CN104735869A - 一种基于视觉舒适度的灯光控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视觉舒适度的灯光控制系统，包括单片机及分别与单片机连接的数字光照度传感器和恒流源芯片，所述恒流源芯片连接有LED灯，单片机输出PWM信号控制恒流源芯片。本发明采用PWM调整LED的光照度，从而调节视觉舒适度，根据韦伯-费希纳定律建立视觉舒适度的感觉量与光照度关系的数学模型，依照前人做的在不同家庭活动中被测人员的眼睛舒适度的数据，得到最佳视觉舒适度范围，作为设计调节灯光亮度的最低和最高阈值。采用调整脉冲占空比达到调整电压、电流、功率的方法，它比一般方法损耗小，可方便地利用单片机控制，近似连续地改变亮度(无级调制)，可以做到很好的对比度。

Description

一种基于视觉舒适度的灯光控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及照明系统，特别涉及一种基于视觉舒适度的灯光控制系统及控制方法。

背景技术

视觉舒适度是一个评价指标，表征处于一个光环境中的对象的眼睛是否感觉舒服的心理感觉量。由于视觉也是一个心理感知量，可以用韦伯-费希纳定律作为评价指标，而且影响视觉舒适度的因素很多，各因素的作用又不尽相同且复杂，如光照亮度、色调、视角、对比度等等。显然光照亮度是最主要的因素，有时色调也是需要考虑的一个因素。考虑到家庭成员处于不同的家庭活动时所需要的照度水平是不同的，比如，看电视时房间亮度最好暗些，起到保护视觉的目的，又能达到节约电能的初衷。而看书时，最好提供一个相对明亮的光环境。引文对居民的家居生活的照明光环境进行了研究。分别采用冷暖色调的不同光源，在不同的照明水平下，以被测试者在受控的人工照明实验室中模拟起居室中看电视、一般活动、接待客人、团聚时四种活动场景的人工照明光环境进行心理和生理的主观评价。得出结果为看电视时，室内平均照度为50lx为宜，一般活动平均照度为75～100lx为宜，会客时为150～200lx为宜，团聚时为200～300lx为宜，本设计不是单纯的参照这个数据作为标准，而是参考试验对象的心里满意度水平，作为韦伯-费希纳定律的心理感知量。因为考虑到视觉舒适度是心理感知量，它的数学模型以韦伯-费希纳为基础。决定视觉舒适度的数学模型如下:

Z＝a₀+a₁ln E+a₂(ln E)²+…a_n(ln E)ⁿ+…

E为照度，Z为舒适度感知量。

根据上面的视觉舒适度的数学模型，可以计算视觉舒适度与光照度之间的关系，也就能知道最佳舒适度，即取Z为最大值时所对应的光照度就是最佳光照度，当然心理感知量并没有很高的分辨率，所以一段范围的光照度范围都是可取的，用于确定光照控制算法的阈值取值。各种家庭活动视觉舒适度与照度水平的关系模型用以下几个式子表示。

看电视时冷暖色调下的视觉舒适度与光照度的关系：

$Z_b=\frac{1}{23.02}[3039.8-2768.5\ln E+900.07{\left(\ln E\right)}^2-120.84{\left(\ln E\right)}^2+5.4258{\left(\ln E\right)}^4]$

$Z_b=\frac{1}{22.751}[367.1652-485.6503\ln E+197.3185{\left(\ln E\right)}^2-29.3424{\left(\ln E\right)}^2+1.2458{\left(\ln E\right)}^4]$

一般活动时冷暖色调下的视觉舒适度与光照关系：

$Z_b=\frac{1}{22.274}[3518.5-2688\ln E+716.8{\left(\ln E\right)}^2-74.971{\left(\ln E\right)}^2+2.227{\left(\ln E\right)}^4]$

$Z_b=\frac{1}{24.224}[-1477.2+1025.4\ln E-299.09{\left(\ln E\right)}^2+43.67{\left(\ln E\right)}^3-2.5768{\left(\ln E\right)}^4]$

会客时冷暖色调下的视觉舒适度与光照度的关系：

$Z_b=\frac{1}{24.325}[658.15+588.18\ln E-722.19{\left(\ln E\right)}^2+116.4{\left(\ln E\right)}^3-8.13{\left(\ln E\right)}^4]$

$Z_b=\frac{1}{24.224}[-1477.2+1025.4\ln E-299.09{\left(\ln E\right)}^2+43.67{\left(\ln E\right)}^3-2.5768{\left(\ln E\right)}^4]$

