基于ATmegal 28的調(diào)光控制器方案設(shè)計(jì)

引言
    節(jié)能是照明燈光控制中的一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前，存在模擬調(diào)光控制系統(tǒng)和數(shù)字調(diào)光控制系統(tǒng)。模擬調(diào)光控制系統(tǒng)包括模擬調(diào)光控制臺(tái)(調(diào)光控制器)和模擬調(diào)光器。其中，模擬調(diào)光控制臺(tái)輸出O～10 V控制電壓，通過模擬調(diào)光器的0～10 V接口調(diào)節(jié)其所帶燈具的光強(qiáng)弱。數(shù)字調(diào)光控制系統(tǒng)包括數(shù)字調(diào)光控制臺(tái)(調(diào)光控制器)和數(shù)字調(diào)光器。其采用的協(xié)議為DMX512控制協(xié)議，該協(xié)議的物理接口為RS485。
    雖然數(shù)字調(diào)光控制系統(tǒng)有其優(yōu)點(diǎn)，但由于成本在短時(shí)間內(nèi)無法全部替代模擬控制系統(tǒng)，模擬調(diào)光控制仍占很大比率?，F(xiàn)有的模擬調(diào)光控制臺(tái)大多采用拉桿、旋鈕、開關(guān)等對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行變換，其控制精度不高，體積較大且只實(shí)現(xiàn)燈具通斷控制，所以很有必要開發(fā)一種控制精度高、體積適中且可實(shí)現(xiàn)多種燈光效果變換的調(diào)光控制器。近幾年來，PC機(jī)由于其圖形化界面易操作性，在工業(yè)簡(jiǎn)單控制中常被使用，單片機(jī)的成本也逐漸下降。本文結(jié)合PC機(jī)和單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種模擬調(diào)光控制器，通過上位機(jī)的調(diào)光軟件可以實(shí)現(xiàn)多種燈光效果的控制。

1 總體設(shè)計(jì)
    模擬調(diào)光控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。PC上位機(jī)上運(yùn)行的控制軟件通過RS232串口發(fā)送控制命令，調(diào)光控制器根據(jù)給定的指令產(chǎn)生相應(yīng)的0～10 V控制信號(hào)(256級(jí))。通過可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器以及LED可調(diào)光驅(qū)動(dòng)的0～10 V接口，根據(jù)相應(yīng)的控制電壓進(jìn)一步控制相應(yīng)燈具的亮度達(dá)到調(diào)光目的。此外，光強(qiáng)傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)光強(qiáng)送入調(diào)光控制器，上位機(jī)通過指令讀取光強(qiáng)并將其顯示在控制界面上，再根據(jù)給定值對(duì)控制電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)燈光的閉環(huán)控制。本文重點(diǎn)研究調(diào)光控制器的設(shè)計(jì)方法。

2 硬件實(shí)現(xiàn)
2．1 單片機(jī)
    單片機(jī)采用Atmel公司基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器ATmegal28。它具有128 KBFlash、53個(gè)通用I／O口、4個(gè)靈活的具有比較模式和PWM功能的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、2個(gè)USART、8通道10位ADC(具有可選的可編程增益)、JTAG片上調(diào)試接口，以及6種可以通過軟件選擇的省電模式。通過將8位CPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash集成在一個(gè)芯片內(nèi)，ATmegal28為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的方案。
    ATmegal28可提供兩個(gè)串口功能：一個(gè)串口用來與上位機(jī)通信；另一個(gè)串口則預(yù)留給DMX512數(shù)字控制方式，以便該控制器在日后既可以作為模擬調(diào)光控制輸出O～10 V模擬控制信號(hào)，又可以作為數(shù)字調(diào)光控制器輸出符合DMX512控制協(xié)議的數(shù)字控制信號(hào)。
2．2 電源模塊
    ATmegal28需要5 V供電，AD7226需要15 V供電以及10 V電壓作為參考電壓。外部電源采用15 V開關(guān)電源，對(duì)單片機(jī)的5 V供電及AD7226的10 V參考電壓分別使用穩(wěn)壓芯片LM2940T-5及LM2940T-10實(shí)現(xiàn)。
2．3 按鍵模塊
    按鍵模塊提供調(diào)光控制器上的調(diào)光快捷操作。4個(gè)按鍵分別為25％、50％、75％、100％調(diào)光，分別接到PE4、PE5、PE6、PE7外部中斷引腳上。當(dāng)按鍵被按下時(shí)，外部中斷被觸發(fā)。
2．4 串口模塊
    單片機(jī)的串口模塊用來與上位機(jī)PC進(jìn)行通信。由于PC機(jī)RS232串口的電平與單片機(jī)UART串口電平定義不一致，在此通過MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。
2．5 A／D模塊
    光強(qiáng)傳感器采用北京易盛泰和科技公司的YSCG-X新型光照度傳感器，其量程為0～2000 lux，其輸出為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA。傳感器的輸出接入引腳PF0，在PF0引腳外通過電阻將電流轉(zhuǎn)換為電壓以便采樣。由于A／D采樣的輸入最高為5 V，則該電阻應(yīng)選249 Ω電阻。此外為了保證采樣的準(zhǔn)確性，在電路中加入電壓跟隨器。
2．6 D／A轉(zhuǎn)換模塊
    D／A轉(zhuǎn)換模塊實(shí)際上是調(diào)光控制器的輸出模塊。采用ADI公司的AD7226產(chǎn)生0～10 V的電壓。AD7226具有8位精度的4通道D／A轉(zhuǎn)換器，最小分辨率為4 mV，可以滿足設(shè)計(jì)精度的要求。每一個(gè)通道都有一個(gè)輸入鎖存器，可以對(duì)輸入的數(shù)字量進(jìn)行鎖存，輸出端帶有輸出緩沖放大器。D／A轉(zhuǎn)換模塊硬件電路如圖2所示。

