CN206181465U - 一种基于cpld控制器的建筑物照明控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于CPLD控制器的建筑物照明控制系统，包括CPLD控制器、单片机、M个光照强度检测子模块和N个LED照明子模块，其中N≥M；LED照明子模块主要由LED灯、LED驱动器和电子电位器构成；M个光照强度检测子模块的光照强度数据输出端均与单片机的输出口相连接；N个LED照明子模块的照明亮度调节端均与CPLD控制器的IO相连接；单片机通过SPI串行通信接口与CPLD控制器相连。本实用新型具有能根据外界环境自然光的亮度来确定建筑内多个LED照明用灯的开启状态以及照明亮度的优点；本实用新型还具有系统整体电路结构简单、单片机软件设计复杂度低的优点。

Description

一种基于CPLD控制器的建筑物照明控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种建筑物照明控制系统，具体是一种利用CPLD控制器采集多路环境光照强度数据以实现照明亮度调节的建筑物照明控制系统。

背景技术

建筑物内，特别是公共场所类建筑物中通常需要大量的照明用灯，比如酒店、商场等建筑物的走廊、过道都设置有大量的照明用灯。

然而，目前，由于管理不合理等原因，部分建筑物内照明用灯在外界自然光尚充足，可见度较好的情况下也存在开启情况；而且照明用灯的亮度也不能随着环境亮度的改变而改变，这显然导致了用电量增加，浪费电力资源。基于此种情况，能根据实际环境的亮度来确定照明用灯的开启状态以及照明亮度的建筑物照明控制系统具有很大的现实需求。

在具体系统电路设计方面：目前照明用灯的发展趋势为更节能、环保、长寿命的LED灯，因此，各种LED驱动器芯片在照明领域得到了广泛应用，大多LED驱动器均支持利用PWM波和连续模拟电压进行LED光源亮度调节，其中，以PWM波调节方式最为常见，其基本原理是利用PWM波反复开关LED驱动器，通过改变数字脉冲的占空比来调节LED亮。但是这种采用PWM波实现亮度调节的方式具有以下缺陷：(1)单片机能够输出PWM波信号数量有限(通常不超过24路)，因此不能对数量过多的LED驱动器进行控制，这限制了单片机能控制的照明用LED灯的数量，此外LED灯路数越多，也就会占用了越多的单片机PWM信号资源，使得其他需要PWM波的应用无法实现；(2)因为各个照明LED所处环境亮度不同，因此需要分别单独调整它们的发光亮度，为了对各个照明LED灯进行亮度单独调节，单片机需要输出多路占空比不同的PWM信号来控制各个LED驱动器，这增加了单片机软件复杂度(单片机需要依靠软件方式产生PWM信号)；(3)由于单片机耗费了较多的IO用于输出PWM信号，因此难以满足其他应用的端口需求，例如在建筑物照明控制系统中往往还需要采集外部环境光照强度，光照强度传感器的输出口需要与单片机的IO相连接实现光照强度数据采集。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是：怎样提供一种能根据外界环境自然光的亮度来确定建筑内多个LED照明用灯的开启状态以及照明亮度的基于CPLD控制器的建筑物照明控制系统。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下的技术方案。

一种基于CPLD控制器的建筑物照明控制系统，其特征在于：包括CPLD控制器、单片机、M个光照强度检测子模块和N个LED照明子模块，其中N≥M：

所述LED照明子模块主要由LED灯、LED驱动器和电子电位器构成；所述LED驱动器采用PT4115型LED驱动器；所述LED驱动器的电压输入端VIN与采样电阻RS的一端相连接，所述采样电阻RS的另一端与所述LED灯的阳极相连接，所述LED灯的阴极与电感L的一端相连接，电感L的另一端与LED驱动器的内置功率开关漏端SW相连接，LED灯的阳极还与LED驱动器的电流采样端CSN相连接，LED驱动器的电压输入端VIN还与LED驱动器的内置功率开关漏端SW相连接；所述电子电位器的高电位端与2.5V电源的正极相连接，电子电位器的低电位端接地，电子电位器的滑动端与LED驱动器的开关使能端DIM相连接，电子电位器的受控端为LED照明子模块的照明亮度调节端；

