貴州師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 文仕海

燈是世界上最偉大的發(fā)明之一，如果沒有燈，很多產(chǎn)業(yè)都會(huì)因此受到不同程度的影響、經(jīng)濟(jì)也會(huì)停滯不前?，F(xiàn)在市場上主流的LED控制模式有：恒流和恒壓兩種，還有多種調(diào)光方式。作為一個(gè)不可或缺的器件，如果不能及時(shí)更新?lián)Q代那么注定會(huì)被這個(gè)時(shí)代給淘汰掉。現(xiàn)目前，市場上主流的燈都是通過開關(guān)控制、通過聲音控制、通過光線控制燈的亮滅的。而該報(bào)告研究的是一種可根據(jù)外界溫度變化和光亮程度而自動(dòng)改變燈光亮度的設(shè)計(jì)，同時(shí)該設(shè)計(jì)思路更符合智能時(shí)代的需求，更貼近于人們愈發(fā)高質(zhì)量的生活水平。所以，該設(shè)計(jì)肯定會(huì)有著良好的市場前景、同時(shí)也會(huì)有一定的時(shí)代價(jià)值。

智能家居行業(yè)是目前最火爆的行業(yè)，現(xiàn)在所涉及到的都是家具方面的智能化，而在燈具方面的智能化還是有待提高的?，F(xiàn)在看來傳統(tǒng)的開關(guān)控制式燈具還是占很大比重，只不過是觸發(fā)方式不一樣而已，正在逐步的智能化的過程之中。正在我們所見，有的辦公樓、學(xué)校、醫(yī)院、工廠、養(yǎng)殖基地、居民住宅樓等場所需要長時(shí)間的供電，并且真實(shí)的使用率還很低。這和人們的職場身份、生活習(xí)慣和價(jià)值理念有著一定的關(guān)聯(lián)。除了加強(qiáng)人們在節(jié)能、環(huán)保理念方面的意識之外。假設(shè)，如果有一款可以實(shí)時(shí)根據(jù)外界和光線強(qiáng)弱來調(diào)節(jié)燈亮程度的燈具，是不是可以在一定程度上提高電力資源的利用率。而該研究就是為了設(shè)計(jì)一款更方便人們使用、更加智能、新穎的燈。可通過室內(nèi)或者室外的溫度和光線自動(dòng)的調(diào)節(jié)到一個(gè)最宜的亮度，盡可能物盡其用。該設(shè)計(jì)可以一定程度上的節(jié)約人力和物力，不需要過于繁瑣的布局，就可以實(shí)現(xiàn)亮度的自適應(yīng)變化。

1 溫度傳感器的選擇及其工作原理

現(xiàn)在市場上主流的的溫度傳感器型號有很多，而在這里我們使用到的是DS18B20數(shù)字溫度傳感器。該溫度傳感器結(jié)構(gòu)簡單、原理清楚，使用起來非常方便，可以快速的完成溫度讀取與轉(zhuǎn)換這一過程。而且可以提供多路測量，可以根據(jù)實(shí)際需要，實(shí)現(xiàn)主機(jī)與多個(gè)在線DS1820之間的通信，或者是主機(jī)與總線上的其中一個(gè)溫度傳感器之間的通信。其測量溫度的原理是將測得的溫度值放入存入兩個(gè)8位的存儲器之中，如若測量溫度為負(fù)值，則1號存儲器的8位全為1，否則就全為0。而第0號存儲器用來存放讀取的溫度值（以補(bǔ)碼的形式存放），其中LSB(0)位表示0.5℃。最后將存儲在其中的二進(jìn)制數(shù)求補(bǔ)碼再轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)并除以2就可以得到實(shí)時(shí)測量的溫度值。該溫度傳感器有三個(gè)特殊的地址，寫入相應(yīng)的地址就可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能（跳轉(zhuǎn)/溫度轉(zhuǎn)換）。需要該溫度傳感器可隨時(shí)感知外界溫度變化，當(dāng)出現(xiàn)一定范圍的溫度變化時(shí)，可以改變PWM的值，繼而影響亮度。

