ＬＥＤ智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊軍平　吳欣慧　秦長海

引言

LED作為第三代半導(dǎo)體照明光源，具有工作電壓低，耗電量小，發(fā)光效率高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈相比，節(jié)電達(dá)到90％以上。被認(rèn)為是21世紀(jì)的照明光源。

用LED替代白熾燈或熒光燈，環(huán)保無污染，使用安全可靠。便于維護(hù)。LED是一個(gè)非線性器件，當(dāng)LED導(dǎo)通時(shí)，只要LED上的電壓稍微變大，電流就會增加很多。因此，即使電壓發(fā)生微小變化也會大大影響LED器件的工作，使電流過大甚至導(dǎo)致發(fā)熱損壞。恒流源驅(qū)動(dòng)是最佳的LED驅(qū)動(dòng)方式。采用恒流源驅(qū)動(dòng)，LED上流過的電流將不受電壓變化、環(huán)境溫度變化，以及LED參數(shù)離散性的影響，從而能保持電流恒定，充分發(fā)揮LED的各種優(yōu)良特性。目前廣泛采用的恒流源有兩種形式：一種是線性電源改進(jìn)型恒流源，另一種是開關(guān)電源式恒流源。線性電源改進(jìn)型恒流源的線性損耗大，適用范圍小；開關(guān)電源式恒流源的可靠性較差，適應(yīng)范圍小，而且成本高。為克服這兩種電源的缺點(diǎn)。我們采用了深圳光華源公司的新型恒流源器件HA22004P作為其驅(qū)動(dòng)元件。目前公共建筑的照明燈具控制大多仍采用手動(dòng)開關(guān)，有些使用光控和聲控開關(guān)，其故障率較高，只適應(yīng)于白熾燈，不適合于路燈的照明使用。從節(jié)能和提高照明效果的角度，本文闡述了一套LED智能照明和恒流驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可以根據(jù)不同的工作環(huán)境的要求亮度來自動(dòng)控制照明的開關(guān)和亮度。特別是在大功率LED照明系統(tǒng)上采用恒流源驅(qū)動(dòng)，具有提高用電效率，節(jié)約電能的效果。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于μ PD78F0034為主控器件設(shè)計(jì)的LED智能照明控制系統(tǒng)的框圖如圖1所示，其主要由傳感器單元、控制器單元、LED驅(qū)動(dòng)電路和照明系統(tǒng)四部分組成。μPD78F0034芯片用于對來自于熱紅外傳感器、強(qiáng)光傳感器、聲控傳感器檢測到的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換得到的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，將處理過的信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，運(yùn)算放大去驅(qū)動(dòng)LED驅(qū)動(dòng)電路和顯示電路。

熱紅外傳感器

熱紅外傳感器有三個(gè)關(guān)鍵性的元件：菲涅爾濾光透鏡，熱釋電紅外傳感器(PIR)，匹配低噪放大器。菲涅爾透鏡一是聚焦作用，即將熱紅外信號折射在PIR(熱釋電紅外傳感器)上，第二個(gè)作用是探測警戒區(qū)內(nèi)紅外線能量的變化，并由系統(tǒng)內(nèi)固化軟件對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算加工，由控制系統(tǒng)內(nèi)的控制軟件通過控制邏輯來決定是否發(fā)出開燈信號。熱釋電紅外傳感器(PIR)將透過濾光晶片的紅外輻射能量的變化轉(zhuǎn)換成電信號，即熱電轉(zhuǎn)換。因此在被動(dòng)紅外探測器的警戒區(qū)內(nèi)，當(dāng)無人體移動(dòng)時(shí)，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的只是背景溫度，當(dāng)人體進(jìn)人警戒區(qū)，通過菲涅爾透鏡，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的是人體溫度與背景溫度的差異，信號被采集到伺服系統(tǒng)以后，由軟件對該新采集的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)內(nèi)存中已經(jīng)存在的前期探測數(shù)據(jù)進(jìn)行延時(shí)比較，以判斷是否真的有人等紅外線源進(jìn)入警戒區(qū)，還是只是環(huán)境波動(dòng)，甚至是元件自身內(nèi)部噪聲的影響，以免發(fā)生誤判斷。匹配低噪放大器的作用是當(dāng)探測器上的環(huán)境溫度上升。尤其是接近人體正常體溫(37℃)時(shí)，傳感器的靈敏度下降，經(jīng)由它對放大器的增益進(jìn)行補(bǔ)償，增加其靈敏度。另外由于距離等衰減因素的存在，溫度傳感器和內(nèi)部軟件的初始數(shù)據(jù)并不需要定在37℃這個(gè)點(diǎn)上，而是要綜合環(huán)境因素。元件靈敏度、最近線性區(qū)段來定初始值。環(huán)境噪聲探測，主要是通過探測環(huán)境中人類日?；顒?dòng)所產(chǎn)生的噪聲，并與紅外線部分的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行或運(yùn)算，以補(bǔ)償在環(huán)境溫度非常接近人體時(shí)紅外探測不敏感而無法判定是否有人進(jìn)入需要照明的區(qū)域。

