CN102625546A - 自动调光恒光控制系统 - Google Patents

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Abstract

自动调光恒光控制系统，包括(1)检测电路：检测灯具照射作业面的反射光的亮度和波长是否发生变化，反射光的亮度和波长既包括灯具本身发出的光，也包括外部环境光，将光信号转换为电信号送给控制电路；并且每隔一段时间测量一次作业面对光的反射率c；(2)控制电路：将检测电路送来的电信号进行模数转换，分辨是外部环境光通过作业面反射的光还是灯具本身发出光通过作业面反射的光，计算出灯具光源的光通量Φ，输出对应于该光通量Φ的脉冲宽度调制PWM形式的控制信号，PWM的占空比对应灯具光源的光通量Φ和功率；根据作业面对光的反射率c的变化，调整光电传感器处的照度LR值，使得设定作业面上的固定照度L保持L＝LR÷c的函数关系。本发明结构简单并且成本低。

Description

自动调光恒光控制系统
技术领域
本发明涉及一种自动调光恒光控制系统，属于自动控制领域。
背景技术
目前人们使用的照明灯具所发出的光的亮度基本上是固定的。虽然有些灯具带有智能调光功能，但是也是一种定性调光功能，即当环境光发生变化时，灯具发出的光的亮度发生相应变化。而灯具照射的作业面上照度是否符合人们健康照明的要求或中国和国际等各种照明标准等要求，即照度值保持在多少范围内，就做不到。或为了控制照射的作业面照度，必须用光电传感器等测量作业面照度，于是将光电传感器放在作业面上进行直接测量照度。这种方法只能应用在台灯等特殊灯具上。但对一般的灯具照明(如商场内照明)，是不可能将光电传感器放在作业面上进行直接测量，只能间接测量作业面上的照度。若利用作业面上的反射光，来间接测量作业面上的照度，进而控制作业面照度。然而，由于作业面的反射率一般经常有变化，即作业面的反射率不是一个静态常量，而是一个动态变量。如在商场内，因人们穿的衣服不同，而反射率不同，即作业面反射率不同。但是人是流动的，所以反射率是一个不断变化的动态变量。在实际照明中，当作业面的反射率改变时，人们一般不可能经常去测量反射率。因此不能根据环境光的变化，适当地调节灯具亮度，使得作业面上的照度保持在一个要求的范围内。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种自动调光恒光控制系统。解决了长期困扰照明行业的一个技术难题：在同一个作业面上，调光控制系统不能分辨环境亮度和作业面反射率的经常变化，或系统过于复杂成本过高等原因不能推广的问题。
本发明的技术解决方案是：
自动调光恒光控制系统，包括：
检测电路：检测灯具照射作业面的反射光的亮度和波长是否发生变化，反射光的亮度和波长既包括灯具本身发出的光，也包括外部环境光，将光信号转换为电信号送给控制电路；并且每隔一段时间(1微秒～1小时)测量一次作业面对光的反射率c，发射率c＝光电传感器处的照度LR÷作业面上的照度L。
控制电路：由于光电传感器对不同波长的光感应是不同的，因此检测电路将不同光信号转换为电信号也不同。而灯具发出光的波长与外部环境光的波长是不可能完全相同，即检测电路将灯具发出光通过作业面反射的光信号转换为电信号与外部环境光通过作业面反射的光信号转换为电信号是不相同的。从而控制电路从检测电路接收到的这些电信号也不同，再将这些电信号进行模数转换，得到的数字电信号也不同。所以控制电路能够分辨是外部环境光通过作业面反射的光还是灯具本身发出光通过作业面反射的光，计算出灯具光源的光通量Φ，输出对应于该光通量Φ的脉冲宽度调制PWM形式的控制信号，PWM的占空比对应灯具光源的光通量Φ和功率；根据作业面对光的反射率c的变化，调整光电传感器处的照度LR值，使得作业面上设定的固定照度L保持L＝LR÷c的函数关系；若是外部环境光发生变化，则控制电路输出的PWM占空比改变，以调节灯具的光通量Φ，使得作业面上的照度：L＝来自于外部环境光线的照度+灯具本身发出光线的照度保持不变，即作业面上的照度保持在用户要求的范围内或符合中国和国际等各种照明标准，否则控制电路输出的PWM占空比不改变，即不调节灯具的光通量Φ和功率。