M个光照强度检测子模块的光照强度数据输出端均与单片机的输出口相连接；

N个LED照明子模块的照明亮度调节端均与CPLD控制器的IO相连接；

单片机通过SPI串行通信接口与CPLD控制器相连。

进一步的，所述光照强度检测子模块主要由BH1750FVI传感器构成。

相比现有技术，本实用新型具有如下优点：

本实用新型利用CPLD芯片具有的IO资源丰富的特点，将所有LED照明子模块的照明亮度调节端均与CPLD控制器的IO相连接，实现了对设置在建筑物内的大量LED照明子模块的控制，由于没有耗费单片机的端口资源，为外界光照强度检测等应用预留了端口资源，这有利于系统电路整体结构的简化(不再使用数量众多的端口扩展器件)。本实用新型利用单片机采集控制灵活，能够控制采集各类传感器输出信号的特点，将所有光照强度检测子模块的光照强度数据输出端均与单片机的输出口相连接，因此能轻松采集多路光照强度数据以实现根据环境亮度调节LED灯亮度。本实用新型利用受控于CPLD控制器的电子电位器实现“连续模拟电压产生器”产生用于调节LED光源亮度的连续模拟电压，相比常见的利用PWM波实现LED亮度调节的方式，本实用新型既简化了单片机软件设计又能对多路LED驱动器进行控制。综上所述，本实用新型具有能检测建筑物内多处环境的亮度，并根据建筑物内多处环境亮度控制建筑内多个LED照明用灯的开启状态以及照明亮度的优点；本实用新型还具有系统整体电路结构简单、单片机软件设计复杂度低的优点。

附图说明

图1为本实用新型的电路结构图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

一、本实用新型组成结构

如图1所示，本实用新型一种基于CPLD控制器的建筑物照明控制系统，主要由控制核心、M个光照强度检测子模块和N个LED照明子模块组成，其中其中N≥M(一个光照强度检测子模块可以监测多个LED灯周围的自然光光照强度)。

(一)控制核心

CPLD控制器和单片机组成控制核心。其中单片机采用MSP430G2553芯片，CPLD采用ALTERA公司常规CPLD芯片即可(例如EPM7192型，它具有124个用户可用IO)。

单片机与CPLD控制器之间通过SPI串行通信接口实现电连接，从而使得单片机和CPLD控制器连接为一个整体，这将大大扩展控制核心的端口资源，具体，单片机通过SPI串行通信接口与CPLD芯片实现电连接，实现上系统上电后单片机作为一种智能控制芯片通过模拟SPI控制时序，以实现单片机通过SPI总线向CPLD芯片发送数据和控制信号并由CPLD的IO输出以控制外部电路器件。

(二)LED照明子模块

LED照明子模块主要由LED灯、LED驱动器和电子电位器构成；LED驱动器采用PT4115型LED驱动器，电子电位器采用X9C102芯片。

PT4115LED驱动器是一种连续电感电流导通模式的降压恒流源，用于驱动一颗或者多颗串联LED，PT4115输入电压范围从6V到30V，输出电流可调，最大可以达到1.2A。PT4115内置功率开关，采用高端电流采样设置LED平均电流，并通过DIM引脚实现连续模拟电压调光和PWM调光，当DIM引脚电压低于0.3V时，功率开关关断T4115进入极低工作电流的工作状态。

电子电位器采用X9C102芯片，该电子电位器具有如下引脚：“增加输入引脚”，“升降输入引脚”，“高电位端VH”，“低电位端VL”，“地端VSS”，“滑动端VW”和“片选输入端”，其中“增加输入引脚”，“升降输入引脚”和“片选输入端”为电子电位器的受控端。

LED驱动器的电压输入端VIN与采样电阻RS的一端相连接，采样电阻RS的另一端与所述LED灯的阳极相连接，LED灯的阴极与电感L的一端相连接，电感L的另一端与LED驱动器的内置功率开关漏端SW相连接，LED灯的阳极还与LED驱动器的电流采样端CSN相连接，LED驱动器的电压输入端VIN还与LED驱动器的内置功率开关漏端SW相连接。如图1所示，SW端和VIN端之间还设置有整流二极管D，此二极管D为低压降的肖特基二极管，其本身功率耗散较低。如果需要减少LED的纹波电流还可以在LED灯上并联一个电容。

需要指出的是LED驱动器的电压输入端VIN通常与桥式整流电路的输出相连接，也即是桥式整流电路将交流市电转换为直流后供给LED驱动器，这属于本领域惯用技术手段，并非本实用新型改进之处，因此不作详细阐述。

