照明灯具节能控制方法及其节能电路 技术领域 本发明属电学及控制领域， 涉及一种节能电路， 尤其涉及一种照明灯具的节能控 制方法及其节能电路。
背景技术 在实际应用中， 针对道路照明中出现的各种情况， 例如后半夜路上行人及车流量 减少不需要进行全度照明或出现雨雪大雾等能见度低的天气情况时， 都需要对道路照明需 要进行相应的调整， 进行补充照明或抑制照明， 该调控方式对照明灯具甚至电路都有很高 的要求。目前市面上所见到的各种照明灯具， 都是施行统一亮度， 不能实现按需调节， 智能 化程度低， 不可控性强， 不能实现节能的目的。在统一的亮度下， 使照明灯具的使用寿命不 能达到规定的年限而报废， 浪费率居高不下。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题， 本发明提供了一种工作过程可控、 智 能程度高、 节能效果明显以及使用寿命长的照明灯具节能控制方法及其节能电路。
本发明的技术解决方案是 ： 本发明提供了一种照明灯具节能控制方法， 其特殊之 处在于 ： 所述照明灯具节能控制方法包括以下步骤 ：
1) 输入变化的外部电压 ；
2) 将步骤 1) 所得到的外部电压转化为频率固定信号 F1 ；
3) 将频率固定信号 F1 转化为电路负载频率信号 F2 ；
4) 根据电路负载频率信号 F2 调节负载功率 P。
上步骤 2) 的具体实现方式是 ：
2.1) 将变化的外部电压转换为内部电压参考量， 所述内部电压参考量是稳定值 ；
2.2) 由负载电路产生一定频率的锯齿波 ；
2.3) 将步骤 2.2) 所产生的锯齿波与步骤 2.1) 所得到的内部电压参考量进行比 较； 若步骤 2.2) 所产生的锯齿波高于步骤 2.1) 所得到的内部电压参考量时， 则输出高电压 量； 若步骤 2.2) 所产生的锯齿波低于步骤 2.1) 所得到的内部电压参考量时， 则输出低电压 量；
2.4) 由步骤 2.3) 中所产生的高电压量与低电压量交替变化产生频率固定信号 F1。
上述步骤 3) 的具体实现方式是 ：
3.1) 将频率固定信号 F1 通过积分电路转化采样电压信号 U ；
3.2) 将步骤 3.1) 所得到的采样电压信号 U 转化为电路负载频率信号 F2。
上述步骤 3.1) 的具体实现方式是 ：
3.1.1) 获取频率固定信号的占空比 D ；
3.1.2) 将步骤 3.1.1) 所得到的频率固定信号的占空比 D 通过积分电路计算采样电压信号 U ； 所述积分电路包括公式 U ＝ 5×(D0.5)。
上述步骤 3.2) 的具体实现方式是 ： 将步骤 3.1) 所得到的采样电压信号 U 通过压 控振荡器计算并输出为一定频率波形的电路负载频率信号 F2 ； 所述计算方式是 ：
F2 ＝ k×U+F1
其中 ：
k 是压控系数 ；
U 是步骤 3.1) 所得到的采样电压信号 ；
F1 是压控振荡器及外围电路设置的最小输出频率。
上述步骤 4) 的具体实现方式是 ：
电路负载频率信号 F2 通过厄流电感分压调节负载功率 P ； 其计算公式是 ： 2
P ＝ [RL×VBUS/(RL+2π×F2×L)] /RL
其中 ：
VBUS 是负载电路提供的直流总线电压 ；
RL 是负载的阻值 ；
L 是扼流电感的电感量 ； F2 是电路负载频率信号。
一种基于照明灯具节能控制方法的节能电路， 其特殊之处在于 ： 所述节能电路包 括电压输入端、 调光电路信号输入单元、 信号转换单元、 控制信号输出单元以及负载功率调 节单元 ； 所述电压输入端依次通过调光电路信号输入单元、 信号转换单元以及控制信号输 出单元接入负载功率调节单元。
上述电压输入端包括输入的电压范围是 0-10V 的外部直流电压输入端以及由调 光电路所产生的频率电压信号输入端 ； 所述调光电路信号输入单元包括电压比较器 ； 所述 外部电压输入端以及频率电压信号输入端分别接入电压比较器。
上述信号转换单元包括第一积分电路以及第一微控制器 ； 所述调光电路信号输 入单元通过第一积分电路接入第一微控制器 ； 所述第一积分电路包括第一电容以及第一 电阻 ； 所述第一电容的一端接地， 另一端与第一电阻以及调光电路信号输入单元并联后共 同接入第一微控制器 ； 所述第一微控制器是 PIC16 系列的单片机 ； 所述第一微控制器优选 PIC16F886 单片机。