团聚时冷暖色调下的视觉舒适度与光照的关系：

$Z_b=\frac{1}{29.059}[2935.9-1698.6\ln E+321.23{\left(\ln E\right)}^2-19.168{\left(\ln E\right)}^3-0.11093{\left(\ln E\right)}^4]$

$Z_b=\frac{1}{25.136}[5820.8-3943.5\ln E+971.99{\left(\ln E\right)}^2-102.35{\left(\ln E\right)}^3+3.8427{\left(\ln E\right)}^4]$

由上面几个式子可以得到四种家庭活动对应的最佳平均照度水平范围，分别为58-70，106-118，203-240，338-362，单位都为lx(勒克斯)，它是光照度的单位。代表1流明(光通量单位)的光通量均匀分布在1平方米面积上的照度，就是1勒克斯。

LED是一种固体冷光源，作为继白炽灯、荧光灯、高强度放电灯之后的第四代光源，与传统的照明光源相比，它具有体积小、可靠性高、光效高、节能、安全环保等不可比拟的优点，而且可以加上调光的功能，进一步节省电能。

本发明所要解决的技术问题是：通过单片机，利用照度传感器采集照度值，根据视觉舒适度评价指标，判定光源输出值是否合理，对LED光源使用恒流源驱动装置进行PWM调节，使输出值达到人体视觉舒适度范围内。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于视觉舒适度的灯光控制系统及控制方法，有极高的调光精确度，不会产生色谱偏移，不会发生闪烁现象。

本发明的技术方案是：

一种基于视觉舒适度的灯光控制系统，包括单片机及分别与单片机连接的数字光照度传感器和恒流源芯片，所述恒流源芯片连接有LED灯，单片机输出PWM信号控制恒流源芯片。

优选的，所述数字照度传感器通过I2C总线与单片机连接。

优选的，所述数字照度传感器采用BH1750。

优选的，所述恒流源芯片采用BP1360。

优选的，所述单片机上还通过连接时钟电路及复位电路，构成单片机最小系统。

优选的，所述单片机上还连接有时钟芯片。

优选的，所述单片机还连接有选择当前光照场景的按键。

进一步优选的，所述单片机还连接有显示屏。

一种基于视觉舒适度的灯光控制系统的控制方法，包括步骤：

(1)灯光控制系统预设不同活动场景下的最佳光照度范围；

(2)开启PWM调光模式，根据当前活动场景，获取步骤1预设的对应光照度范围L_min～L_max；

(3)采集现场的光照度L_C,调节PWM信号占空比，进而调节LED灯的亮度，直到光照度L_C满足：Lmin<Lc<Lmax。

优选的，步骤1预设的不同活动场景下的最佳光照度范围包括：看电视时，58～70lx；一般活动时，106～118lx；会客时，203～240lx，团聚时，338～362lx。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用PWM调整LED的光照度，从而调节视觉舒适度，根据韦伯-费希纳定律建立视觉舒适度的感觉量与光照度关系的数学模型，依照前人做的在不同家庭活动中被测人员的眼睛舒适度的数据，得到最佳视觉舒适度范围，作为设计调节灯光亮度的最低和最高阈值。采用调整脉冲占空比达到调整电压、电流、功率的方法，它比一般方法损耗小，可方便地利用单片机控制，近似连续地改变亮度(无级调制)，可以做到很好的对比度。采用PWM调光方式调节LED灯的亮度的优点如下：不会产生色谱偏移，因为LED始终工作的满幅度电流和0之间；有极高的调光精确度，脉冲波形的占空比可以控制到很高的精度，达到0.01％；不会发生闪烁现象，因为人眼感受不到较高频率的灯光变化。

(2)本发明应用BH1750光照度传感器，进行硬件设计以及软件接口的编程。另外使用BP1360恒流驱动源进行LED调光使房间光照度时刻处于最佳状态。

附图说明

图1为本发明所述的基于视觉舒适度的灯光控制系统的一种实施电路原理图；

图2为本发明所述的基于视觉舒适度的灯光控制系统的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例作进一步说明：

如图1所示，本发明所揭示的基于视觉舒适度的灯光控制系统，包括单片机STC89C52及分别与单片机连接的数字光照度传感器和恒流源芯片，BH1750为光照度传感器，由P1.3，P1.4，P1.5控制及采集。P1.6连接Button，用来选择当前光照场景。D2为LED灯，其发光强度由BP1360驱动，BP1360由P2.1通过PWM控制。LCD1为液晶显示屏PG160128，用来现实当前场景及照度值。U3为时钟芯片DS1302，B1为电池，为DS1302提供电能，DS1302为系统提供时间依据。C1，C2，X1，构成单片机时钟电路，R1，C3及电源构成单片机复位及使能电路。时钟电路及复位电路，使能电路以及STC89C52构成单片机最小系统。