电子电位器的高电位端与2.5V电源的正极相连接，电子电位器的低电位端接地，电子电位器的滑动端与LED驱动器的开关使能端DIM相连接，电子电位器的受控端为LED照明子模块的照明亮度调节端；所有LED照明子模块的照明亮度调节端均与CPLD控制器的IO相连接；具体的，LED照明子模块的照明亮度调节端包括电子电位器的“增加输入引脚”和“升降输入引脚”(“片选输入端”可以固定接地)。

(三)光照强度检测子模块

光照强度检测子模块主要由BH1750FVI传感器构成。数字型环境光强度传感器BH1750FVI是日本RHOM株式会社推出的一种两线式串行总线接口的集成电路，可以根据收集的光线强度数据来进行环境监测，其具有较高分辨率，可支持较大范围的光照强度变化检测。BH1750FVI传感器与单片机通过I2C串行通信接口进行通信，在通信过程中单片机也会向光强度传感器发送时序控制信号，每个光强度传感器BH1750FVI由3.3V电源供电。

当然，也可以采用其他方案实现光照强度检测子模块，例如使用光敏电阻进行光照强度检测，光敏电阻对环境明暗的变化会产生不同的电压，经单片机内部模数转换处理得到光照强度数据。

以上便是本实用新型各个组成部分的具体器件选用与电路结构，下面阐述本实用新型的使用方法和具体工作原理。

二、本实用新型使用方法与工作原理

(一)本实用新型使用方法

由前述可知，本实用新型一种基于CPLD控制器的建筑物照明控制系统主要由三大部分组成：CPLD控制器和单片机构成的控制核心、M个光照强度检测子模块和N个LED照明子模块，M和N都是大于1的自然数，N≥M。通常M可以设定为20，N设定为40。

N个LED照明子模块根据建筑物内各具体位置的照明需要设置在各个照明位，也即一盏LED灯配置一个主要由LED驱动器组成的驱动控制电路。每个光照强度检测子模块则设置建筑物内一个或者多个照明位的附近以监测各个区域的自然光照强度为控制各个LED的状态以及明暗程度提供数据参考。各个LED照明子模块和光照强度检测子模块的具体设置位置可以在施工时灵活调整。

(二)本实用新型工作原理

本实用新型的整体工作原理在于：单片机采集M个光照强度检测子模块的输出数据，并根据采集得到的外界自然光光照强度设定某个LDE灯的开启状态以及发光强度。为了解决LED驱动器和光照强度传感器都会占用较多控制器的输入输出口导致控制器输入输出口数量不足的问题，控制LED发光强度的数据则是单片机通过SPI串行通信接口传递给CPLD控制器的，这就充分利用了CPLD控制器IO资源丰富的特性(常见的CPLD控制器具有上百个IO)，又利用了单片机控制灵活，计算能力强的优点。

其中，LED照明子模块实现LED亮度调节的工作要点是：工作时，PT4115与电感L和采样电阻RS形成一个自振荡的连续电感电流模式的降压型恒流LED控制器。当电压输入端VIN上电时，电感L和采样电阻RS的初始电流为零，输出给LED的电流也为零，此时，LED驱动器内部的比较器输出为高，内部功率管道通，SW端的电位为低，电流由VIN通过电感L、采样电阻RS、LED灯和LED驱动器内部功率开关管流到地，电流的上升斜率由VIN电压、电感L的电感值以及LED压降决定，并在采样电阻RS上产生一个压差VCSN，当(VIN-VCSN)＞115mV时，内部比较器输出变低，内部功率管关断，电流以另一个斜率流经电感L、采样电阻RS、LED以及肖特基二极管D，当(VIN-VCSN)＜85mV时功率管重新打开，LED平均电流稳定在IOUT＝0.1/RS，因此LED电流的最大值是由RS的阻值决定的，但是可以通过LED驱动器的开关使能端DIM调小LED电流，DIM端可以外加直流电压实现调节，DIM端直流电压的有效调光范围是0.5-2.5V，也即是DIM端的直流电压在此范围内连续变化便可以调节LED发光亮度；当DIM端的直流电压大于2.5V时输出电流恒定为IOUT＝0.1/RS；当DIM端的直流电压小于0.3V时输出电流为零(因此DIM端还可以决定LED灯是否开启，例如在外界自然光较为充足的情况下可以降DIM端电压调至0.3V以下即可实现关闭LED灯)。