上述控制信号输出单元包括第二积分电路以及第二微控制器 ； 所述第二微控制器 包括压控振荡器 ； 所述信号转换单元通过第二积分电路接入第二微控制器 ； 所述第二积分 电路包括第二电容以及第二电阻 ； 所述信号转换单元通过第二电阻与第二微控制器相连 ； 所述第二电容的一端接地， 另一端与第二电阻并联后接入第二微控制器 ； 所述第二微控制 器是 MC14046B 芯片 ； 所述负载功率调节单元包括扼流电感 ； 所述压控振荡器接入扼流电 感。
本发明的优点是 ：
本发明提供了一种照明灯具节能控制方法及其节能电路， 由于微控制器内部程序 的控制， 可使灯的功率在 50％～ 100％额定功率范围内变化。0 ～ 10V 的数字调光功能， 能 够实现灯全功率的 50％～ 100％范围内的照度控制。一方面， 灯可以通过外接日光感应器 等器件， 根据外部情况变化， 自动实现调光， 调节照明。另一方面， 也可以组网， 实现统一控
制， 由中央集成控制系统， 调配整体照明或调整每盏灯的参数。这种可自由配置的调光设 计， 使得在道路照明应用中， 尤其在后半夜照明中， 可实现低照明度控制， 既满足实际照明 需求， 又节约了电能。适合于超市、 商场、 停车场、 道路等场所的照明。本规格电子镇流器系 统内嵌入软件， 提高了效率、 可靠性， 减小了体积， 节约了成本。全范围模拟或数字调光。节 能显著。外接感测装配， 每盏灯可自动实现调光。为道路照明的智能化控制提供了可能性。 也为楼宇智能化提供了参照。 附图说明
图 1 是本发明所采用的外部电压量 U 到内部频率量 F 转换的电路图 ； 图 2 是本发明所采用的调整负载输出功率信号转换电路及微控制器接收电路图 ； 图 3 是本发明所采用的第二积分电路图。具体实施方式
本发明提供了一种照明灯具节能控制方法， 该方法包括以下步骤 ：
1) 输入变化的外部电压， 该电压的输入范围是 0-10V ；
2) 将步骤 1) 所得到的外部电压转化为频率固定信号 F1 ；
2.1) 将变化的外部电压转换为内部电压参考量， 内部电压参考量是稳定值 ； 当外 部输入电压恒定了， 转换成的内部电压参考量才是恒定的 ；
2.2) 由调光电路产生一定频率的锯齿波 ；
2.3) 将步骤 2.2) 所产生的锯齿波与步骤 2.1) 所得到的内部电压参考量进行比 较； 若步骤 2.2) 所产生的锯齿波高于步骤 2.1) 所得到的内部电压参考量时， 则输出高电压 量； 若步骤 2.2) 所产生的锯齿波低于步骤 2.1) 所得到的内部电压参考量时， 则输出低电压 量；
2.4) 由步骤 2.3) 中所产生的高电压量与低电压量交替变化产生频率固定信号 F1。
3) 将频率固定信号 F1 转化为电路负载频率信号 F2 ；
3.1) 将频率固定信号 F1 通过积分电路转化采样电压信号 U ；
3.1.1) 获取频率固定信号的占空比 D ；
3.1.2) 将步骤 3.1.1) 所得到的频率固定信号的占空比 D 通过积分电路计算采样 电压信号 U ； 积分电路包括公式 U ＝ 5×(D0.5)。
3.2) 将步骤 3.1) 所得到的采样电压信号 U 转化为电路负载频率信号 F2。
将步骤 3.1) 所得到的采样电压信号 U 通过压控振荡器计算并输出为一定频率波 形的电路负载频率信号 F2 ； 所述计算方式是 ：
F2 ＝ k×U+F1
其中 ：
k 是压控系数 ；
U 是步骤 3.1) 所得到的采样电压信号 ；
F1 是压控振荡器及外围电路设置的最小输出频率。
4) 根据电路负载频率信号 F2 调节负载功率 P。电路负载频率信号 F2 通过厄流电感分压调节负载功率 P ； 其计算公式是 ： 2
P ＝ [RL×VBUS/(RL+2π×F2×L)] /RL
其中 ：
VBUS 是负载电路提供的直流总线电压 ；
RL 是负载的阻值 ；
L 是扼流电感的电感量 ；
F2 是电路负载频率信号。
本发明在提出上述节能方法的同时， 还提供了一种基于照明灯具节能控制方法的 节能电路， 该上节能电路包括电压输入端、 调光电路信号输入单元、 信号转换单元、 控制信 号输出单元以及负载功率调节单元 ； 电压输入端依次通过调光电路信号输入单元、 信号转 换单元以及控制信号输出单元接入负载功率调节单元。
电压输入端包括输入的电压范围是 0-10V 的外部直流电压输入端以及由调光电 路所产生的频率电压信号输入端 ； 调光电路信号输入单元包括电压比较器 ； 外部电压输入 端以及频率电压信号输入端分别接入电压比较器。