进一步地，所述控制电路由集成电路(IC)实现。
作为本发明的一个实施例，所述检测电路为一路：由光电传感器和电阻构成串联电路连接在所述集成电路的正负极两端，所述光电传感器与所述电阻的连接处连接在所述集成电路的电压或电流检测口输入端，所述光电传感器为光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电管或光电倍增管。
作为本发明的优选实施例，所述检测电路为A、B两路；A路检测电路为：依次由光电传感器和电阻构成串联电路连接在所述集成电路的正负极两端，其中所述光电传感器与所述电阻的连接处连接在所述集成电路的电压或电流检测口第一输入端；
B路检测电路为：依次由电阻和光电传感器构成串联电路连接在所述集成电路的正负极两端，其中所述光电传感器与所述电阻的连接处连接在所述集成电路的电压或电流检测口第二输入端；
所述A、B两路检测电路中的光电传感器为光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电管或光电倍增管。
作为本发明的又一实施例，所述检测电路为大于两路的多路，每一路在所述集成电路检测口的输入电压或电流是关于L1和L2的严格单调函数，即关于L1和L2的偏导数恒大于0或者恒小于0，其中L1表示灯具发出光线通过作业面反射到光电传感器的感光面上照度，L2表示环境光线通过作业面反射到光电传感器的感光面上照度。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明的检测电路通过每隔一段时间测量一次作业面对光的反射率c，能够检测灯具照射作业面的反射光的亮度和波长是否发生变化，反射光的亮度和波长既包括灯具本身发出的光，也包括外部环境光；控制电路根据作业面对光的反射率c的变化，调整光电传感器处的照度LR值，使得设定作业面上的固定照度L保持L＝LR÷c的函数关系，输出脉冲宽度调制PWM形式的控制信号，PWM的占空比对应灯具光源的光通量Φ和功率，从而使作业面上的照度保持在用户要求的范围内或符合中国和国际等各种照明标准。
为了加强控制电路分辨环境光与灯具发出光的能力，本发明进一步将检测电路增加到两路或者更多路，这样自动调光恒光控制系统具有超强光源分辨能力。
本发明是一种成本低，可以将自动调光恒光控制系统放入灯具内的控制方式，只要将光电传感器对准灯具照射的作业面，它会自动根据环境亮度和作业面反射率的变化，使得作业面上的照度就可以符合人们健康照明的要求或中国和国际等各种照明标准的要求。
附图说明
图1为根据本发明的自动调光恒光控制系统原理图；
图2为实施例二以光敏电阻作为光电传感器的电路结构图；
图3为实施例二以光敏二极管作为光电传感器的电路结构图；
图4为实施例二以光敏三极管作为光电传感器的电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述：
图1是根据本发明的自动调光恒光控制系统原理图。该自动调光恒光控制系统包括检测电路和控制电路。
检测电路：检测灯具照射作业面的反射光的亮度和波长是否发生变化，反射光的亮度和波长既包括灯具本身发出的光，也包括外部环境光，将光信号转换为电信号送给控制电路。并且每隔5分钟(也可以是其它设定时间)测量一次作业面对光的反射率c。
控制电路：由集成电路(IC)MCL03实现，IC将检测电路送来的电信号进行模数转换，分辨是外部环境光通过作业面反射的光还是灯具本身发出光通过作业面反射的光，根据光源、作业面上照度的函数关系：E＝dφ/dA，其中A表示面积，计算出灯具光源的光通量Φ，输出对应于该光通量Φ的脉冲宽度调制PWM形式的控制信号，PWM的占空比对应灯具光源的光通量Φ和功率；