数字光照度传感器BH1750FVI的特点：①I2C总线接口(f/s模式支持)，光谱的范围与人眼相近。②照度数字转换器，宽范围和高分辨率，测量范围1-63335lx，测量精度为0.35lx。③50/60Hz光噪声reject-function。④光源依赖性不大(例如白炽灯、led灯、卤素灯、荧光灯等)。

BH1750与单片机的连接通过I2C总线进行通信，接受MCU的配置指令和测量命令，向MCU传送测量数据。

BH1750测光照度模块采用I2C数据连接，应用中采用端口模拟I2C时序的形式进行操作，就是端口进行相应的电平变化，用以模拟I2C的时序，这在编程中是个常用的方法。

恒流源芯片设计采用BP1360专业的恒流源芯片，该芯片是一款驱动高亮度LED的降压恒流驱动芯片，外部采用少量元器件，为车载LED、LED路灯、太阳能LED提供一个极高性价比的解决方案。输入的电压范围广，从5伏到30伏，恒流源就是输出的电流恒定(电流精度高达3％)，该电流通过采样电阻设定，单颗LED最大输出电流可以达到600毫安，芯片通过DIM引脚接收0.5-2.5v的模拟调光以及频率范围很宽的PWM调光，内置的功率开关根据不同的输入电压可以驱动1颗3瓦或者多颗1瓦的灯珠，而且BP1360包含过温保护、led短路和开路保护功能。

如图2所示，一种基于视觉舒适度的灯光控制系统的控制方法，包括步骤：

(1)灯光控制系统预设不同活动场景下的最佳光照度范围；不同活动场景下的最佳光照度范围包括：看电视时，58～70lx；一般活动时，106～118lx；会客时，203～240lx，团聚时，338～362lx。

(2)开启PWM调光模式，根据当前活动场景，获取步骤1预设的对应光照度范围L_min～L_max；

(3)采集现场的光照度L_C,调节PWM信号占空比，进而调节LED灯的亮度，直到光照度L_C满足：Lmin<Lc<Lma。

PWM调节方式使得驱动电路更简单，降低成本，并获得较精确的亮度步进调节(无级调光)。对于BP1360，相应的程序是由单片机产生PWM信号，可以改变该信号的频率，也可以改变信号的占空比达到控制亮度的目的。

Claims (10)

1.一种基于视觉舒适度的灯光控制系统，其特征在于，包括单片机及分别与单片机连接的数字光照度传感器和恒流源芯片，所述恒流源芯片连接有LED灯，单片机输出PWM信号控制恒流源芯片。

2.根据权利要求1所述的基于视觉舒适度的灯光控制系统，其特征在于，所述数字照度传感器通过I2C总线与单片机连接。

3.根据权利要求2所述的基于视觉舒适度的灯光控制系统，其特征在于，所述数字照度传感器采用BH1750。

4.根据权利要求1所述的基于视觉舒适度的灯光控制系统，其特征在于，所述恒流源芯片采用BP1360。

5.根据权利要求1所述的基于视觉舒适度的灯光控制系统，其特征在于，所述单片机上还通过连接时钟电路及复位电路，构成单片机最小系统。

6.根据权利要求5所述的基于视觉舒适度的灯光控制系统，其特征在于，所述单片机上还连接有时钟芯片。

7.根据权利要求1所述的基于视觉舒适度的灯光控制系统，其特征在于，所述单片机还连接有选择当前光照场景的按键。

8.根据权利要求1所述的基于视觉舒适度的灯光控制系统，其特征在于，所述单片机还连接有显示屏。

9.一种基于视觉舒适度的灯光控制系统的控制方法，其特征在于，包括步骤：

(1)灯光控制系统预设不同活动场景下的最佳光照度范围；

(2)开启PWM调光模式，根据当前活动场景，获取步骤1预设的对应光照度范围L_min～L_max；

(3)采集现场的光照度L_C,调节PWM信号占空比，进而调节LED灯的亮度，直到光照度L_C满足：Lmin<Lc<Lmax。

10.根据权利要求9所述的基于视觉舒适度的灯光控制系统的控制方法，其特征在于，步骤1预设的不同活动场景下的最佳光照度范围包括：看电视时，58～70lx；一般活动时，106～118lx；会客时，203～240lx，团聚时，338～362lx。