信号转换单元包括第一积分电路以及第一微控制器 ； 调光电路信号输入单元通过 第一积分电路接入第一微控制器 ； 第一积分电路包括第一电容以及第一电阻 ； 第一电容的 一端接地， 另一端与第一电阻以及调光电路信号输入单元并联后共同接入第一微控制器 ； 所述第一微控制器是 PIC16 系列的单片机 ； 第一微控制器优选 PIC16F886 单片机。 控制信号输出单元包括第二积分电路以及第二微控制器 ； 所述第二微控制器包括 输出信号为震荡信号的压控振荡器 ； 信号转换单元通过第二积分电路接入第二微控制器接 入； 第二积分电路包括第二电容以及第二电阻 ； 信号转换单元通过第二电阻与第二微控制 器相连 ； 第二电容的一端接地， 另一端与第二电阻并联后接入第二微控制器 ； 第二微控制 器是 MC14046B 芯片 ； 负载功率调节单元包括扼流电感 ； 输出频率， 即负载工作频率接入扼 流电感。
本发明在照明全功率的 50％～ 100％范围内， 可实现全范围的 0 ～ 10V 数字调光。 进一步提高了节能效果。用于实现节能效果的调光电路， 其主要是通过改变 RC 充放电周 期， 通过微处理控制器进行采样后， 调整灯的输出功率。
本发明采用如下具体实施例对本发明进行详细的说明 ：
参照电路图 1， 是本发明将所得到的外部电压转化为频率固定信号的电路示意图 ； 其电路工作过程可以描述为 ：
1、 电路上电后， Bin- 端处的电压由于是由电阻串联分压组成， 故此处的电压恒定。 Bin+ 端处的电压是由 R3、 R12、 R7、 C5 组成， 取样 R7 端处的电压。 由于电容的充电过程， Bin+ 处采集的电压是一个缓慢上升过程。
2、 在 Bin+ 处的电压还没有大于 Bin- 处的电压时， 由电压比较器 U2 处理后， BOUT 处输出低电平。此时 Q2、 Q3 三极管处于关断状态， Ain+ 处的电压不受影响。当 Bin+ 处的 电压上升到大于 Bin- 处的电压时， BOUT 输出高电平。此时 Q2 导通， 进而使 Q3 导通， Q3 导 通后， A+ 处的电压被拉低到地。与此同时， B+ 处的电压也被拉低。
3、 当 B+ 处的电压被拉低到小于 B- 处的电压时， 电压比较器 U2 处理后， BOUT 输出 低电压， 此时 Q2、 Q3 关断， Bin+ 处的电压回升， Ain+ 处的电压回升。
4、 比较器 B 的输出 BOUT， Bin+ 处的电压变化， 重复上述 2、 3 过程。
5、 Ain- 处的电压由外接的调光电压控制。
6、 Ain+ 处的电压和 Bin+ 处的电压变化几乎同步， 变化波形同 Bin+。当 Ain+ 处的 电压大于 Ain- 时， AOUT 输出高电平， 光偶器关断 ； 当 Ain+ 受比较器 B 的影响， 电压下降， 小 于 A- 处电压时， AOUT 输出低电平， 光偶器开通。
7、 光偶器开通与关断的时间， 构成调光电路的周期控制信号反馈到微控制器的调 光信号。通过采样信号处理后， 被微处理器识别、 处理， 控制负载功率变化。
由外部电压量 U 到内部频率量 F 的工作原理是 ： 从外部电压量 U 到内部频率量 F 的转变。将外部的电压信号量， 转换可为内部电路所使用的频率信号量。外部输入 0 ～ 10V 电压 ； 电路产生的频率电压信号 ； 电压比较器进行比较 ； 输出频率信号。
由外部电压转换为内部所使用的频率信号量 F2( 此处为外部电压转换单元的输 出信号， 并非最后负载工作时的频率信号， 当时在图中为了区分电路自身的锯齿信号频率 与输出信号频率而设置名称为 F2) 之间的关系可用下表表示 ：
调光电路与微按制器间的控制模型如下 ：
外接 0 ～ 10V 数字电压模块 ； 调光电路 ； 信号输入 ； 信号转换电路 ； 微控制器 ； 控制 信号输出。调光电路的周期信号， 传输到信号转换电路后， 其变为电压信号， 最后由微控制 器采样处理后， 调整负载输出功率信号转换电路及微控制器接收电路如图 2 ：
调光电路的输出信号加到电容 C47 处。供电电压通过电阻 R52、 C47 接地。由于调 光电路处的信号， 在开通时， 电流是从微控制器的 14 引脚处流向调光电路， ； 在关断时， 电流
由供电电源提供， 经电容 C47 流向地。