根据作业面对光的反射率c的变化，调整光电传感器处的照度LR值，使得作业面上设定的固定照度L保持L＝LR÷c的函数关系。作业面上的照度L、作业面对光的反射率c(≤100％)和光电传感器处的照度LR之间的函数关系为：LR＝cL；只要使光电传感器处的照度保持在LR＝cL数值，就可以使得作业面上的照度保持在L＝LR÷c数值。
若是外部环境光发生变化，则控制电路输出的PWM占空比改变，以调节灯具的光通量Φ，使得作业面上的照度：L＝来自于外部环境光线的照度+灯具本身发出光线的照度保持不变，否则控制电路输出的PWM占空比不改变，即不调节灯具的光通量Φ和功率。
本发明的灯具光源包括：LED、荧光灯、节能灯、白炽灯、HID灯、无电极灯、低压钠灯、超高压金属卤化物灯、氙灯、或碳弧灯。
实施例一：
检测电路为一路：由光电传感器和电阻构成串联电路连接在集成电路的正负极两端，光电传感器与电阻的连接处连接在集成电路的电压或电流检测口输入端，光电传感器可以为光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电管或光电倍增管，其中光敏电阻的价格最便宜。
以光敏电阻为例，在5V直流电压的两端串联两个电阻，一个是固定阻值的电阻RF，另一个是光敏电阻RL。光敏电阻RL与普通电阻RF的连接处连接在集成电路的电压(也可以是电流，只是电压常用)检测口输入端。当外部环境亮度增大时，控制电路输出脉冲宽度调制PWM信号，使电源给灯供电的电压值或电流值减少，灯的亮度和耗电相应减少；当外部环境亮度减少时，控制电路输出脉冲宽度调制PWM信号，使电源给灯供电的电压值或电流值增大，灯的亮度和耗电相应增加。
实施例二：
与实施例一不同的是，所述检测电路为两路。
由于检测电路是检测反射光的照度，即该光线是灯具发出的光或环境光通过作业面反射得到的，而作业面对光的反射率c≤100％，并且有时c＜10％，这样一来检测电路中光电传感器处的照度远低于光源直接照射的照度，从而在光电传感器处的光信号很弱。自动调光恒光控制系统不容易分辨环境光与灯具发出光。因此为了加强控制电路分辨环境光与灯具发出光的能力，将检测电路设为A、B两路，即在5V直流电压的两端并联A、B两路串联电路。
A路检测电路为：依次由光电传感器和电阻构成串联电路连接在集成电路的正负极两端，其中所述光电传感器与所述电阻的连接处连接在所述集成电路的电压或电流检测口第一输入端。
A路检测电路在IC输入口电压：V＝f(L1，L2，λ1，λ2)，其中L1为灯具发出光线通过作业面反射到光电传感器的感光面上照度，L2为环境光线通过作业面反射到光电传感器的感光面上照度，λ1是关于灯具发出光对应的波长，λ2是关于环境光对应的波长。V关于L1偏导数：VL1＝fL1(L1，L2，λ1，λ2)＞0，关于L2偏导数：VL2＝fL2(L1，L2，λ1，λ2)＞0，即V是关于L1和L2的严格单调增函数。
B路检测电路为：依次由电阻和光电传感器构成串联电路连接在所述集成电路的正负极两端，其中所述光电传感器与所述电阻的连接处连接在所述集成电路的电压或电流检测口第二输入端。
B路的检测电路在IC输入口电压：u＝g(L1，L2，λ1，λ2)，其中L1，L2，λ1，λ2的意义与A路相同，u关于L1偏导数：uL1＝gL1(L1，L2，λ1，λ2)＜0，关于L2偏导数：uL2＝gL2(L1，L2，λ1，λ2)＜0，即u是关于L1和L2的严格单调减函数。
A、B两路检测电路中的光电传感器可以为光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电管或光电倍增管。
图2所示的是A、B两路检测电路中光电传感器为光敏电阻的情况，图3所示的是A、B两路检测电路中光电传感器为光敏二极管的情况，图4所示的是A、B两路检测电路中光电传感器为光敏三极管的情况。
实施例三：
