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(guò)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(wú)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(kāi)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(kāi)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(lái)，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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)軟件選擇的省電模式。通過(guò)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(lái)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(kāi)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(lái)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(guò)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(guò)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(mǎn)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(xiàn)，A0、A1為兩條地址線(xiàn)，通過(guò)地址線(xiàn)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(xiàn)、地址線(xiàn)與單片機(jī)的接法相同，只是控制線(xiàn)／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(xiàn)分別連接PA4、PA5、PA6。