強(qiáng)光傳感器

光敏電阻的光譜響應(yīng)峰值比較接近人視覺敏感區(qū)的波長。并且當(dāng)光照強(qiáng)度減弱時(shí)，它的響應(yīng)時(shí)間相對增加，裝置在光照強(qiáng)度變化時(shí)，輸出狀態(tài)保持相對穩(wěn)定。所以在多種光電探測器中選擇了光敏電阻?？紤]到光敏電阻對溫度變化較為敏感，偏置電路中的電阻可以采用與探測元件溫變系數(shù)相近的光敏電阻，以防止工作點(diǎn)漂移。

聲控傳感器

聲控傳感器部分由聲控傳感器、音頻放大器、選頻電路、延時(shí)開啟電路和可控硅電路組成。利用聲音的相對比較，判斷是否啟動(dòng)控制電路的開啟，使用調(diào)節(jié)器可以調(diào)節(jié)給定聲控傳感器的初始值，聲控傳感器不斷地把外界聲音的強(qiáng)度與給定強(qiáng)度比較。超過給定的強(qiáng)度時(shí)，向主機(jī)發(fā)送“有聲音”信號，否則發(fā)送“沒有聲音”的信號。

控制單元

控制單元采用單片機(jī)作為照明系統(tǒng)的控制核心，選用日本NEC公司的μPD78F0034芯片作為主控模塊，該芯片具有8位無符號乘法指令及16位除法指令，給軟件編程帶來了很大的方便。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)民用建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(GBJl33-90)，我們控制室內(nèi)亮度在2001x左右。

本控制器設(shè)置了3套傳感系統(tǒng)和嚴(yán)密的軟件控制，其工作方法如下所述。

首先通過被動(dòng)熱釋電紅外探測器和環(huán)境噪聲探測是否有人，并探測環(huán)境亮度。如果沒人，所有LED燈均不開。如果有人，分成兩種情況：

·若需要照明的環(huán)境的照度X>200 lx時(shí)，LED照明燈具處于關(guān)閉狀態(tài)；

·若需要照明的環(huán)境的照度x<200 lx時(shí)，LED照明燈具處于開啟狀態(tài)，并且隨著環(huán)境照度調(diào)節(jié)LED燈具的照度。

根據(jù)聲音的大小判斷是否需要啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路。

驅(qū)動(dòng)電路

我們選用AP-28320發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器，制作一體化半導(dǎo)體燈的專用電源變換器，用于安裝在半導(dǎo)體燈內(nèi)部，串聯(lián)驅(qū)動(dòng)1串10～40支1瓦大功率發(fā)光二極管工作，220V交流市電供電，輸出320mA穩(wěn)定的單向脈動(dòng)恒定電流。驅(qū)動(dòng)器使用高頻脈寬調(diào)制開關(guān)變換電路實(shí)現(xiàn)恒流控制。變換效率高，可達(dá)85％以上，工作穩(wěn)定。驅(qū)動(dòng)器為全密閉模塊封裝結(jié)構(gòu)，適合在高濕度，高粉塵，強(qiáng)震動(dòng)，對防爆有一定要求等環(huán)境下使用，非常適合室內(nèi)使用，經(jīng)過軟件升級也可用于建筑物公共區(qū)間照明使用。

目前成熟應(yīng)用的都是單粒1w的LED，很顯然，做這樣一個(gè)半導(dǎo)體燈要用50只發(fā)光管。50只LED全部串聯(lián)，或者并聯(lián)都存在一些問題。如果全部串聯(lián)連接，如果有一粒LED開路損壞，則整燈不亮，而N50支LED全部串聯(lián)，其驅(qū)動(dòng)電壓至少要150V，安全性減低。如果全部并聯(lián)連接，有一路開或短路，則電流不均衡，影響燈具使用壽命。

從驅(qū)動(dòng)技術(shù)和發(fā)光管的特性來看，多只發(fā)光管組應(yīng)該優(yōu)先使用串聯(lián)方案。這樣，只要驅(qū)動(dòng)器給的電流合適，所有發(fā)光管的電流都是一樣的。發(fā)光管串聯(lián)使用大家常常擔(dān)心一個(gè)問題，就是一個(gè)發(fā)光管開路整串都不亮了。我們對樣燈打過高壓，也作了突波實(shí)驗(yàn)。從應(yīng)用宴踐上看，只要驅(qū)動(dòng)