而，本实用新型中受控于CPLD控制器的电子电位器实现了一个“连续模拟电压产生器”产生用于调节LED光源亮度的连续模拟电压，电子电位器的滑动端VW便可以输出连续模拟电压，由于电子电位器的高电位端与2.5V电源的正极相连接，电子电位器的低电位端接地，因此电子电位器的滑动端VW电压可在2.5V电源电压与地电压(0V)之间变化，调节精度由所选电子电位器的抽头数决定。具体工作时，增加输入引脚由下降沿触发，该引脚上出现的下降沿将使得滑动端VW朝内部计数器增加或减小的方向移动，升降输入引脚上的逻辑电平控制着电子电位器滑动端VW移动的方向；增加输入引脚和升降输入引脚的信号均由单片机提供并经CPLD控制器发送给电子电位器的以上引脚，从而实现电子电位器的滑动端VW电压在2.5V与0V之间连续调节，控制LED灯的发光亮度。

光照强度检测子模块工作原理在于：建筑物内自然光光照被光照强度传感器内的高精度光敏二极管PD探测到后，光照强度传感器内部集成的运算放大器将PD电流转换为PD电压，再由内置模数转换器转换为16位数字数据，数字数据被存储在传感器内数据寄存器中，单片机通过I2C总线将数据读出后要进行数据转换，把每位数据换算出来(也即得到光照强度数据的个、十、百、千、万各位数据)，所得数据用于设定某个LED灯的发光强度。本实用新型中由于利用CPLD控制器实现了IO数量的大大扩展，因此每路光照强度检测子模块之间均独立设置，独立控制，实现每路光照强度检测子模块数据采集的单片机程序均采用相同设计，这相比现有技术中往往采用的单片机“轮询”各路信号以节约端口资源的方式具有软件设计简单的优点。

控制核心的工作原理在于：单片机产生SPI工作时序实现单片机与CPLD芯片之间的SPI通信接口(本实用新型中采用3根线即可实现)，具体的分别是：1、从设备数据输入线SDI，也是主设备数据输出线；2、时钟信号线SCLK，时钟信号由主设备产生；3、从设备使能信号线CS。主设备(单片机)和从设备(CPLD控制器)之间进行同步串行数据传输，在主设备的移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，地位在后，为全双工通信，简单高效。CPLD在接收到单片机的数据后可以首先暂存，然后用于CPLD内部数字逻辑单元的控制或者数据输出，CPLD控制器除去用于和单片机通信的3个IO，还有上百个IO可以使用，这足可满足控制器电子电位器的端口需求。

在实际生活当中，建筑物内照明用灯的开启时间和照明亮度设置不科学，造成了很多能源的浪费。例如，夏天6点钟就把建筑物内走廊灯打开，这时候的可见度是很好的，根本不用开灯都可以看得很清楚，或者即是开灯也不必亮度过高，本使用新型可以根据建筑物内各处自然光强度合理调节各个照明位的LED灯亮度，既节约电能也节约人力资源。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种基于CPLD控制器的建筑物照明控制系统，其特征在于：包括CPLD控制器、单片机、M个光照强度检测子模块和N个LED照明子模块，其中N≥M；

所述LED照明子模块主要由LED灯、LED驱动器和电子电位器构成；所述LED驱动器采用PT4115型LED驱动器；所述LED驱动器的电压输入端VIN与采样电阻RS的一端相连接，所述采样电阻RS的另一端与所述LED灯的阳极相连接，所述LED灯的阴极与电感L的一端相连接，电感L的另一端与LED驱动器的内置功率开关漏端SW相连接，LED灯的阳极还与LED驱动器的电流采样端CSN相连接，LED驱动器的电压输入端VIN还与LED驱动器的内置功率开关漏端SW相连接；所述电子电位器的高电位端与2.5V电源的正极相连接，电子电位器的低电位端接地，电子电位器的滑动端与LED驱动器的开关使能端DIM相连接，电子电位器的受控端为LED照明子模块的照明亮度调节端；

M个光照强度检测子模块的光照强度数据输出端均与单片机的输出口相连接；

N个LED照明子模块的照明亮度调节端均与CPLD控制器的IO相连接；

单片机通过SPI串行通信接口与CPLD控制器相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于CPLD控制器的建筑物照明控制系统，其特征在于：所述光照强度检测子模块主要由BH1750FVI传感器构成。