为了进一步增强自动调光恒光控制系统分辨环境光与灯具发出光的能力，可将检测电路设为更多路(大于两路)，但是每一路检测电路在IC检测口的输入电压关于L1和L2都必须是严格单调函数，即关于L1和L2偏导数都是恒大于0或者恒小于0。
本发明的自动调光恒光控制系统体积小、能够安装在灯具内、成本低、使用方便。该本发明能够达到健康照明的目的，又因为充分利用自然光等环境光，而达到节能的效果。
据了解，仅在我国照明耗电量占总发电量的15％左右。2004年我国的总发电量为21870亿千瓦小时，年照明耗电达3280.5亿度，相当于三峡水利发电工程年发电量(840亿度)的四倍左右，据专家统计白天照明占照明用电的50％以上，主要是商业和工业用电。若使用该发明的技术，将充分利用了自然光，使得我国总耗电减少几个百分点，既节约了能源，又达到健康照明的目的，其意义巨大。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.自动调光恒光控制系统，其特征在于：包括
检测电路：检测灯具照射作业面的反射光的亮度和波长是否发生变化，反射光的亮度和波长既包括灯具本身发出的光，也包括外部环境光，将光信号转换为电信号送给控制电路；并且每隔一段时间测量一次作业面对光的反射率c；
控制电路：将检测电路送来的电信号进行模数转换，分辨出是外部环境光通过作业面反射的光还是灯具本身发出光通过作业面反射的光，计算出灯具光源的光通量Φ，输出对应于该光通量Φ的脉冲宽度调制PWM形式的控制信号，PWM的占空比对应灯具光源的光通量Φ和功率；根据作业面对光的反射率c的变化，调整光电传感器处的照度LR值，使得LR＝cL，即作业面上设定的固定照度L保持L＝LR÷c的函数关系；
若是外部环境光发生变化，则控制电路输出的PWM占空比改变，以调节灯具的光通量Φ，使得作业面上的照度：L＝来自于外部环境光线的照度+灯具本身发出光线的照度保持不变，否则控制电路输出的PWM占空比不改变，即不调节灯具的光通量Φ和功率。
2.根据权利要求1所述的自动调光恒光控制系统，其特征在于，所述检测电路为一路：由光电传感器和电阻构成串联电路连接在所述集成电路的正负极两端，所述光电传感器与所述电阻的连接处连接在所述集成电路的电压或电流检测口输入端，所述光电传感器为光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电管或光电倍增管。
3.根据权利要求1所述的自动调光恒光控制系统，其特征在于，所述检测电路为A、B两路；A路检测电路为：依次由光电传感器和电阻构成串联电路连接在所述集成电路的正负极两端，其中所述光电传感器与所述电阻的连接处连接在所述集成电路的电压或电流检测口第一输入端；
B路检测电路为：依次由电阻和光电传感器构成串联电路连接在所述集成电路的正负极两端，其中所述光电传感器与所述电阻的连接处连接在所述集成电路的电压或电流检测口第二输入端；
所述A、B两路检测电路中的光电传感器为光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电管或光电倍增管。
4.根据权利要求1所述的自动调光恒光控制系统，其特征在于，所述检测电路为大于两路的多路，每一路在所述集成电路检测口的输入电压或电流是关于L1和L2的严格单调函数，即关于L1和L2的偏导数恒大于0或者恒小于0，其中L1表示灯具发出光线通过作业面反射到光电传感器的感光面上照度，L2表示环境光线通过作业面反射到光电传感器的感光面上照度。
5.根据权利要求1所述的自动调光恒光控制系统，其特征在于，每隔1微秒～1小时测量一次作业面对光的反射率c。
6.根据权利要求1所述的自动调光恒光控制系统，其特征在于，所述控制电路由集成电路实现。
7.根据权利要求1所述的自动调光恒光控制系统，其特征在于，所述灯具光源包括：LED、荧光灯、节能灯、白炽灯、HID灯、无电极灯、低压钠灯、超高压金属卤化物灯、氙灯、或碳弧灯。
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