CN107850291A - 用于使用光敏电阻器测量环境光强度的装置和方法 - Google Patents

用于使用光敏电阻器测量环境光强度的装置和方法 Download PDF

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Abstract

用于测量环境光的方法和装置，所述方法和所述装置包括：检测为LED光源供电的电源的功率转换，其中所述功率转换包括至少一个从OFF到ON的功率转换和至少一个从ON到OFF的功率转换；对LDR测量电路的输出信号执行多次测量，其中在所述从ON到OFF的功率转换与所述从OFF到ON的功率转换之间执行所述多次测量；并且根据所述多次测量计算环境光强度，其中所述从ON到OFF的功率转换与所述从OFF到ON的功率转换之间的时间段小于用于进行LDR光测量的稳定化的时间段。

Description

用于使用光敏电阻器测量环境光强度的装置和方法
技术领域
本文中所公开的方法和装置涉及测量光强度的领域。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年5月20日提交的美国临时申请第62/164,474号的权益，因此将该美国临时申请的全部内容以引用的方式并入本文中。
背景技术
众所周知，人类需要减少能源消耗，特别是人工照明所消耗的能源。在白天，例如在办公空间中应该添加的人造光光量可能会不断变化。诸如发光二极管(LED：light-emitting diode)等现代照明技术使得能够有效且精确地控制所添加的人造光光量。这就要求当人工照明在工作时要连续测量工作空间的各个区域中的自然光强度。因此，具有能够克服上述缺点的用于测量环境光的方法和装置是公认的需要，并且具有这样的方法和装置是非常有利的。
发明内容
根据一个示例性实施例，提供了用于测量环境光的方法、装置和计算机程序，该装置包括至少一个光敏电阻器(LDR：light-dependent resistor)、LDR传感器接口电路、采样及保持单元、模数转换器(ADC：Analog-to-Digital Converter)、缓冲单元、调度单元以及处理器，所述LDR传感器接口电路与所述至少一个LDR电气连接，所述采样及保持单元与所述LDR传感器接口电路电气连接，所述模数转换器与所述采样及保持单元电气连接，针对于各个所述LDR都设置有所述缓冲单元且所述缓冲单元被配置成收集LDR测量值，所述调度单元被配置成安排至少两个时间点，所述至少两个时间点用于测量所述LDR的输出信号以形成相应的所述LDR测量值，所述处理器被配置成收集所述LDR测量值中的至少一者且计算环境光强度。
根据另一个示例性实施例，所述装置还可以包括第二调度器，所述第二调度器每隔几秒钟、几分钟、几小时或几天就切断LED光源一小段时间。
根据又一个示例性实施例，所述处理器是专用硬件。
根据再一个示例性实施例，所述处理器是软件控制的中央处理单元。
进一步地，根据另一个示例性实施例，用于测量环境光的方法可以包括以下步骤：检测为LED光源供电的电源的功率转换，其中所述功率转换包括至少一个从OFF(断开)到ON(接通)的功率转换和至少一个从ON到OFF的功率转换；对包括光敏电阻器(LDR)的测量电路的输出信号执行多次测量，其中在所述从ON到OFF的功率转换与所述从OFF到ON的功率转换之间执行所述多次测量；并且根据所述多次测量计算环境光强度。
更进一步地，根据另一个示例性实施例，所述从ON到OFF的功率转换与所述从OFF到ON的功率转换之间的时间段小于用于进行LDR光测量的稳定化的时间段。
又进一步地，根据另一个示例性实施例，所述LDR光测量根据特定的已知函数进行稳定化，所述特定的已知函数的至少一个参数是未知的，并且所述计算环境光强度的步骤包括：根据所述多次测量计算所述至少一个参数。
再进一步地，根据另一个示例性实施例，所述从ON到OFF的功率转换与所述从OFF到ON的功率转换之间的时间段与光源的脉冲宽度调制(PWM：pulse width modulation)相关联。
此外，根据另一个示例性实施例，所述光源紧邻所述LDR。
除非另有定义，否则本文中所使用的所有技术和科学术语具有与相关领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。本文中所提供的材料、方法和实施例仅是说明性的而不是限制性的。除了过程本身所必需的或固有的范围之外，不存在意图或暗示本发明所描述的包括附图在内的方法和过程中的步骤或阶段的特定顺序。在许多情况下，过程步骤的顺序可以在不改变所述方法的目的或效果的情况下变化。
附图说明
在本文中，将参照附图仅通过示例的方式来说明各种实施例。现在具体参照详细的附图，应当强调的是，所示细节仅作为示例并且仅用于实施例的说明性讨论，并且所示细节被呈现以便提供被认为是实施例的原理和概念方面的最有用且最容易理解的内容说明。在这方面，没有试图以比对主题的基本理解所必需的更详细的方式来示出实施例的结构细节，结合附图的说明使得本领域技术人员明白如何在实践中实施几种形式和结构。
图1A是用于测量光强度的电路的简化示意图；
图1B是用于使用图1A的电路测量环境光的算法的简化流程图；
图1C是用于使用图1A的电路测量光的算法的简化流程图；
图2A是用于测量PWM控制的LED光源的环境光的简化时序图；
图2B是用于测量常开LED光源的环境光的简化时序图；
图3是LDR的模型；
图4是用于使用LDR测量光强度的测试电路的简化示意图；
图5是图4的测试电路的电压输出的简化时序图。
图6A是对PWM LED执行的测量的简化时序图；
图6B是对常开LED光源执行的测量的简化时序图；
图7A是用于超快测量PWM控制的LED光源的环境光强度的电路的框图；以及
图7B是用于超快测量常开LED光源的环境光强度的电路的框图。
具体实施方式
本实施例包括用于使用光敏电阻器测量光的装置和方法。参照下列附图和所附说明可以更好地理解根据本文中所呈现的几个示例性实施例的装置和方法的原理和操作。
在详细说明至少一个实施例之前，需要理解的是，实施例的应用不限于下列说明中所陈述的或附图中所图示的部件的构造和布置的细节。可以以各种方式实践或执行其他实施例。此外，需要理解的是，本文中所使用的措辞和术语是为了说明而不应当被视为限制。
在本文件中，在附图的范围内未描述且用前面的附图中所描述的附图标记标注的附图元件具有与前面的附图相同的用途和描述。类似地，在文本中由没有出现在文本所描述的附图中的附图标记识别的元件具有与描述该元件的前面的附图相同的用途和描述。
