一种新型数控调光开关的设计与实现

摘要：针对传统调光开关存在的体积大，成本高和性能欠佳等问题，采用软启动的软件设计思想，结合阻容降压技术，提出并实现了一种新型数控调光开关的设计方案,实现了电灯的软启动和多级数控调光，介绍了系统总体结构，阐述了软硬件组成及其功能，并给出了硬件具体设计方案及驱动程序的实现方法。经实践证明，该调光开关完全满足实际需要且性能好，成本低、稳定性好。

关键词：阻容降压；软启动；多级数控调光；单片机

中图分类号: TM923文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)27-2086-02

Design and Implementation of a new numerical control dimming switch

HU Yue，DENG Hong-gui，WEI Chen-xi，LI An

( College of Physics Science and Technology, Central South University, Changsha, Hunan 410083, China)

Abstract: A new scheme of numerical control dimming switch is proposed and implemented, achieving a soft start and multi-level numerical control dimming of electric lamp, technology of RC voltage-reducing and the software design method of soft start are used, aming at the problems of large volume, high cost and poor performance about traditional dimming switch. Introduced the whole structure of system, illustrated composition and function of both hardware and software, finally proposes the specific design of hardware and realization of driver. Result shows that the system absolutely meets practical demand and has feature of good performance, lower cost, good stability.

Key words: RC voltage-reducing; soft start; multi-level numerical control dimming; single chip

1 引言

随着经济的发展和国民生活水平的提高，人们对照明系统的舒适性和环保性提出了更高的要求，调光开关可以将电灯调节到一个合适的亮度，且电灯的开启和关闭是一个渐变的过程，给用户提供了一种舒适的照明环境，当灯光较暗时，照明系统的功耗有所降低，所以，它具有节能环保的实际意义[1-3]。

当前市场上流行的调光开关的特点可概括为两点：第一，调光开关的电源为变压器方式，市电先经过变压器降压，再经过整流滤波后给控制电路供电；第二，电灯的开启和关闭是一个突变的过程。上述特点使得调光开关成本高，体积大，电灯的瞬间开启和关闭不仅降低了电灯的使用寿命，而且给用户造成了强烈的视觉冲击[4,5]。

本文提出了一种新的设计方案，即采用阻容降压电源供电，有效地节约了成本，缩小了体积，电灯的开启和关闭采用软启动方式，其亮度变化是一个渐变的过程，给用户一种舒适的视觉感，且有利于延长电灯的使用寿命，采用高性能微控制器调节可控硅的导通时间，从而调节电灯亮度，亮度级数可达256级[6,7]。该设计性能好，稳定，且所用元器件少，具有极高的性价比和市场推广价值。

2 系统组成及工作原理

图1为系统组成框图。系统由六部分组成：单片机，阻容降压电源，过零检测，按键模块，EEPROM和可控硅调光模块。单片机主要实现对过零信号的实时采集和对可控硅的控制；阻容降压电源给系统其它各部分电路供电；过零检测模块用于检测交流电的零点，并通过中断方式传给单片机进行处理；按键模块选择对电灯的控制方式，例如，打开或关闭电灯，调亮，调暗；EEPROM选用AT24C02，用于存储系统参数，系统掉电后仍能记忆上一次的工作状态；可控硅调光模块根据单片机产生的脉冲串，改变可控硅的导通时间，从而达到调节电灯亮度的目的。

过零检测模块采样交流电的“零点”，对于频率为f的正弦交流电，零点的频率为2f，即每 1/(2f) 时间长度采样到一个“零点”，两个相邻零点之间的时间称为一个单元时间，改变每个单元时间内有电流流过电灯的时间长度，从而调节电灯的亮度。过零检测电路检测到零点后即向单片机产生一个外部中断，在单片机的外部中断处理程序中进行定时器的初始化，若将电灯的亮度分为m个等级，0级为最暗，（m-1）级为最亮，当电灯亮度设置为x级时，则定时器初始化为（1-x/m）/(2f) 时间长度后产生定时器中断，在该定时器中断处理程序中，产生控制可控硅导通的脉冲，则在时间长度为1/(2f) 的单元时间内，可控硅导通时间为（x/m）/(2f) ，即可控硅导通电流的占空比为x/m ，因为电灯的功率与该占空比成正比，所以此时的亮度为x 级。

