色溫自調的LED智能照明系統的設計*

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)

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色溫自調的LED智能照明系統的設計*

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)

設計了一種根據環境溫度自動調節白光LED色溫的智能照明系統，系統是基于MSP430單片機與DS18B20數字溫度傳感器構成的測溫模塊與LED模塊。系統上電后，溫度傳感器就會讀出當前環境的溫度，并將當前的溫度數據傳給MSP430，經數據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。

單片機；數字溫度傳感器；色溫自調

引用格式：田寶森，楊濤，汪為，等. 色溫自調的LED智能照明系統的設計[J].微型機與應用，2016,35(16)：32-33，37.

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，現在市場上智能照明系統種類繁多，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，針對人們心理的特點，根據環境溫度自動調節白光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照明系統給出偏冷色的白光，讓人有更加涼爽的感覺，而冬天則發出偏暖色的白光，以達到溫暖的心理效果。本文介紹基于單片機及數字溫度傳感器的系統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，系統要能檢測環境溫度，所以使用溫度傳感器對環境溫度進行檢測，再根據當前溫度對照明設備的色溫進行調整，控制整套系統的單片機采用MSP430。由于調光需要同時控制三路LED，數據處理量大，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間內。照明系統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、藍色發光的相對強度隨之變化。

表1　隨溫度設置的照明系統電流比例

圖1　LED照明系統歸一化發光光譜

圖2　系統總體結構圖

該照明系統結構圖如圖2所示，溫度傳感器對環境溫度進行采集后，發送數據到MSP430單片機中，單片機經過數據處理后輸出三路信號到驅動電路中用以調節LED亮度及色溫，根據不同的溫度分別調節出不同的色溫擋，即上述的1～5擋光源。

2　系統硬件設計

照明系統硬件主要由DS18B20、4位數碼管、MSP430單片機[1]、TLV5614[2]、N溝道MOS管和LED所組成。系統硬件結構圖如圖3所示。首先，數字溫度傳感器DS18B20將數字量傳送給單片機，單片機對數據處理后，用4位數碼管(HS-2481BS)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。

圖3　系統硬件結構圖

各個組成部分介紹：(1)4位數碼管是4位7段式顯示器件，可以顯示數字，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的數據和控制LED。(3)DAC采用TI公司生產的TLV5614四路12位電壓輸出型數模轉換器。(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　系統軟件設計

圖4　系統流程圖

該系統的軟件采用C語言[4]編程。 圖4顯示了系統主流程圖和子流程圖。系統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晶振到計數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照明設備，直接給出白光。然后持續進行溫度感應檢測，當檢測溫度處于某個區間內時，通過增減LED芯片的控制電流來調節各個顏色芯片的發光強度，以達到預定光源的色溫值。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

本文中的照明系統設計已應用于燈具產品設計，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測試準確，穩定可靠, 根據此系統生產出的智能照明燈具，在環境溫度高時，光源色溫較高；在環境溫度低時，光源色溫較低。后續將把溫度區間分段式控制光源色溫擋位調節改進成線性的調節，也就是說每一個不同的環境溫度照明，系統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的變化，防止燈具閃爍。如果將LED驅動方式改為PWM波，則控制更方便、靈活，動態響應更好，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。

[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.

An intelligent LED white lighting system with self-adjustable color temperature

Tian Baosen, Yang Tao, Wang Wei, Yan Xingkai, Xiong Yan

(School of Physics and Optoelectronic Engineering, Yangtze University, Jingzhou 434023, China)

An intelligent LED white lighting system was designed based on MSP430 microcontroller, DS18B20 digital temperature sensor and LED module. The environmental temperature information was recorded by the temperature sensor and then transmitted to MSP430 to further control the luminance of R, G and B chips, in order to serve comfort lighting with appropriate color temperature.

microcontroller; digital temperature sensor; self-adjustable color temperature

湖北省大學生創新創業訓練計劃項目(201205745)；長江大學基礎學科發展基金應用基礎研究項目

TN312

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.16.009

2016-03-21)

田寶森(1993-)，男，本科在讀，主要研究方向：光電信息科學與工程。

楊濤(1995-)，男，本科在讀，主要研究方向：光電信息科學與工程。

熊艷(1980-)，通信作者，女，博士，副教授，主要研究方向：半導體光電器件。E-mail: yxiong@yangtzeu.edu.cn。