日光燈亮度自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

羅曉藝

日光燈作為現(xiàn)代照明系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的燈具，具有只能發(fā)出單一光強的光、無法協(xié)調(diào)適應(yīng)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(tǒng)解決方案，功率接口采用固態(tài)繼電器，在一定程度上達到了節(jié)約能源的目的，但該方案僅根據(jù)環(huán)境亮度控制日光燈的開和關(guān)，亮度調(diào)節(jié)靈活性較差。

針對這一現(xiàn)象，本文提出了基于微控制器和采用相位控制的交流調(diào)壓電路的新型日光燈亮度自動調(diào)節(jié)控制解決方案，具有結(jié)構(gòu)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(jié)約能源的目的，可廣泛應(yīng)用于學(xué)校學(xué)習(xí)和家庭生活等場合。

一、系統(tǒng)設(shè)計

圖1是日光燈原理示意圖，主要由燈管、啟動器和鎮(zhèn)流器組成，燈管內(nèi)的水銀蒸氣在高電壓的激發(fā)下導(dǎo)電，發(fā)出紫外線，使管壁上的熒光粉發(fā)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(xiàn)象，啟動器和鎮(zhèn)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(diào)節(jié)日光燈兩端的電壓來調(diào)節(jié)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(diào)壓電路的新型日光燈亮度自動調(diào)節(jié)控制解決方案如圖2所示。

輔助供電單元為亮度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的工作供電，光敏傳感器負責(zé)測量室內(nèi)環(huán)境光照強度并轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電信號，經(jīng)調(diào)理后送入微控制器采樣。手動控制開關(guān)供用戶選擇是否啟用亮度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在不啟用亮度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)時，控制雙向晶閘管保持導(dǎo)通狀態(tài)。微控制器根據(jù)采樣得到的光照強度信息，計算出雙向晶閘管導(dǎo)通角，經(jīng)移向觸發(fā)器驅(qū)動雙向晶閘管導(dǎo)通。

系統(tǒng)上電啟動時，微控制器對系統(tǒng)進行初始化，然后讀取手動控制開關(guān)狀態(tài)。當用戶設(shè)定手動控制開關(guān)閉合時，微控制器直接設(shè)定雙向晶閘管導(dǎo)通觸發(fā)角[]，控制雙向晶閘管保持導(dǎo)通狀態(tài)，此時，亮度自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)不產(chǎn)生作用。

當手動控制開關(guān)打開時，微控制器采樣光敏傳感器輸出的環(huán)境光照信息，并和程序設(shè)定的光照信息作比較，計算出新的雙向晶閘管移向觸發(fā)角，輸出到移向觸發(fā)器，控制雙向晶閘管的導(dǎo)通。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖如圖3所示。為保證日光燈正常啟動，設(shè)定導(dǎo)通觸發(fā)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(tǒng)，如圖4所示。系統(tǒng)所需雙向晶閘管由兩個單向晶閘管反并聯(lián)組成，日光燈由阻感負載代替。

由于仿真主要針對系統(tǒng)設(shè)計正確性驗證，因此，并未對導(dǎo)通觸發(fā)角進行實時計算修正，仿真系統(tǒng)直接給定了一個導(dǎo)通觸發(fā)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(diào)光前后施加在日光燈上的電壓示意圖，調(diào)光前，單相電網(wǎng)電壓全部施加在日光燈上，調(diào)光后，單相電網(wǎng)電壓部分施加在日光燈管上，電壓波形受導(dǎo)通觸發(fā)角的控制。對比圖4（a）和圖4（b）可知，調(diào)光前，日光燈消耗的功率為49.07W，控制導(dǎo)通觸發(fā)角為60°時，日光燈消耗的功率為45.86W，日光燈功率得到了調(diào)節(jié)，驗證了系統(tǒng)分析和設(shè)計的正確性。