本文件中的附图可能不是按比例绘制的。不同的附图可能使用不同的比例，甚至在相同的附图中也可能使用不同的比例，例如，用于相同物体的不同视图的不同比例或用于两个相邻物体的不同比例。
术语“光敏电阻器”或“LDR”可以指对光敏感的任何类型的器件，特别是任何类型的电阻器或具有电阻的器件，其中该器件的电阻根据入射在器件上的光强度而改变。这样的器件也可以被称为光电导管或光电池、光电导体等。LDR的电阻通常随着入射光强度的增大而减小。
下述实施例的目的是提供至少一个用于使用LDR超快测量环境光的光强度的装置和/或方法。
现在参照根据一个示例性实施例的图1A、图1B和图1C，图1A是用于测量光强度的电路的简化示意图，图1B是用于使用图1A的电路测量环境光的算法的简化流程图，图1C是用于使用图1A的电路测量光的算法的简化流程图。
在一些实施方式中，为了测量环境光强度，要将传感器放置在不会受光源影响的区域中。如图1B所示，为了测量环境光强度，应当关闭光源。在正常操作以控制光强度的期间内，基于LED的光源被反复打开和关闭。例如，脉冲宽度调制(PWM)可以用于通过将LED关闭比人类感知短的周期来控制光强度。因此，例如，可以在PWM断开周期的期间内测量环境光。
现在参照根据两个示例性实施例的图2A和图2B，图2A是用于测量PWM控制的LED光源的环境光的简化时序图，图2B是用于测量常开LED光源的环境光的简化时序图。
作为选项，可以在前面附图的细节的背景下观察图2A和图2B的时序图。然而，当然也可以在任何期望环境的背景下观察图2A和图2B。而且，上述定义同样适用于下面的描述。
如图2A所示，LED光源是由PWM脉冲序列控制的，并且当PWM电压断开时，可以进行测量。如图2A所示，LED光源是常开的，并且可以通过将LED关闭比人类感知短的时间段来进行测量。这样的测量周期(例如，当操作电压断开时)可以是几毫秒，且也可以每隔几秒钟重复这样的测量周期以测量环境光强度。
可以使用光敏电阻器(LDR)进行光测量。
现在参照根据一个示例性实施例的图3，图3是LDR的模型。
作为选项，可以在前面附图的细节的背景下观察图3的LDR模型。然而，当然也可以在任何期望环境的背景下观察图3的LDR模型。而且，上述定义同样适用于下面的描述。
如图3所示，RD是暗电阻且可能是几兆欧，RV是可变光敏电阻且与光强度成反比，RL是剩余电阻，并且CP是几皮可法拉。
使用LDR的问题是：在将LDR暴露于光下之后需要很长时间使LDR稳定电阻，特别是在低光条件下。稳定时间可以是50毫秒至100毫秒，该稳定时间通常比PWM断开周期长，并且该稳定时间可以被人类感知为光闪烁。
现在参照根据一个示例性实施例的图4和图5，图4是用于使用LDR测量光强度的测试电路的简化示意图，图5是图4的测试电路的电压输出的简化时序图。
作为选项，可以在前面附图的细节的背景下观察图4的示意图和图5的时序图。然而，当然也可以在任何期望环境的背景下观察图4的示意图和图5的时序图。而且，上述定义同样适用于下面的描述。
参照图4，可以看出方程式1给出了图5所示的对光阶跃函数(light stepfunction)的响应：
方程式1
其中
方程式2
τ＝{(RV(L2)+RL)||RD||RX}CP和
方程式3
和
方程式4
可以在切断操作之前测量V0+，然后使用至少两个在t1和t2处的测量值，可以得到
方程式5
方程式5表示一组具有两个未知数V∞和τ的两个方程式。求解方程式5可以提供V∞的值，且因此可以提供当光源断开时的光强度，该光强度表示环境光强度。
因为当LED光源断开时的时间段是可控的，所以该时间段是已知的，于是t0和V0+也是已知的。
可以在t1、t2和t3处进行三点测量，其中t1＝T+t0、t2＝2T+t0、且t3＝3T+t0。
方程式5
然后，使用方程式6，
方程式6
其中然后使用方程式7
方程式7
和方程式5的方程式中的一者，得到方程式8。
方程式8
由于x可能具有一些噪声，所以方程式5的方程式中的各者可能被平均而得到：
方程式9
在某些情况下，我们会在测量中具有一些噪音，使得方程式6中的x计算可能会产生x+噪音。因此，我们将进行多次测量来代替三次测量，例如N次测量。
方程式10
一种可能性是定义
方程式11
然后方程式12
可替代地，方程式13
使用方程式14
方程式14
因此，使用方程式13和14可以得到与方程式12相同的x的结果。
因此，类似于方程式9，可以推论
方程式15
另一种选择可以是对已知的时间指标进行测量而不是对除T之外的时间差进行测量，然后解决最小二乘问题以估算环境光强度。
现在参照根据两个示例性实施例的图6A和图6B，图6A是对PWM LED执行的测量的简化时序图，图6B是对常开LED光源执行的测量的简化时序图。
作为选项，可以在前面附图的细节的背景下观察图6A和图6B的时序图。然而，当然也可以在任何期望环境的背景下观察图6A和图6B的时序图。而且，上述定义同样适用于下面的描述。
方程式15和方程式9示出了在图6A和图6B中完成的测量如何用于估算并因此估算环境光强度。
现在参照根据两个示例性实施例的图7A和图7B，图7A是用于超快测量PWM控制的LED光源的环境光强度的电路的框图，图7B是用于超快测量常开LED光源的环境光强度的电路的框图。
作为选项，可以在前面附图的细节的背景下观察图7A和图7B的框图。然而，当然也可以在任何期望环境的背景下观察图7A和图7B的框图。而且，上述定义同样适用于下面的描述。
需要理解的是，使用图7A和图7B的电路中的任一者的环境光强度可以包括许多用于测量不同区域中的环境光的LDR。
需要理解的是，为了清楚而在单独的实施例的背景下描述的某些特征也可以在单个实施例中被组合地提供。相反，为了简洁而在单个实施例的背景下描述的各种特征也可以单独地被提供或以任何合适的子组合被提供。
虽然上面已经结合具体实施例提供了说明，但是，明显地，对本领域技术人员而言，许多替代、修改和变型例将是显而易见的。因此，旨在涵盖落入所附权利要求的主旨和广义范围内的所有这样的替代、修改和变型例。在本文中，将本说明书中所提及的所有出版物、专利和专利申请的全部内容以引用的方式并入本说明书中，其范围如同各个单独的出版物、专利或专利申请被具体和单独地指明以引用的方式并入本文中。此外，本申请中的任何参考文献的引用或标识不应被视为承认这样的参考文献可作为现有技术。