2 光敏傳感器的工作原理

光敏傳感器是以光敏電阻為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)而來，所以它通常也被稱做光敏電阻器。通常由敏感器件、傳感器件、信號調(diào)節(jié)器、輔助電源四部分組成。敏感器件：可以感受那些非電量的信息，并且按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成需要的物理量。傳感器件：相當(dāng)與整個(gè)結(jié)構(gòu)中的核心，可以將非電物理量（光照強(qiáng)度）轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)（電壓、電流）。信號調(diào)節(jié)器：將信號經(jīng)過一系列的處理（整流、放大、處理）最后得到自己需要的有用信號。而最后一部分是輔助電源，并非所有的光敏傳感器都需要電源，輔助電源也只有為其提供電源支持的作用。其基本原理叫做內(nèi)光電效應(yīng)，光照強(qiáng)度越強(qiáng)，電流越大，對應(yīng)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓也就越大，簡而言之就是光敏傳感器受光照強(qiáng)度強(qiáng)弱的影響光敏電阻的阻值大小也會(huì)發(fā)生變化的實(shí)質(zhì)。雖然光敏電阻可以改變電壓或者電流大小繼而影響到燈的亮度，但是這里為了與溫度傳感器一起自動(dòng)控制燈的亮度，設(shè)計(jì)為對應(yīng)的電壓或是電流在不同的范圍內(nèi)對應(yīng)的是不同的PWM值。光敏傳感器可以實(shí)現(xiàn)將光信號轉(zhuǎn)換成電信號這一過程，但是又不完全局限于光信號，也可以完成對其他非電信號的轉(zhuǎn)換，是目前非常實(shí)用的傳感器之一。

3 簡述PWM脈寬調(diào)制的原理

PWM脈寬調(diào)制信號的發(fā)生與控制，主要是通過定時(shí)器的定時(shí)功能來實(shí)現(xiàn)的。PWM脈寬調(diào)制的工作原理可以看做是一個(gè)周期內(nèi)的占空比問題，簡要的看做是一個(gè)周期內(nèi)的高電平所占的比例數(shù)量（匹配寄存器PWMMR0設(shè)置周期為100）。脈沖周期和寬度也可以是任何的定時(shí)器計(jì)數(shù)值，此時(shí)固定周期不變，可根據(jù)實(shí)際的需要設(shè)置相應(yīng)的PWM脈沖寬度值，在該值的范圍內(nèi)燈為打開狀態(tài)，大于設(shè)置的PWM值時(shí)，燈為關(guān)閉狀態(tài)，一個(gè)時(shí)間周期結(jié)束后，燈也要恢復(fù)到初始狀態(tài)。通過設(shè)置PWMTCR位，PWM使能啟動(dòng)PWM定時(shí)器；再設(shè)置一個(gè)狀態(tài)標(biāo)志位區(qū)別不同PWM值所對應(yīng)的不同燈光亮度。這樣通過PWM的不同值，就可以實(shí)現(xiàn)燈不同亮度的控制。設(shè)計(jì)要求在溫度或是光照強(qiáng)度變化了一定的范圍時(shí)，才可以有與之對應(yīng)的PWM值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)燈光亮度的控制。假設(shè)溫度或者光線強(qiáng)度發(fā)生一點(diǎn)變化就對應(yīng)了一個(gè)不同的值，燈光變化過于頻繁將會(huì)產(chǎn)生很多的不利影響，更不適合在生活中使用，這樣的設(shè)計(jì)也會(huì)不被大眾接受。而且必須注意，若所處的環(huán)境很相似，就不能出現(xiàn)燈光亮度太幅度變化的現(xiàn)象。燈光的變化幅度應(yīng)當(dāng)是可以接受的范圍之內(nèi)，而不是過于曝光或是過于暗淡。表1所示為通常環(huán)境光照強(qiáng)度/溫度高低參照表，可參考其中的PWM值，再進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。