    其中，／WR為控制線，A0、A1為兩條地址線，通過地址線可以選擇不同的D／A通道。該控制器設(shè)計(jì)為具有12通道的輸出，所以采用了3個(gè)AD7226芯片。數(shù)據(jù)線、地址線與單片機(jī)的接法相同，只是控制線／WR作為芯片鎖存引腳與不同的單片機(jī)引腳連接，3個(gè)芯片的控制線分別連接PA4、PA5、PA6。[!--empirenews.page--]

3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 變量定義
    該控制器包含12個(gè)獨(dú)立的通道且要將現(xiàn)場(chǎng)采集的光強(qiáng)送給上位機(jī)顯示，所以定義數(shù)組channelData[13]。其中，channelData[O]～chan-nelData[11]存儲(chǔ)相應(yīng)1～12通道的實(shí)際控制電壓(0～255)，channelData[12]存儲(chǔ)傳感器采樣的現(xiàn)場(chǎng)光強(qiáng)。變量write_end表示channelData[O]～channelData[11]的值是否被修改，write_end=1表示修改完成。
3．2 主程序
    上位機(jī)對(duì)調(diào)光控制器的控制通過串口中斷實(shí)現(xiàn)，調(diào)光控制器上的快捷按鍵通過I／O外部中斷實(shí)現(xiàn)，傳感器的采樣間隔通過定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)。3個(gè)中斷的優(yōu)先級(jí)為；定時(shí)器中斷>I／O外部中斷>串口中斷。主程序流程如圖3所示。

     當(dāng)串口中斷被響應(yīng)時(shí)，首先判斷上位機(jī)的指令是讀操作還是寫操作。如果是寫操作，返回同樣的指令作為響應(yīng)指令，根據(jù)指令改變cha-nnelData[]中相應(yīng)通道的值，并將write_end置1。如果為讀指令，根據(jù)地址將channelData[]中相應(yīng)通道的數(shù)據(jù)或者現(xiàn)場(chǎng)光強(qiáng)返回作為響應(yīng)。
    當(dāng)定時(shí)器中斷被響應(yīng)時(shí)，通過傳感器采樣現(xiàn)場(chǎng)光強(qiáng)。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，在算法中采用求16次采樣的平均值作為有效值存入channel-Data[12]。
    當(dāng)I／O外部中斷被響應(yīng)時(shí)，首先需要判斷是否為按鍵抖動(dòng)所致。如果為抖動(dòng)，返回；反之，將channelData[O]～channelData[11]的值改為該快捷鍵代表的電壓值，并將write_end置1。
    最后判斷變量write_end是否為1。若write_end=1，則執(zhí)行函數(shù)DAOperation(channelData，12)，將channelData[O]～channelData[11]中對(duì)應(yīng)的各通道值(O～255)以0～10 V電壓輸出，然后將write_end清0。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    當(dāng)上位機(jī)調(diào)節(jié)通道1控制電壓為2．5 V，通道1的實(shí)際測(cè)得電壓如圖4所示。從圖中可知，實(shí)際電壓為2．46 V，其中O．04 V的壓降是由AD7226芯片引腳的100 Ω電阻引起的。

    在實(shí)際的測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，未接電源時(shí)在該控制器中存在峰峰值為40 mV、頻率為50 Hz的干擾電壓，如圖5所示。為了減小這種低頻干擾，在D／A輸出引腳接了一個(gè)47 μF的電容(見圖2)，并取得很好的效果。

5 總結(jié)
    利用8位的ATmegal28單片機(jī)可以精確地實(shí)現(xiàn)多級(jí)可調(diào)的0～10 V控制電壓，分辨率為40 mV。在調(diào)光控制器上可以通過4個(gè)按鍵快速地調(diào)節(jié)各個(gè)通道的燈光強(qiáng)弱。此外，通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)單個(gè)通道的獨(dú)立調(diào)光、所有通道的快速調(diào)光以及燈光的閉環(huán)控制。