Claims (9)

1.一种用于测量环境光的装置，其包括：
至少一个光敏电阻器(LDR)；
LDR传感器接口电路，所述LDR传感器接口电路与所述至少一个LDR电气连接；
采样及保持单元，所述采样及保持单元与所述LDR传感器接口电路电气连接；
模数转换器(ADC)，所述模数转换器与所述采样及保持单元电气连接；
缓冲单元，针对于各个所述LDR都设置有所述缓冲单元，且所述缓冲单元被配置成收集LDR测量值；
调度单元，所述调度单元被配置成安排至少两个时间点，所述至少两个时间点用于测量所述LDR的输出信号以形成相应的所述LDR测量值；以及
处理器，所述处理器被配置成收集所述LDR测量值中的至少一者且计算环境光强度。
2.根据权利要求1所述的装置，其还包括：
第二调度器，所述第二调度器每隔几秒钟、几分钟、几小时或几天就切断LED光源一小段时间。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述处理器是专用硬件。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述处理器是软件控制的中央处理单元。
5.一种用于测量环境光的方法，所述方法包括：
检测为LED光源供电的电源的功率转换，其中所述功率转换包括至少一个从断开到接通的功率转换和至少一个从接通到断开的功率转换；
对包括光敏电阻器(LDR)的测量电路的输出信号执行多次测量，其中在所述从接通到断开的功率转换与所述从断开到接通的功率转换之间执行所述多次测量；并且
根据所述多次测量计算环境光强度。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述从接通到断开的功率转换与所述从断开到接通的功率转换之间的所述时间段小于用于进行LDR光测量的稳定化的时间段。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，
除了至少一个参数外，用于进行LDR光测量的所述稳定化的函数是已知的，并且
所述计算环境光强度的步骤包括：根据所述多次测量计算所述至少一个参数。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述从接通到断开的功率转换与所述从断开到接通的功率转换之间的所述时间段与光源的脉冲宽度调制(PWM)相关联。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述光源紧邻所述LDR。
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