陳鏡羽，葛愛(ài)明

(復(fù)旦大學(xué) 光源與照明工程系，上海 200433)

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照度及色溫自適應(yīng)調(diào)節(jié)的LED臺(tái)燈設(shè)計(jì)

陳鏡羽，葛愛(ài)明

(復(fù)旦大學(xué) 光源與照明工程系，上海 200433)

本文以單片機(jī)為控制器，采用色彩傳感器獲取工作面上的照度及混合光的色溫信息來(lái)構(gòu)建反饋環(huán)，設(shè)計(jì)了一種具有照度及色溫自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力的LED臺(tái)燈。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在不同的環(huán)境中，該臺(tái)燈均能提供良好的工作面照明，在節(jié)約能源的同時(shí)，帶來(lái)更加舒適的用戶體驗(yàn)。

LED臺(tái)燈；照度；相關(guān)色溫；色彩傳感器；調(diào)光控制；照明；控制

引言

隨著LED照明技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)照明的追求也由亮度和價(jià)格需求提升到品質(zhì)、環(huán)保和舒適等方面[1-2]。目前市面上的 LED 臺(tái)燈有兩種：一種不可調(diào)光調(diào)色；另一種可以手動(dòng)調(diào)光調(diào)色。當(dāng)外界光環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，前者無(wú)法提供恒定舒適的照明環(huán)境，后者手動(dòng)調(diào)節(jié)的過(guò)程全憑使用者的感覺(jué)，很容易出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間使用強(qiáng)光或者是弱光的情況，對(duì)眼睛造成傷害[3]，并且手動(dòng)調(diào)節(jié)多有不便，與現(xiàn)代家電的智能化、人性化、低碳設(shè)計(jì)理念相違背[4-5]。除此之外，不同的用戶對(duì)于色溫的偏好不同，不同的使用場(chǎng)景下用戶對(duì)LED臺(tái)燈色溫的需求也不盡相同，例如在工作狀態(tài)下，需要冷白光以保持清醒，而在睡眠或接近睡眠時(shí)則暖色光更合適[6-7]。為了更好地滿足用戶對(duì)于光環(huán)境的品質(zhì)和舒適度的需求，本文設(shè)計(jì)了一種具有照度及色溫自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力的LED臺(tái)燈，當(dāng)外界的光強(qiáng)度變化時(shí)該臺(tái)燈可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，提供恒定照度、恒定色溫的光環(huán)境。

1 臺(tái)燈整體設(shè)計(jì)

如圖1所示，臺(tái)燈的整體結(jié)構(gòu)包括控制電路MCU、兩路雙通道LED驅(qū)動(dòng)、色彩傳感器、輸入電平轉(zhuǎn)換電路與RGBW LED陣列。

圖1 臺(tái)燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overview of the desk lamp

LED陣列由Cree的多芯片LED產(chǎn)品XLamp MC-E組成，如圖2所示。該COB LED單顆內(nèi)部封裝了四種不同顏色的LED芯片，分別為紅光、綠光、藍(lán)光以及中性白或冷白。單個(gè)芯片的最大輸入電功率高達(dá)2 W。且發(fā)光強(qiáng)度能夠被單獨(dú)調(diào)節(jié)，可根據(jù)需求產(chǎn)生各種不同色溫的光輸出。

圖2 (a)多芯片LED XLamp MC-E；(b)4種LED芯片的光譜分布圖Fig.2 (a)Multi-chip LED XLamp MC-E; (b)Spectra distribution of the 4 color LED chips

色彩傳感器位于臺(tái)燈燈座上，能夠測(cè)量由環(huán)境光和LED光組成的混合光的光譜信息，并通過(guò)數(shù)據(jù)總線將信息反饋給MCU，用于完成照度與色溫值的計(jì)算。MCU將測(cè)量計(jì)算值與目標(biāo)值相比較，實(shí)時(shí)控制兩路雙通道LED驅(qū)動(dòng)器的輸出，以實(shí)現(xiàn)照度及色溫的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

臺(tái)燈的輸入電壓為24 V，通過(guò)外部的電源適配器完成市電到低壓直流電的轉(zhuǎn)換。由于MCU和色彩傳感器的工作電壓為3.3 V，因此還需要在PCB板上添加電平轉(zhuǎn)換電路。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 MCU控制電路

