引言
節能是照明燈光控制中的一項重要指標。目前，存在模擬調光控制系統和數字調光控制系統。模擬調光控制系統包括模擬調光控制臺(調光控制器)和模擬調光器。其中，模擬調光控制臺輸出O～10 V控制電壓，通過模擬調光器的0～10 V接口調節其所帶燈具的光強弱。數字調光控制系統包括數字調光控制臺(調光控制器)和數字調光器。其采用的協議為DMX512控制協議，該協議的物理接口為RS485。
雖然數字調光控制系統有其優點，但由于成本在短時間內無法全部替代模擬控制系統，模擬調光控制仍占很大比率。現有的模擬調光控制臺大多采用拉桿、旋鈕、開關等對模擬信號進行變換，其控制精度不高，體積較大且只實現燈具通斷控制，所以很有必要開發一種控制精度高、體積適中且可實現多種燈光效果變換的調光控制器。近幾年來，PC機由于其圖形化界面易操作性，在工業簡單控制中常被使用，單片機的成本也逐漸下降。本文結合PC機和單片機設計了一種模擬調光控制器，通過上位機的調光軟件可以實現多種燈光效果的控制。
1 總體設計
模擬調光控制系統總體設計如圖1所示。PC上位機上運行的控制軟件通過RS232串口發送控制命令，調光控制器根據給定的指令產生相應的0～10 V控制信號(256級)。通過可調光電子鎮流器以及LED可調光驅動的0～10 V接口，根據相應的控制電壓進一步控制相應燈具的亮度達到調光目的。此外，光強傳感器采集現場的實時光強送入調光控制器，上位機通過指令讀取光強并將其顯示在控制界面上，再根據給定值對控制電壓進行調節來實現燈光的閉環控制。本文重點研究調光控制器的設計方法。
2 硬件實現
2．1 單片機
單片機采用Atmel公司基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器ATmegal28。它具有128 KBFlash、53個通用I／O口、4個靈活的具有比較模式和PWM功能的定時器／計數器、2個USART、8通道10位ADC(具有可選的可編程增益)、JTAG片上調試接口，以及6種可以通過軟件選擇的省電模式。通過將8位CPU與系統內可編程的Flash集成在一個芯片內，ATmegal28為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的方案。
ATmegal28可提供兩個串口功能：一個串口用來與上位機通信；另一個串口則預留給DMX512數字控制方式，以便該控制器在日后既可以作為模擬調光控制輸出O～10 V模擬控制信號，又可以作為數字調光控制器輸出符合DMX512控制協議的數字控制信號。
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開關電源，對單片機的5 V供電及AD7226的10 V參考電壓分別使用穩壓芯片LM2940T-5及LM2940T-10實現。
2．3 按鍵模塊
按鍵模塊提供調光控制器上的調光快捷操作。4個按鍵分別為25％、50％、75％、100％調光，分別接到PE4、PE5、PE6、PE7外部中斷引腳上。當按鍵被按下時，外部中斷被觸發。
2．4 串口模塊
單片機的串口模塊用來與上位機PC進行通信。由于PC機RS232串口的電平與單片機UART串口電平定義不一致，在此通過MAX232芯片進行電平轉換。
2．5 A／D模塊
光強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，其輸出為標準的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，則該電阻應選249 Ω電阻。此外為了保證采樣的準確性，在電路中加入電壓跟隨器。
2．6 D／A轉換模塊
D／A轉換模塊實際上是調光控制器的輸出模塊。采用ADI公司的AD7226產生0～10 V的電壓。AD7226具有8位精度的4通道D／A轉換器，最小分辨率為4 mV，可以滿足設計精度的要求。每一個通道都有一個輸入鎖存器，可以對輸入的數字量進行鎖存，輸出端帶有輸出緩沖放大器。D／A轉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。該控制器設計為具有12通道的輸出，所以采用了3個AD7226芯片。數據線、地址線與單片機的接法相同，只是控制線／WR作為芯片鎖存引腳與不同的單片機引腳連接，3個芯片的控制線分別連接PA4、PA5、PA6。
3 軟件設計
3．1 變量定義
該控制器包含12個獨立的通道且要將現場采集的光強送給上位機顯示，所以定義數組channelData[13]。其中，channelData[O]～chan-nelData[11]存儲相應1～12通道的實際控制電壓(0～255)，channelData[12]存儲傳感器采樣的現場光強。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
上位機對調光控制器的控制通過串口中斷實現，調光控制器上的快捷按鍵通過I／O外部中斷實現，傳感器的采樣間隔通過定時器中斷實現。3個中斷的優先級為；定時器中斷>I／O外部中斷>串口中斷。主程序流程如圖3所示。
當串口中斷被響應時，首先判斷上位機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指令，根據指令改變cha-nnelData[]中相應通道的值，并將write_end置1。如果為讀指令，根據地址將channelData[]中相應通道的數據或者現場光強返回作為響應。
當定時器中斷被響應時，通過傳感器采樣現場光強。為了保證數據的準確，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I／O外部中斷被響應時，首先需要判斷是否為按鍵抖動所致。如果為抖動，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，則執行函數DAOperation(channelData，12)，將channelData[O]～channelData[11]中對應的各通道值(O～255)以0～10 V電壓輸出，然后將write_end清0。
4 實驗結果
當上位機調節通道1控制電壓為2．5 V，通道1的實際測得電壓如圖4所示。從圖中可知，實際電壓為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。
在實際的測量中發現，未接電源時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47 μF的電容(見圖2)，并取得很好的效果。
5 總結
利用8位的ATmegal28單片機可以精確地實現多級可調的0～10 V控制電壓，分辨率為40 mV。在調光控制器上可以通過4個按鍵快速地調節各個通道的燈光強弱。此外，通過上位機實現單個通道的獨立調光、所有通道的快速調光以及燈光的閉環控制。