通过由 R52 和 C47 组成的积分电路， 可在 PIC16F886 单片机的 14 脚得到一个有效 值电压。这个电压的有效值计算公式如下 ：
U ＝ 5×(D0.5)............ 公式 1
此处， D 为频率固定信号 F2 信号的占空比。
调光电路的输出信号是一个周期性开通、 关断的信号， 这个信号引起电容 C47 中 的电流流向发生周期性的。最终在微控制器的 14 脚得到一个相对稳定的电压有效值信号。 这个信号经微控制器处理后输出， 调节负载的功率进行变化。这个周期信号的周期由外部 输出的电压决定。
参见图 3， 在扫频点火电路中， 用到的 MC14046B 是琐相环芯片。 本电路中使用其压 控振荡器功能， 实现从 PIC16 系列单片机输出的 F( 固定频率信号 )， 通过电阻 R68 和电容 C12 组成的积分电路后， 由 MC14046B 输出用于电路工作中的 F’ ( 工作频率信号步骤 3) 中 的 F) 其中， 在本电路中应用的 PIC16F886 单片机的 13 脚， 输出一个幅值是 5V 的 PWM 信号。 它的频率是固定的， 但是占空比在点火过程中是由最大 1 线性变化到 0。最终由 MC14046B 芯片的 4 脚输出一个频率由 355KHZ 到 61KHZ 的变化频率。在这个频率范围内导找电路的 谐振点， 以达到提供一个最合适的点火电压的目的。 其工作原理可以简化为 ： PIC16F 系列单片机输出 PWM 信号 ( 固定频率信号 ) ； RC 积分电路将 PWM 信号转化成电压信号 ( 采样电压量 ) ； MC14046B 内的压控振荡器输出一定 频率波形。
将 PWM 信号转换成的控制电压输入 ； 压控振荡器 ； 输出频率信号 F2， 振荡器源频率 信号 f1 ；
其线性关系式为 ： F2 ＝ k×U+F1。........................ 公式 2
k 为压控系数， F1 为 MC14046B 及外围电路设置的最小输出频率 ( 芯片资料中有介 绍 )。
在本电路中， 其由芯片的 PWM 信号到输出工作频率信号的线性关系式为 ：
F2 ＝ 45×V×(D0.5)+61 最终结果为 KHZ .................. 公式 3
其中 45 为压控系数。V 为 PIC16F 系列芯片输出 PWM 信号的幅值， D 为此 PWM 信号 的占空比 ( 由 PIC 控制芯片内部通过程序运算后得出相应的值 )。61KHZ 为本电路中外围 电路与 MC14046B 芯片组成的最小输出频率。
PIC16F 系列单片机输出 PWM 信号占空比控制 ：
在 PIC16F 系列单片机中， 都设有专门的脚位用于输出 PWM 信号。且单片机内部设 有 A/D( 模、 数转换 ) 转换脚， 已经达到了 10 位的分辨率。对于数字电路 5V 的电平而言， 其 10 可以识别的最小压差为 ： 5/(2 ) ＝ 0.004828125， 几乎可以完全实现由模拟量到数字量后， 不失真地还原回去。
在本电路中， PIC 单片机将 14 脚采样到的电压信号到调节输出 PWM 信号的占空比， 是通过电路内部的程序进行相应的计算后， 进行控制处理。
在本电路中， 其控制 PWM 信号占空比 D 的计算公式为 ：
D ＝ [(2+0.22V)/5]2........................ 公式 4
公式中 V 为电路中 PIC16F886 单片机 14 脚的采样电压信号。其是由调光电路板
输出的频率信号通过由 R52 和 C47 进行积分后得出。详细计算过程见 “公式 1”
工作频率最后调节负载功率的调节方式是 ：
其作用关系式为 ： P( 负载 ) ＝ U2^2/RL .................. 公式 5
其中 U2 ＝ U1×RL/(RL+2π×F2×L)， ........................ 公式 6
RL 是负载的阻值， L 为扼流电感的电感量， U1 是负载电路提供的直流总线电压。
整个由调光电路， 将外部电压信号转换后给 PIC16F 系列单片机处理， 再将处理结 果转换为负载工作频率， 最终反应为负载功率的过程。完成外部电压信号转换 ； RC 积分电 路； PIC16 系列单片机信号处理后输出 PWM 信号 ； RC 积分电路 ； 频率控制信号输出 ； 调节负 载电压， 改变功率。