MCU根據(jù)設(shè)定的調(diào)光策略以及色彩傳感器反饋的光譜信息，完成對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電路的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)選用了Silicon Laboratories的8位微控制器C8051F330，該MCU采用高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核，具有標(biāo)準(zhǔn)8052的所有外設(shè)部件。如圖3所示，MCU生成四路獨(dú)立的PWM信號(hào)，分別控制不同顏色LED芯片的光輸出。PWM的頻率為1 kHz，遠(yuǎn)高于人眼可察覺(jué)的頻率上限；占空比值為8位數(shù)據(jù)，配合后文所述的LED驅(qū)動(dòng)電路，電流調(diào)節(jié)精度高達(dá)0.4%。另外，MCU內(nèi)部集成有SMBus接口，能夠非常方便地與色彩傳感器TCS3414CS通信。

圖3 MCU控制電路及C2接口Fig.3 MCU control circuit and C2 interface

2.2 色彩傳感器

為了能夠同時(shí)獲得混合光的照度和色溫信息，本設(shè)計(jì)中采用了AMS的四通道色彩傳感器TCS3414CS。如圖4(a)所示，該傳感器具有紅光、綠光、藍(lán)光與無(wú)濾光片(即全光譜)四個(gè)采光通道，且前三個(gè)通道的光譜響應(yīng)曲線輪廓與峰值位置與人眼三刺激值較為接近，如圖4(b)所示。

圖4 (a)TCS3414光譜響應(yīng)曲線；(b)人眼三刺激值Fig.4 (a)Response curve of TCS3414; (b)tristimulus of human eyes

因此，通過(guò)對(duì)這三個(gè)通道的積分響應(yīng)數(shù)值進(jìn)行矩陣運(yùn)算，即能換算出對(duì)應(yīng)的照度和色溫值[8]，以作為調(diào)光策略的輸入?yún)?shù)。工作面上的照度E為

E=(-0.324 66)R+(1.578 37)G+(-0.731 91)B

(1)

其中R，G，B分別為三個(gè)通道的測(cè)量值?；旌瞎獾南嚓P(guān)色溫CCT計(jì)算過(guò)程如下

(2)

(3)

(4)

CCT=449n3+3 525n2+6 823.3n+5

(5)

如圖5所示，色彩傳感器通過(guò)I2C總線實(shí)現(xiàn)與

MCU通信，一次采樣的積分時(shí)間為154 ms。

圖5 色彩傳感器電路Fig.5 Color sensor circuit

2.3 LED驅(qū)動(dòng)電路

如圖6所示，LED驅(qū)動(dòng)電路采用了Diodes的雙通道線性LED驅(qū)動(dòng)芯片AL1792。該芯片支持模擬調(diào)光與PWM調(diào)光兩種模式，調(diào)光精度高達(dá)0.4%，同時(shí)具備溫度保護(hù)和低壓關(guān)斷功能。如式(6)所示，芯片每個(gè)通道的最大輸出電流值由采樣電阻Rset決定，其中參考電壓值Uref的典型值為1.5 V。本設(shè)計(jì)一共使用6顆多芯片LED，每顆LED中相同顏色的芯片分別串聯(lián)后接到驅(qū)動(dòng)芯片的一個(gè)通道上。設(shè)計(jì)選取Rset為6 kΩ，則每一路的LED的最大輸出電流為500 mA。四種顏色芯片的導(dǎo)通壓降分別為2.3 V(R)，3.7 V(G)，3.5 V(B)及3.5 V(W)，因此，臺(tái)燈的最大輸出功率為39 W。MCU產(chǎn)生不同的占空比組合來(lái)控制驅(qū)動(dòng)輸出，以實(shí)現(xiàn)不同色溫和強(qiáng)度的混合光輸出。

(6)