2 硬件设计

2.1 主控电路

主控电路是整个系统的核心，系统的主要功能都是在该电路的控制下实现的，因此系统的性能在很大程度上取决于该电路的性能。考虑到运行速度，程序存储空间，成本等因素，该主控电路选用ATMEL公司的8位单片机AT89C2051，AT89C2051是一种低功耗，高性能COMS微控制器，片内具有2kB可反复擦除的程序存储器，可满足速度和程序存储空间两方面的设计要求，具有很高的性价比。

2.2 阻容降压电源

阻容降压是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流的。电容可以看作一个理想电容,流过电容的电流为虚部电流,产生的功率为无功功率，因此电容并不消耗能量。根据这个特点,我们在一个电容上串联一个阻性元件,则阻性元件两端所得到的电压和它所产生的功耗完全取决于这个阻性元件的特性。根据上述原理，电源硬件原理图如图2所示，R11为防雷压敏电阻，C11为薄膜电容，R11和C11并联具有防雷击的功能，C12，R12，R13，D11和D12为阻容降压部分，阻容降压后的电压一般为30V左右，再经过C13，C14和U11稳压滤波后，输出5V电压，给其它各部分电路供电。

2.3 过零检测电路

过零检测波形图

过零检测硬件原理图如图3所示，正弦交流的市电信号经整流桥B2全波整流后，其波形如图4中y1所示，由于限流电阻R21的作用，当y1幅值较大，大于A时，光耦U2的3，4脚才导通，Test_Zero为低电平，当幅值较小，小于A时，光耦的3，4脚截止，Test_Zero为高电平，Test_Zero的波形如图4中y2所示，且Test_Zero点电平的变化是一个过渡过程，所以每检测到一次零点，都存在一个上升沿和一个下降沿，将Test_Zero点和单片机的外部中断相连，中断方式选择为下降沿触发，则单片机将能实时地检测到此过零信号。

2.4 可控硅调光

将电灯和双向可控硅串联，接入零线和火线之间，零线和控制电路的地相连，单片机的IO口通过一个限流电阻和可控硅的控制极相连，在每一个单元时间内，当控制极有一个脉冲时，双向可控硅即导通，电灯点亮，当下一个交流电的零点即将到来时，由于流过可控硅的电流过小，可控硅自动截止，电灯熄灭。

3 软件设计

系统软件主要包括：过零检测，脉冲波形的产生，软启动等子程序。①系统首先完成初始化工作，设置外部中断和定时器中断的工作方式，然后等待过零中断的到来和有无按键发生；②当有过零中断请求时，在中断处理程序中，根据亮度参数初始化定时器中断，定时器中断到来后，产生调光脉冲，控制每个单元时间内可控硅的导通时间；③当检测到有键按下时，判别按键的类型，若为调节亮度按键，则直接改变亮度参数，若为开启或关闭按键，则调用软启动子程序，并将亮度参数写入EEPROM存储器。系统软件流程图如图5所示。

软启动实际上是一个渐变的过程，即开灯时，从最暗的亮度向设置的亮度逐级渐变，“逐级渐变”的“级”则体现在经过一个延时后，再向下一级亮度变化，关灯时，从设置的亮度向最暗的亮度逐级渐变。开灯软启动程序流程图如图6所示。

4 结束语

本文针对当前调光开关的局限性，提出了一种基于阻容降压和软启动的多级数控调光开关的设计方案。该方案将阻容降压电源应用于调光开关中，有效地降低了成本，缩小了体积，通过软启动方式开关灯，给用户一种舒适的视觉感，且有利于延长电灯的使用寿命，采用高速微控制器控制，调光级数可达256级，有效地提高了调光开关的性能，将会给调光开关带来一次深入的普及。实践证明，基于该方案设计的调光开关能够实现数控调光的功能。

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