低成本LED智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李　秘，丁時(shí)棟，李貴柯，趙柏秦，吳南健(中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京100083)

低成本LED智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李秘，丁時(shí)棟，李貴柯，趙柏秦，吳南健
(中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京100083)

提出了一套LED智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，給出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和具體電路的實(shí)現(xiàn)方法。人體紅外感應(yīng)模塊和環(huán)境亮度感應(yīng)采集環(huán)境信號(hào)，通過LED驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)控制電路和調(diào)光控制電路共同控制LED燈珠的狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)采用低成本純模擬電路設(shè)計(jì)，非基于單片機(jī)的控制方案。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定，照明效果良好，高效節(jié)能，省電70％以上，在室內(nèi)照明和室外景觀中都有一定的應(yīng)用前景。

智能照明；LED；線性調(diào)光

目前各類照明燈具大多采用手動(dòng)開關(guān)控制，未能及時(shí)關(guān)燈的情況頻頻發(fā)生，造成了很多不必要的電能浪費(fèi)。針對(duì)這種現(xiàn)象，“人來燈亮，人走燈滅”的照明控制應(yīng)運(yùn)而生。但對(duì)于很多應(yīng)用場所，即使局部無人，也不希望燈全部熄滅，例如路燈、走廊燈、停車場以及有人加班的大開間辦公室等。所以“人來燈變亮，人離開燈根據(jù)需要變暗”既可以有效地降低能耗，又能保證被照明場所的安全性和舒適性，才是真正的智能照明。

目前各種智能照明控制產(chǎn)品市場火熱，科銳、飛利浦和歐司朗等國際大型企業(yè)爭相投入研發(fā)智能照明系統(tǒng)，國內(nèi)也有一些公司推出了各種智能照明產(chǎn)品。不過市場上這類產(chǎn)品大多數(shù)是屬于集中控制的，適合于大系統(tǒng)范圍的整體控制，但單燈控制不是很靈活，這會(huì)限制產(chǎn)品的應(yīng)用場合。針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)了一套低成本、高性能的LED智能照明系統(tǒng)，每一盞燈均可感應(yīng)人體的紅外信號(hào)和外界光強(qiáng)信號(hào)，“人來燈亮，人走微亮”地控制LED燈，可以顯著減少耗電量，滿足智能樓宇、停車場等照明節(jié)能的需求。

1 智能照明系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

圖1　LED智能照明系統(tǒng)原理框圖

本系統(tǒng)主控部分采用純模擬電路設(shè)計(jì)，而非高校中主流的單片機(jī)控制方案[2]，出于成本和性能的綜合考慮，本文從簡單實(shí)用的角度提出該電路設(shè)計(jì)方案。

該系統(tǒng)主要由三部分組成：傳感器部分、控制部分和LED燈珠陣列，如圖1所示。其中，傳感器部分包括人體紅外感應(yīng)模塊和環(huán)境光強(qiáng)感應(yīng)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的智能感應(yīng)；控制部分包括LED驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)控制電路和調(diào)光控制電路三部分，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的開關(guān)及亮度調(diào)節(jié)控制。

開關(guān)控制電路起到主開關(guān)的作用，根據(jù)室內(nèi)光線的強(qiáng)弱來控制LED燈珠陣列的點(diǎn)亮和熄滅。調(diào)光控制電路采集人體紅外感應(yīng)模塊傳來的信息，對(duì)LED燈進(jìn)行線性調(diào)光，動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)LED燈珠最亮(100％亮度)和LED燈珠微亮(15％亮度)兩種狀態(tài)的切換。本文提到的亮度百分比，是指當(dāng)時(shí)的輸出功率與

1.2.1 pH的測定 稱取10.0 g制備好的土壤，置于50 mL的高腳燒杯中，加入25 mL無二氧化碳水。將容器密封后于磁力攪拌器上攪拌5 min，靜置1 h后，用校正好的pH計(jì)進(jìn)行測定。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1傳感器部分

傳感器部分包括人體紅外感應(yīng)部分和環(huán)境亮度感應(yīng)部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)物體和環(huán)境亮度的感應(yīng)，為后續(xù)的控制部分提供數(shù)據(jù)支持。