表1 通常環(huán)境光照強(qiáng)度/溫度高低參照表

4 控制設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)原理

通過溫度和光線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制燈光的亮度設(shè)計(jì)，具體的原理框圖如圖1所示。主要工作原理是通過一個(gè)溫度傳感器（DS18B20）實(shí)時(shí)讀取外界的溫度，并且會(huì)提前設(shè)置一個(gè)對應(yīng)的溫度-亮度參照表，將讀取到的溫度和參照表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，在某一溫度變化范圍內(nèi)就對應(yīng)了一個(gè)確定的PWM的值，找到相應(yīng)的PWM的值繼而再通過燈的亮度顯示出來。而光線控制燈光亮度則是通過一個(gè)光敏傳感器，及時(shí)將從外界實(shí)時(shí)設(shè)別到的光線強(qiáng)弱通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的電壓/電流，相應(yīng)的電壓/電流在不同的變化范圍內(nèi)又分別對應(yīng)了不同的PWM的值，再到提前設(shè)置好的光強(qiáng)-亮度參照表，然后根據(jù)設(shè)置的對比參數(shù)，利用PWM的原理來實(shí)現(xiàn)光的亮度調(diào)控。溫度傳感器和光敏傳感器可以分開工作，也可以嵌套在一起一起工作。當(dāng)溫度控制亮度和光線控制亮度分開工作時(shí)，我們只需要分別設(shè)置兩個(gè)不同模式即可，或是使用其中一種控制方式時(shí)，將另一種控制方式設(shè)置為禁止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)溫度控制亮度和光線控制亮度同時(shí)工作時(shí)，我們就需要根據(jù)燈的使用范圍、和使用環(huán)境來設(shè)置哪一種控制方式占用比例大一點(diǎn)（白天就光線控制占主導(dǎo)作用，夜間就是溫度控制占主導(dǎo)作用）。當(dāng)溫度變化不大時(shí)，光線強(qiáng)弱發(fā)生變化，相應(yīng)的燈光亮度也跟著變化；同理而言當(dāng)光線強(qiáng)弱變化不大時(shí)，溫度發(fā)生變化，相應(yīng)的燈光亮度也跟著變化。如果光照強(qiáng)度或者溫度變化不明顯，那么燈光亮度將繼續(xù)保持上一狀態(tài)。直至識別到新的PWM值時(shí)，燈光亮度才會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。

圖1 控制設(shè)計(jì)的原理框圖

通過該設(shè)計(jì)原理再加之對應(yīng)的邏輯電路基本上可以實(shí)現(xiàn)基于溫度和光線自動(dòng)控制燈光亮度的這一想法，并且該設(shè)計(jì)可以一定程度上的實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源這一目的，相較于現(xiàn)存的控制方式，該設(shè)計(jì)具有原理簡單、易操作、器件要求不高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、低功耗等特點(diǎn)?？梢愿鶕?jù)外界的溫度和光線強(qiáng)弱來調(diào)節(jié)燈的亮度，整個(gè)過程不需要人的過多干預(yù)，只需要保證該模塊處于一個(gè)有電源供電的環(huán)境中即可，其他的亮度可完全由該系統(tǒng)自行調(diào)節(jié)方可完成。當(dāng)光照強(qiáng)度或是溫度低于某一門限值時(shí)，燈就自動(dòng)打開，然后再根據(jù)實(shí)時(shí)的測量值調(diào)整亮度；當(dāng)光照強(qiáng)度或是溫度高于某一門限值時(shí)，燈就會(huì)自動(dòng)熄滅。

溫度和光線自動(dòng)控制燈光亮度的設(shè)計(jì)，是建立在溫度和光照強(qiáng)度有一定范圍的變化后，才會(huì)調(diào)整燈的亮度，并不是某一變量改變一點(diǎn)就會(huì)改變亮度的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)從人們本質(zhì)需求出發(fā)，一定程度上滿足了人們的要求，盡量更貼近人們的生活。同時(shí)也有很強(qiáng)的實(shí)用性和研究價(jià)值。所以，該設(shè)計(jì)是科學(xué)的，同時(shí)也是可行的。同時(shí)該設(shè)計(jì)也可以應(yīng)用于很多場所，一方面滿足實(shí)際的需求，另一方面節(jié)約一部分電。是符合如今的時(shí)代主題的，是大部分人所推崇的。一個(gè)環(huán)保、低功耗的設(shè)計(jì)，同時(shí)又與日常生活息息相關(guān)，相信今后的生活肯定也會(huì)因此而變得絢麗多彩，讓電力資源在未來少一點(diǎn)浪費(fèi)，讓我們的未來生活更加的智能化和信息化。