圖6 LED驅(qū)動(dòng)電路Fig.6 LED diver circuit

3 調(diào)光控制策略

目前市面上的可調(diào)色臺(tái)燈一般使用兩種色溫差距較大的LED來(lái)實(shí)現(xiàn)光色調(diào)節(jié)。當(dāng)目標(biāo)色溫較高時(shí)，臺(tái)燈會(huì)提高冷色溫LED輸出，同時(shí)調(diào)暗暖色溫LED，反之亦然[9]。然而，這樣的調(diào)光策略存在兩個(gè)問(wèn)題。其一，沒(méi)有考慮到環(huán)境光的影響。工作面上的照明環(huán)境是由環(huán)境光與臺(tái)燈照明共同組成的，當(dāng)環(huán)境光在工作面上產(chǎn)生的照度較高，且其色溫與目標(biāo)色溫差距較大時(shí)，LED光和環(huán)境光組成的混合光的色溫便達(dá)不到要求。本設(shè)計(jì)中通過(guò)采用色彩傳感器，主動(dòng)檢測(cè)混合光的色溫作為調(diào)節(jié)依據(jù)，解決了該問(wèn)題。其二，照度要求和色溫要求往往難以同時(shí)兼顧。例如使用2 500 K色溫和6 500 K色溫的LED進(jìn)行混合調(diào)節(jié)時(shí)，若目標(biāo)色溫較高，則2 500 K色溫的LED輸出所占比重會(huì)很低，甚至完全關(guān)閉。此時(shí)僅靠6 500 K色溫的LED進(jìn)行照明，就有可能達(dá)不到照度要求。另一方面，若以滿足照度為優(yōu)先條件，提高2 500 K色溫的LED輸出，則混合光的色溫又偏離了目標(biāo)值。針對(duì)這一情況，本設(shè)計(jì)中采用了如下的調(diào)光策略。

1)使用彩色照度計(jì)分別測(cè)量出每路LED驅(qū)動(dòng)單獨(dú)輸出且占空比為1時(shí)的光譜數(shù)據(jù)?；谶@4組數(shù)據(jù)，使用Matlab的優(yōu)化工具箱，求解出當(dāng)輸出總光通相同時(shí)，不同預(yù)設(shè)色溫下能夠使顯色指數(shù)及光效達(dá)最佳的占空比組合，并將這些組合參數(shù)寫入到MCU中。此處的預(yù)設(shè)色溫為4路LED混合光的色溫，不包括環(huán)境光。表1列出了10種預(yù)設(shè)色溫下的占空比組合，以及對(duì)應(yīng)的LED合成光譜的顯色指數(shù)及光效。圖7為L(zhǎng)ED合成光譜的功率分布曲線。

表1 不同預(yù)設(shè)色溫下的占空比組合及對(duì)應(yīng)的顯色指數(shù)與光效Table 1 Duty cycle sets with Ra and luminous efficiency under different preset CCT condition

圖7 不同占空比組合下LED合成光譜的功率分布曲線Fig.7 Power distribution of LED spectra generated by different duty cycle sets

3)MCU將實(shí)際照度值與目標(biāo)照度值進(jìn)行對(duì)比。若二者的差值落在了設(shè)定的閾值之外，則同時(shí)等比例同方向地調(diào)節(jié)兩路“虛擬”LED的輸出值，經(jīng)過(guò)不斷的負(fù)反饋調(diào)節(jié)，使實(shí)際照度值重新落回閾值內(nèi)。當(dāng)實(shí)際照度滿足需求之后，MCU開始比較實(shí)際色溫與目標(biāo)值的偏差。同樣的，若二者的偏差較大，則調(diào)節(jié)兩路“虛擬”LED的輸出比值：若色溫偏高，則提高暖色溫“虛擬”LED的輸出，并等比例反方向調(diào)節(jié)冷色溫“虛擬”LED；反之亦然。此時(shí)不用考慮對(duì)目標(biāo)照度值的影響，因?yàn)椤盎住惫庾V的光通量是相同的?？刂频牧鞒倘鐖D8所示。

圖8 照度與色溫的控制流程圖Fig.8 Flow chart of illuminance and CCT control

(7)