不失控，給發(fā)光管的電流合適，發(fā)光管很少見到開路的情況，即使發(fā)光管本身質(zhì)量不好出故障，一般就是自己不亮，但還是保持通路，其他管照樣亮。而且發(fā)光管都有很強(qiáng)的過電流的能力，比如300mA的1瓦發(fā)光管短時(shí)間加600mA的電流也不會壞。所以，使用發(fā)光管時(shí)應(yīng)以串聯(lián)為主，這樣發(fā)光管才有穩(wěn)定、一致的電流，對提高燈的壽命有利。由于管數(shù)太多，全部串聯(lián)其驅(qū)動(dòng)電壓太高，不得不連串帶并，混聯(lián)。專用的LED驅(qū)動(dòng)器一般是電流源，既然LED驅(qū)動(dòng)器提供的是一個(gè)恒定的電流。多串并聯(lián)肘就必須輔以外部均流措施，均衡地把驅(qū)動(dòng)器提供的總電流分配給每一串，最簡單的辦法就是每一串里串一個(gè)電阻均流。多串并聯(lián)時(shí)首先是要使各串發(fā)光管的總管壓降盡可能地保持一致，然后再串入電阻牽制電流的偏移。電阻上的壓降太大功耗增加，壓降太小均流效果不好，一般可以取串連管總管壓降的5％左右。驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，C1為平滑電容，R1為電流整定電阻，R2為靈敏度整定電阻，R3為限流電阻；VF為每個(gè)LEDiE向壓降，∑v，≤0.9Vin。

顯示電路

我們將400個(gè)LED分10組。每組40個(gè)。每組采用一個(gè)AP-28320作為電流源，用單片機(jī)控制可控硅的輸出來調(diào)節(jié)LED的發(fā)光亮度?？稍诳煽毓鑳啥瞬⒙?lián)阻容吸收回路，用來吸收AP-28320與可控硅產(chǎn)生的諧波干擾。連接方式如圖3。我們采用1W的白光LED，發(fā)光效率601m/w，預(yù)計(jì)室內(nèi)亮度在2001x左右。

考慮到室外亮度越低，對室內(nèi)亮度的補(bǔ)償越小。所以我們安裝400個(gè)LED，全部點(diǎn)亮其室內(nèi)亮度可達(dá)2081x。

解決散熱問題主要靠合理的燈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。解決方案是使用薄金屬板做基板，LED可以按照使用的發(fā)光管的數(shù)目在鋁板上打好孔徑和發(fā)光管外徑相同的孔，兩個(gè)孔間距離為0.7mm，再將發(fā)光管緊配合鑲嵌到金屬扳上，發(fā)光管引腳在金屬板后面相連。燈的外殼也用金屬材料制作，裝好發(fā)光管的金屬板和金屬外殼緊密裝配，這樣，燈具工作時(shí)產(chǎn)生的熱量可以通過金屬板傳導(dǎo)到金屬外殼上。金屬外殼暴露在空氣中，熱量可以通過輻射和對流散去。為了既減小燈的體積又保證較大散熱面積。燈體外殼可以采用帶肋條的散熱片結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序采用模塊化設(shè)計(jì)思想。以主程序?yàn)楹诵脑O(shè)置功能模塊子程序。簡化了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。運(yùn)行過程中通過主程序調(diào)用各功能模塊子程序，因?yàn)闊艟呖刂茖?shí)時(shí)要求不高，循環(huán)控制即可滿足要求。該系統(tǒng)的工作軟件主要完成以下功能：信號輸入模塊實(shí)現(xiàn)相應(yīng)傳感器信號輸入單片機(jī)數(shù)據(jù)通道。在控制系統(tǒng)軟件中，分別將紅外線探測器的信號與聲音傳感器的信號經(jīng)過整流放大數(shù)字化后處理成開關(guān)的布爾型數(shù)據(jù)，然后相或，經(jīng)過整流放大的環(huán)境補(bǔ)光，光強(qiáng)度探測系統(tǒng)產(chǎn)生的信號分兩路，一路為布爾值，并與前兩路信號處理后產(chǎn)生的輸出進(jìn)行與運(yùn)算，由此產(chǎn)生決定燈具開關(guān)的開關(guān)信號。另外一路將環(huán)境數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換。然后作為系統(tǒng)調(diào)節(jié)亮度的控制信號編碼輸出到系統(tǒng)的輸出模塊。達(dá)到控制LED發(fā)光亮度的目的，實(shí)現(xiàn)智能照明的目的。

測試結(jié)果

用ADS2102CA數(shù)字示波器對系統(tǒng)進(jìn)行測試，其測試波形如圖4所示。測試結(jié)果顯示。即使5W MR16LED燈驅(qū)動(dòng)電路的輸入交流電壓紋波大于8.5V，輸出LED電流仍保持1A。光的轉(zhuǎn)化率級計(jì)算可達(dá)17％。對深度的調(diào)光，且顏色和其他特性不會因調(diào)光而變化。

結(jié)語

采用μPD78F0034芯片來開發(fā)LED智能照明控制系統(tǒng)，不僅能夠有效的實(shí)現(xiàn)LED照明系統(tǒng)智能化控制，還能夠達(dá)到節(jié)能降耗的目的，并為LED照明技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用提供了可能。該系統(tǒng)曾在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行長達(dá)一年的實(shí)驗(yàn)，節(jié)能效果超過45％，從使用情況看，該控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高、故障率很低。此方法具有精度高、穩(wěn)定性好、功能易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，為智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一種新的設(shè)計(jì)方法，它在新型室內(nèi)照明和城市照明中有非常好的應(yīng)用前景。