應(yīng)用于展會(huì)照明的LED智能控制系統(tǒng)*

莫忠 王小輝 劉志宇 衛(wèi)紅 曹一鳴 黃作宏

（1.廣州市光機(jī)電技術(shù)研究院 2.廣州輝鴻燈光器材有限公司）

0 引言

LED作為一種固態(tài)冷光源，是繼白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度放電燈之后的第四代新光源，是一種典型的綠色照明方式，與傳統(tǒng)光源相比，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、體積小、安全可靠、響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前 LED已經(jīng)在城市景觀裝飾、交通信號(hào)與商業(yè)廣告領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1-5]，并逐步開(kāi)始應(yīng)用于路燈照明、展會(huì)照明、舞臺(tái)燈光等領(lǐng)域?，F(xiàn)代會(huì)展業(yè)作為一種行業(yè)聯(lián)系的紐帶、城市展示的窗口、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的引擎，在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，更是未來(lái)重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，展會(huì)照明在全球及國(guó)內(nèi)的燈光照明行業(yè)中占有重要的市場(chǎng)份額[6-7]。

作為新興的光源，LED會(huì)展照明燈相對(duì)于傳統(tǒng)會(huì)展燈（石英燈、金鹵燈），具有壽命長(zhǎng)、無(wú)紅外紫外輻射、調(diào)光控制容易等優(yōu)勢(shì)；并且更加節(jié)能環(huán)保。目前達(dá)到同樣的照明效果，LED的耗電量大約是白熾燈的1/10，熒光燈的1/2[8]。針對(duì)會(huì)展業(yè)燈光照明安全、節(jié)能、智能和會(huì)展特定光域等需求，本文設(shè)計(jì)了一款適用于高端展覽、博物館、文物及藝術(shù)品展覽等現(xiàn)代展會(huì)照明的 LED智能控制系統(tǒng)[8-12]。系統(tǒng)采用 LED成像燈的二次光學(xué)設(shè)計(jì)和RGBW/Y五色混色機(jī)理，實(shí)現(xiàn)多種色彩精準(zhǔn)變換混色、光線色彩均勻聚光和光域形狀調(diào)節(jié)，有效解決LED成像燈的出光均勻性、配光角度、眩光和偏色等問(wèn)題；進(jìn)一步優(yōu)化 LED的節(jié)能效果，節(jié)約電力資源，符合現(xiàn)代會(huì)展照明智能化、節(jié)能化和舒適化的發(fā)展趨勢(shì)。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LED智能控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)會(huì)展區(qū)域人員活動(dòng)情況，確定動(dòng)靜探測(cè)器（紅外感應(yīng)裝置）的位置及數(shù)量，并利用動(dòng)靜探測(cè)器收集人員活動(dòng)信號(hào)，將收集到的信號(hào)進(jìn)行處理后傳送給MSP430單片機(jī)[1,9]；然后由光敏模塊檢測(cè)光強(qiáng)信息并傳送給單片機(jī)；單片機(jī)根據(jù)處理結(jié)果輸出相應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)，傳送給LED驅(qū)動(dòng)電路，從而控制LED可調(diào)變焦成像燈，實(shí)現(xiàn)照明范圍內(nèi)感應(yīng)開(kāi)關(guān)及漸亮漸暗功能。

圖1 LED智能控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 光學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 光斑、光域、遠(yuǎn)近光切換二次光學(xué)設(shè)計(jì)

LED智能控制系統(tǒng)采用不同比例的 RGBW(Y)（紅、綠、藍(lán)、白（或黃））五色 LED組成陣列高亮度的二次光源，外部輔助一種特殊復(fù)合橢球體反光杯的全反射式二次光學(xué)組件，對(duì)全反射式 LED模組內(nèi)外部透鏡進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，可收集從 LED芯片發(fā)出的全部180°的光，并重新分配到指定的區(qū)域；再經(jīng)過(guò)多層臺(tái)階的復(fù)眼柔光透鏡，使光線在透射處透散射單元（六邊形透散射單元的尺寸較小并復(fù)眼式緊密排列，具有很好的折射和反射效果）表面的同時(shí)，經(jīng)過(guò)多次的折射和散射，并在圓面和圓環(huán)面的表面相互反射，多層臺(tái)階的復(fù)眼柔光透鏡如圖2所示，其中數(shù)字代表透鏡編號(hào)。

