感控式LED燈箱廣告牌的設(shè)計(jì)*

□ 王 喆 □ 佀 昊 □ 王一鳴

武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 武漢 430070

LED燈箱廣告牌是近年來迅速發(fā)展起來的一種新型廣告牌，它應(yīng)用獨(dú)特的導(dǎo)光板技術(shù)，使用LED作為光源，憑借著厚度尺寸小、同樣功率條件下亮度高、發(fā)光面光線均勻等優(yōu)點(diǎn)，迅速占領(lǐng)了小型廣告牌市場。但是由于此類產(chǎn)品缺乏一個合理的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致LED燈箱廣告牌經(jīng)大量推廣之后凸顯出許多問題。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在LED廣告牌領(lǐng)域做了很多研究，但是主要集中在廣告牌的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)及廣告牌的視覺效果設(shè)計(jì)上［1］［2］，鮮見于節(jié)能環(huán)保方面的研究。 所以 LED燈箱廣告牌的電能浪費(fèi)問題一直未能得到有效解決。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前市面上LED燈箱廣告牌主要存在以下不足：①開啟、關(guān)閉時間固定，不能隨著四季的交替而變化；②亮度值恒定，無法自動調(diào)節(jié)，較暗環(huán)境下會出現(xiàn)光污染［3］；③深夜人少時仍持續(xù)發(fā)光，浪費(fèi)了大量的電能。

為此，筆者從縮短工作時間和調(diào)節(jié)發(fā)光亮度兩個方面入手，構(gòu)思設(shè)計(jì)了一種感控式LED燈箱廣告牌。有資料［4］顯示，臺灣某公司曾在2011年推出過一款基于計(jì)算機(jī)MPC-21W3的智能LCD電子廣告牌節(jié)能系統(tǒng)，使用Intel?AtomTMN270處理器自動調(diào)節(jié)面板的LCD背光亮度，達(dá)到不錯的節(jié)能省電的功效。不過由于成本等原因，此節(jié)能系統(tǒng)在LED燈箱廣告牌中并不適用。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)89C52作為系統(tǒng)控制核心，光線傳感器、熱釋電紅外傳感器為主要感應(yīng)器件，通過對時間設(shè)定、環(huán)境光強(qiáng)檢測和人流量檢測的綜合應(yīng)用，達(dá)到了提高用電效率、節(jié)約電能、減少光污染的效果。另外，用戶可根據(jù)需求自由選擇各功能模塊的使用，擴(kuò)大了作品的適用范圍。同時，本設(shè)計(jì)附帶的人流量統(tǒng)計(jì)功能，可以獲取不同時段客流信息，從而為商家制定科學(xué)的營銷策略提供參考依據(jù)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境“雙贏”的目標(biāo)。

1 功能模式設(shè)計(jì)

1.1 室外功能模式設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)作為室外功能模式，基本工作過程見表1。

表1 室外功能模式表

（1）自適應(yīng)調(diào)光功能。一般情況下屏幕的亮度大于環(huán)境亮度60%就會引起眼部不適［5］，故設(shè)定本設(shè)計(jì)亮度始終比環(huán)境光亮度高30%，亮度調(diào)節(jié)下限為30 lx，上限為 200 lx。

（2）人體感應(yīng)功能。廣告牌在7 m（可調(diào)）范圍內(nèi)檢測到人體，以30 lx（勒克斯）初始亮度開啟并在3 s內(nèi)逐漸達(dá)到適宜亮度；人離開此范圍之后，經(jīng)過30 s的延時，廣告牌在3 s內(nèi)逐漸熄滅。

（3）人流量統(tǒng)計(jì)功能。單片機(jī)記錄熱釋電傳感器的觸發(fā)時間，通過內(nèi)部算法轉(zhuǎn)化為人流量數(shù)據(jù)；以串口通信的方式將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)中，經(jīng)過軟件分析實(shí)現(xiàn)各時段人流量的柱狀圖顯示。

1.2 室內(nèi)功能模式設(shè)計(jì)

用戶可以根據(jù)不同需要通過按鍵選擇功能或調(diào)節(jié)閾值，從而適合室內(nèi)不同環(huán)境下的使用。例如，應(yīng)用在樓道、電梯等場所時，主要用到人體感應(yīng)功能；應(yīng)用在商場、展區(qū)等場所時，主要用到自適應(yīng)調(diào)光功能。下面以樓道為例來介紹室內(nèi)功能模式，基本工作過程見表2。

表2 室內(nèi)功能模式表

2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要由89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)、按鍵和顯示模塊構(gòu)成，其硬件電路總框圖如圖1所示。89C52單片機(jī)接收光線傳感電路模塊和人體感應(yīng)電路模塊的輸入信號，經(jīng)內(nèi)部時鐘及中斷處理，向LED驅(qū)動及PWM調(diào)光模塊輸出控制信號。同時，單片機(jī)持續(xù)檢測鍵盤的輸入信號，判斷用戶的功能選擇及閾值設(shè)置。此外，單片機(jī)記錄熱釋電傳感器的觸發(fā)時間，通過內(nèi)部算法轉(zhuǎn)化為人流量數(shù)據(jù)，并以串口通信的方式與計(jì)算機(jī)接口相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。

