制開關閉合時，微控制器直接設定雙向晶閘管導通觸發角[]，控制雙向晶閘管保持導通狀態，此時，亮度自動調節控制系統不產生作用。

當手動控制開關打開時，微控制器采樣光敏傳感器輸出的環境光照信息，并和程序設定的光照信息作比較，計算出新的雙向晶閘管移向觸發角，輸出到移向觸發器，控制雙向晶閘管的導通。系統軟件設計流程圖如圖3所示。為保證日光燈正常啟動，設定導通觸發角[]。

二、實驗驗證

為驗證該裝置的有效性，本文采用Matlab/Simulink軟件中的SimPowerSystem工具箱搭建該系統，如圖4所示。系統所需雙向晶閘管由兩個單向晶閘管反并聯組成，日光燈由阻感負載代替。

由于仿真主要針對系統設計正確性驗證，因此，并未對導通觸發角進行實時計算修正，仿真系統直接給定了一個導通觸發角，日光燈亮度的變化可由其消耗功率的均方根值表征。

圖5為調光前后施加在日光燈上的電壓示意圖，調光前，單相電網電壓全部施加在日光燈上，調光后，單相電網電壓部分施加在日光燈管上，電壓波形受導通觸發角的控制。對比圖4（a）和圖4（b）可知，調光前，日光燈消耗的功率為49.07W，控制導通觸發角為60°時，日光燈消耗的功率為45.86W，日光燈功率得到了調節，驗證了系統分析和設計的正確性。