圖2 多層臺(tái)階的復(fù)眼柔光透鏡

外部光斑、光域、遠(yuǎn)近光切換二次光學(xué)鏡頭組，在外部鏡頭加裝光域調(diào)節(jié)光闌板，可根據(jù)不同的展品形狀進(jìn)行光域形狀調(diào)節(jié)。全反射準(zhǔn)直透鏡與60°角泛光透鏡光線圖如圖3所示。

圖3 全反射準(zhǔn)直透鏡與60°角泛光透鏡光線圖

這樣的配光設(shè)計(jì)使LED燈頭光強(qiáng)的遠(yuǎn)場(chǎng)角度呈現(xiàn)合理的分布，使光斑的中間和邊緣比較均勻（市面上LED光斑中間比較亮，周?chē)饾u變暗，容易造成眩光）。透鏡還可以實(shí)現(xiàn)截光，消除眩光。同時(shí)，使成像燈混色更加完美，增加視覺(jué)的舒適效果，實(shí)現(xiàn)更好的光學(xué)混色效果。

外部光斑、光域、遠(yuǎn)近光切換二次光學(xué)鏡頭組主要針對(duì)會(huì)展照明安全性和復(fù)雜的光程光域要求設(shè)計(jì)，LED成像燈及光組件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 LED成像燈及光組件結(jié)構(gòu)

2.2 五色混色變換

RGBW(Y)混色可實(shí)現(xiàn)多種色彩精準(zhǔn)變換混色，光線色彩均勻聚光，解決了原有RGB混色，LED燈交叉混色不均勻、有偏色的問(wèn)題。RGBW(Y)混色法采用引入黃光及在二次配光透鏡的內(nèi)穴鍍制色溫濾光膜的方案，解決了LED燈具本身色溫較高的問(wèn)題。

將紅、綠、藍(lán)、白（黃）LED燈珠按梅花狀矩陣排列方式串+并聯(lián)起來(lái)，以均勻間隔排列在光源板上，使 LED燈珠的光線在導(dǎo)光空間內(nèi)相互均勻交叉，消除傳統(tǒng)方形排列相鄰 LED產(chǎn)生的陰影區(qū)域。梅花形LED燈珠矩陣排列方式如圖5所示，其中21～24分別為紅、綠、藍(lán)、黃，25為白。

圖5 梅花形LED燈珠矩陣排列方式

3 控制系統(tǒng)關(guān)鍵部分實(shí)現(xiàn)

3.1 感應(yīng)開(kāi)關(guān)及漸亮漸暗設(shè)計(jì)

智能化驅(qū)動(dòng)的靈敏調(diào)光方案，采用動(dòng)靜探測(cè)器和光傳感器作為信號(hào)采集模塊，MSP430單片機(jī)作為微控制器，單通道LED恒流驅(qū)動(dòng)器DD312驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光，并通過(guò)PWM脈寬調(diào)制來(lái)控制LED芯片漸亮漸暗發(fā)光特性。動(dòng)靜探測(cè)器和光傳感器布置示意圖如圖6所示。

動(dòng)靜探測(cè)通過(guò)新型熱釋電紅外傳感器（表面罩一個(gè)菲涅耳透鏡，用來(lái)提高探測(cè)靈敏度）檢測(cè)人體放射的微弱紅外線能量，判斷區(qū)域內(nèi)人員活動(dòng)情況，即有人進(jìn)入探測(cè)區(qū)域時(shí)，傳感器產(chǎn)生一個(gè)交變紅外輻射信號(hào)，并輸出一個(gè)微弱的電壓信號(hào)；再通過(guò)信息處理模塊將傳感器輸出的電壓信號(hào)通過(guò)濾波、放大、整形后輸出脈沖信號(hào)。

圖6 動(dòng)靜探測(cè)器和光傳感器布置示意圖

光敏檢測(cè)單元由光敏電阻和三極管組成的背景光檢測(cè)電路。當(dāng)背景光強(qiáng)度強(qiáng)時(shí)，光敏電阻阻值減小，三極管處在非工作狀態(tài)，三極管的集電極輸出低電平；當(dāng)背景光強(qiáng)度較弱時(shí)，光敏電阻阻值增大，三極管處在工作狀態(tài)，三極管的集電極輸出高電平。光傳感器芯片通過(guò)I2C總線與單片機(jī)連接。