圖1 總體框圖設(shè)計(jì)

2.1 光線感應(yīng)模塊

該模塊主要由光敏電阻、運(yùn)算放大電路和A/D芯片TLC549構(gòu)成。當(dāng)環(huán)境光亮度增強(qiáng)時，光敏電阻Rp的阻值減小，通過運(yùn)算放大電路處理，使得out端輸出電壓減??；同理，當(dāng)環(huán)境光亮度減弱時，out端輸出電壓增大。A/D芯片TLC549接收運(yùn)算放大電路輸出的模擬電壓信號，經(jīng)內(nèi)部運(yùn)算輸出數(shù)字電壓信號給單片機(jī)。仿真電路圖如圖2所示。

圖2 光線感應(yīng)模塊仿真電路圖

2.2 人體感應(yīng)模塊

該模塊主要由菲涅爾透鏡、熱釋電傳感器RE200B和TX0001芯片構(gòu)成，熱釋電傳感器內(nèi)分布有若干壓電晶體元件，在每個元件的上下兩個表面添加電極。當(dāng)有人進(jìn)入傳感器監(jiān)測范圍時，因人體溫度與環(huán)境溫度有ΔT的差別，使兩電極之間產(chǎn)生微弱的電壓差ΔV，經(jīng)過TX0001芯片放大，輸出高電平給單片機(jī)。在此過程中，菲涅爾透鏡起到了增大感應(yīng)距離和提高感應(yīng)精度的作用。仿真電路圖如圖3所示。

圖3 人體感應(yīng)模塊硬件仿真電路圖

2.3 LED驅(qū)動及PWM調(diào)光模塊

該模塊主要由運(yùn)算放大器和差分輸出電路［7］構(gòu)成，通過給Input端輸入可變占空比的PWM信號，改變輸出電流有效值的大小，進(jìn)而控制LED的發(fā)光亮度。具體過程如下：當(dāng)PWM處于低電平時，input小于VT_L，使能EN變高，此時VT選通VT_H，輸出截止電流給LED；當(dāng)PWM處于高電平時，Input大于VT_H，使能EN轉(zhuǎn)換，此時VT選通VT_L，輸出導(dǎo)通電流給LED，并實(shí)現(xiàn)一定的電壓遲滯。本模塊通過PWM信號的變化控制內(nèi)部功率管的開關(guān)，達(dá)到控制輸出電流的目的。仿真電路圖如圖4所示。

圖4 LED驅(qū)動及PWM調(diào)光模塊仿真電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件采用C語言編寫。系統(tǒng)的主程序運(yùn)行流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

4 試驗(yàn)分析

目前市面上普遍采用40W的節(jié)能燈管或12W的LED作為小型燈箱廣告牌的燈源，兩者的使用效果近似相同，但耗電量差別較大。感控式LED燈箱廣告牌采用12W的LED作為燈源，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)廣告牌的二次節(jié)能。通過實(shí)物測試表明，感控式LED燈箱廣告牌能很好地完成預(yù)設(shè)模式下的各項(xiàng)功能。另外，以每天工作12 h計(jì)算，用功率計(jì)量插座測得節(jié)能燈燈箱廣告牌、普通LED燈箱廣告牌、感控式LED燈箱廣告牌的日耗電量分別為 0.480 kW·h、0.213 kW·h、0.096 kW·h，由此可見感控式LED燈箱廣告牌相比節(jié)能燈燈箱廣告牌節(jié)電80%，相比普通LED燈箱廣告牌節(jié)電55%，節(jié)能效果顯著。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)主要有以下4個特點(diǎn)：

（1）按環(huán)境光亮度的百分比確定LED亮度，有效地減少了光污染。

（2）綜合考慮環(huán)境光強(qiáng)、人流量等因素，功能設(shè)計(jì)更為人性化。

（3）各功能模塊可隨用戶需求自由選擇，擴(kuò)大了作品適用范圍。

（4）增加顯示各時段人流量信息的功能，使產(chǎn)品更具商業(yè)價(jià)值。

在日常生活中，感控式LED燈箱廣告牌的適用范圍非常廣泛，如街道兩旁的商業(yè)廣告，公共場所設(shè)置的公益廣告，室內(nèi)裝飾燈箱，各類路線指示牌、操作指南牌等。在實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保、綠色節(jié)能的同時，本設(shè)計(jì)的自適應(yīng)調(diào)光，人來漸亮、人走漸暗等功能均可提升廣告效果，增加廣告牌的吸引力；人流量統(tǒng)計(jì)功能可幫助商家制定出科學(xué)的營銷策略，增強(qiáng)了廣告牌的商業(yè)推廣價(jià)值。

［1］ 馮振宇.風(fēng)荷載作用下高速公路廣告牌的力學(xué)分析［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009（12）：100-107.

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