其中Kw,c(n)分別為當(dāng)前時(shí)刻暖色溫和冷色溫LED占空比向量的權(quán)重，Kw,c(n+1)為下一時(shí)刻的權(quán)重，P為比例系數(shù)，e為目標(biāo)照度與實(shí)際照度的差值。為避免輸出在設(shè)定值附近出現(xiàn)震蕩，比例系數(shù)的設(shè)置不宜過(guò)大；但比例系數(shù)設(shè)置太小又會(huì)帶來(lái)調(diào)節(jié)過(guò)程緩慢的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)試，P可取0.002。色溫調(diào)節(jié)的過(guò)程與照度調(diào)節(jié)類似，只是兩個(gè)權(quán)重系數(shù)計(jì)算時(shí)的比例系數(shù)符號(hào)相反。

(8)

4 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

本文采用了兩組實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證臺(tái)燈設(shè)計(jì)的可行性。如圖8所示，LED陣列由支架固定，控制板位于工作面上，LED陣列中心距離色彩傳感器30 cm。圖9(a)為目標(biāo)色溫3 400 K，目標(biāo)照度為500 lx時(shí)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖；圖9(b)為目標(biāo)色溫5 200 K，目標(biāo)照度為750 lx時(shí)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖。表2列出了不同場(chǎng)景下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖9 (a)3 400 K/500 lx 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖；(b)5 200 K/750 lx實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖Fig.9 (a)3 400 K/500 lx experiment; (b)5 200 K/750 lx experiment

場(chǎng)景開燈前照度/lx開燈前色溫/K實(shí)驗(yàn)1：500lx/3400K實(shí)驗(yàn)2：750lx/5200K開燈后照度/lx開燈后色溫/K開燈后照度/lx開燈后色溫/K夜間無(wú)燈光0N/A49333567355156開遠(yuǎn)處日光燈187413649134597405100開近處日光燈326428751834667395136正午開窗戶238520748734987535182

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在不同的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下，照度的偏差小于4%，色溫的偏差小于2%。實(shí)驗(yàn)中未出現(xiàn)輸出震蕩，且從開燈到穩(wěn)定的調(diào)節(jié)周期小于12個(gè)，即穩(wěn)定時(shí)間均在2 s以內(nèi)。由此可以看出，該具備有照度與色溫自適應(yīng)的臺(tái)燈在不同的外部條件下，都能為其下的工作面提供滿足需求的照明環(huán)境。本文沒(méi)有設(shè)計(jì)具體的燈具機(jī)械結(jié)構(gòu)，在實(shí)際生產(chǎn)中，可以將PCB置于燈具底座中，同時(shí)在色彩傳感器上方開一個(gè)小窗口，并安裝透明材料，以使得光線能夠照射到傳感器上。值得注意的是，由于窗口材料的透過(guò)率不為1，因此在安裝窗口后需要在程序內(nèi)對(duì)傳感器采樣計(jì)算得到的照度值進(jìn)行線性補(bǔ)償。另外，使用的窗口材料的光譜透過(guò)率在可見(jiàn)光范圍內(nèi)應(yīng)該近似為常數(shù)，以避免色溫測(cè)量出現(xiàn)較大誤差。

5 結(jié)論

本文以單片機(jī)為控制器，采用色彩傳感器獲取工作面上的照度及混合光色溫信息來(lái)構(gòu)建反饋環(huán)，設(shè)計(jì)了一種具有照度色溫自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力的LED臺(tái)燈。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在不同的環(huán)境中，該臺(tái)燈均能提供良好的工作面照明，在節(jié)約能源的同時(shí)，帶來(lái)更加舒適的用戶體驗(yàn)。

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The Design of A Self-Adaptive Illuminance and Color Temperature Adjustable LED Desk Lamp

CHEN Jingyu，GE Aiming

(Department of Light Sources and Illuminating Engineering, Fudan University, Shanghai 200433；China)

In this paper, a self-adaptive LED desk lamp is designed. By utilizing the MCU as an intelligent controller and the color sensor to obtain illuminance on the work plane and the correlated color temperature value of mixed light, this LED desk lamp is capable for both illuminance and CCT control. Experimental results show that, in different environments, the lamp can provide satisfactory lighting condition with energy saved, leading to a more comfortable user experience.

LED desk lamp; illumination; CCT; color sensor; dimming control; lighting; control

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.03.014