MSP430單片機(jī)通過(guò)接收紅外探測(cè)器和光敏檢測(cè)模塊的輸出信號(hào)，判斷區(qū)域內(nèi)人員存在情況和光照條件，最終形成矩形脈沖以控制PWM信號(hào)。脈寬調(diào)制式開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路在控制電路輸出頻率不變的情況下，通過(guò)電壓反饋調(diào)整一個(gè)周期固定的方波占空比。當(dāng)調(diào)整PWM 的占空比時(shí)，會(huì)引起電壓電流的改變，LED的明暗狀態(tài)也會(huì)隨之發(fā)生相應(yīng)的變化（占空比不斷升高，耗電量不斷增大，LED燈也就越亮）。感應(yīng)開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)，在滿足相關(guān)照明和觀眾舒適度要求的同時(shí)，大幅度節(jié)約電能，并預(yù)防了光污染對(duì)展品的傷害。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

LED智能控制系統(tǒng)軟件分為照明控制總程序、現(xiàn)場(chǎng)信息采集程序等。系統(tǒng)初始化后，首先通過(guò)紅外傳感器對(duì)所轄區(qū)域內(nèi)的人員活動(dòng)情況進(jìn)行檢測(cè)，區(qū)域內(nèi)無(wú)人時(shí)PWM控制輸出占空比為0（燈熄滅）；有人情況下，由光敏模塊檢測(cè)光強(qiáng)信息，MSP430判斷展區(qū)光強(qiáng)能否滿足照度（設(shè)定值）的現(xiàn)狀，根據(jù)傳感器采集到的信號(hào)，傳送給單片機(jī)，通過(guò)PWM控制輸出占空比逐漸增大（逐漸減?。?shí)現(xiàn)燈的亮度逐漸變亮（逐漸變暗）。軟件流程圖如圖7所示。

圖7 軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文選取小型會(huì)展區(qū)域，對(duì)比 LED燈具和傳統(tǒng)日光燈的節(jié)電效果。實(shí)驗(yàn)中預(yù)先設(shè)定2個(gè)光照等級(jí)，紅外傳感器對(duì)所轄區(qū)域內(nèi)有人時(shí)對(duì)應(yīng)普通照明，即PWM 控制輸出占空比為 80%；無(wú)人時(shí)熄滅，對(duì)應(yīng)PWM控制輸出占空比為0%。全天工作8小時(shí)，選取全天普通照明和智能調(diào)控照明對(duì)比2種燈具的耗電量，結(jié)果如表1所示。

表1 耗電量對(duì)比

由表1可見(jiàn)，全天普通照明的情況下，LED較日光燈節(jié)電約50%；在引入LED智能控制系統(tǒng)后，可根據(jù)展會(huì)區(qū)域人員活動(dòng)情況及光強(qiáng)進(jìn)行照度調(diào)控，節(jié)電效果更加明顯。傳統(tǒng)單一的手動(dòng)控制開(kāi)關(guān)，不具備調(diào)光功能，工作期間照度基本保持一致，造成資源浪費(fèi)。同時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多色混色，色溫在2500 K～ 10000 K可調(diào)，光斑均勻，輪廓清晰，無(wú)RGB雜光，展會(huì)LED成像燈照明效果如圖8所示。

圖8 展會(huì)照明的LED成像燈效果圖

5 結(jié)論

本文采用熱釋電紅外傳感器、MSP430單片機(jī)、單通道大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)器DD312，應(yīng)用PWM調(diào)光原理構(gòu)建了LED智能控制系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了系統(tǒng)的節(jié)電效果。該系統(tǒng)根據(jù)展會(huì)區(qū)域內(nèi)的人員活動(dòng)情況及實(shí)際光照度進(jìn)行照明智能控制；LED成像燈的二次光學(xué)設(shè)計(jì)和RGBW/Y五色混色，有效解決LED成像燈的出光均勻性、配光角度、眩光和偏色等問(wèn)題；實(shí)現(xiàn)了會(huì)展照明智能化、節(jié)能化和舒適化，有著廣闊的社會(huì)和商業(yè)前景。

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