2.1.1人體紅外感應(yīng)模塊

人體紅外感應(yīng)模塊主要包括三個(gè)關(guān)鍵元件：菲涅爾透鏡、人體紅外傳感器和信號(hào)處理芯片。

菲涅爾透鏡選用折射式、半球形的菲涅爾透鏡，主要作用是將警戒區(qū)內(nèi)的空間劃分為若干個(gè)暗區(qū)和明區(qū)，使進(jìn)入警戒區(qū)的移動(dòng)物體以溫度變化的形式在熱釋電紅外傳感器(PIR)上產(chǎn)生變化的熱釋紅外信號(hào)，這樣PIR就能產(chǎn)生變化的電信號(hào)[3]。

選擇常用的熱釋電傳感器作為人體紅外傳感器，可以識(shí)別運(yùn)動(dòng)的物體，對(duì)于人體發(fā)出的紅外線尤為敏感，是目前最為流行的人體檢測元件之一。

信號(hào)處理芯片選用BISS001，它是一款傳感信號(hào)處理芯片，配以熱釋電紅外傳感器和少量外界元器件構(gòu)成被動(dòng)式紅外開關(guān)，外圍硬件連接如圖2所示。BISS001采用兩級(jí)放大，第一級(jí)對(duì)傳感信號(hào)預(yù)處理，將信號(hào)放大，然后耦合給運(yùn)算放大器，進(jìn)行第二級(jí)放大，最終輸出高低電平的PIR-OUT信號(hào)。輸入信號(hào)消失后，BISS001芯片輸出信號(hào)可以保持一定的延時(shí)時(shí)間不變，時(shí)間范圍為1～200 s，本文選擇的延時(shí)時(shí)間是45 s。

圖2　人體紅外感應(yīng)模塊硬件電路

2.1.2環(huán)境亮度感應(yīng)模塊

環(huán)境亮度感應(yīng)模塊主要是用來感應(yīng)外部光線的強(qiáng)弱，以免造成不必要的浪費(fèi)。感光元件采用光敏電阻，光敏電阻的電阻值隨入射光的強(qiáng)弱變化而變化，光越強(qiáng)電阻值越小，光越弱電阻值越大。如圖3所示，R12和R13的分壓電路設(shè)置參考電壓，R11和Rg的分壓電路產(chǎn)生比較器LM393的輸入信號(hào)，當(dāng)外部光線比較強(qiáng)時(shí)，LM393輸出低電平；當(dāng)外部光線比較弱時(shí)，LM393輸出高電平。

圖3　環(huán)境亮度感應(yīng)模塊電路

2.2控制部分

本系統(tǒng)的控制部分包括LED驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)控制電路和調(diào)光控制電路三部分，是整個(gè)系統(tǒng)的核心電路。

2.2.1LED驅(qū)動(dòng)電路

LED的驅(qū)動(dòng)方式可分為恒流式和恒壓式。由于恒壓驅(qū)動(dòng)電路會(huì)使LED亮度受整流而來的電壓變化影響，因此，本系統(tǒng)選用更理想的恒流驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)LED。本系統(tǒng)選用常用的LED驅(qū)動(dòng)芯片[4]為 LED驅(qū)動(dòng)電路的核心，如圖 4所示。COMP管腳由連接RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)到地來控制占空比，并且形成了閉環(huán)反饋控制。OUT管腳輸出一定占空比的PWM脈沖波，控制MOS管的導(dǎo)通與截止，這個(gè)占空比的大小決定了輸出電壓的大小。LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)靈活，可實(shí)現(xiàn)5～30 W功率范圍內(nèi)LED燈的控制。

圖4　LED驅(qū)動(dòng)電路原理

芯片的DIM管腳提供線性調(diào)光功能。當(dāng)DIM PIN的電壓介于0.3～3 V之間，運(yùn)行在線性調(diào)光的范圍，可以線性調(diào)整LED的電流以調(diào)整LED的亮度。本文中利用DIM端口調(diào)節(jié)微亮的亮度百分比(理論上可以實(shí)現(xiàn)0～100％的亮度)。當(dāng)DIM腳的電壓大于3 V時(shí)，運(yùn)行在一般狀態(tài)，此時(shí)電流由CS腳設(shè)定LED電流，芯片的CS腳和GND腳之間有個(gè)恒定的電壓差0.2 V，這樣就可以通過一個(gè)Sensor電阻設(shè)定電流。

2.2.2開關(guān)控制電路

在LED驅(qū)動(dòng)電路中，在負(fù)載端地(LED-)和整流輸出端地(GND)之間設(shè)置一個(gè)開關(guān)控制電路，可以很方便地實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)電路回路閉合和斷開，見圖4。因?yàn)長ED驅(qū)動(dòng)電路采用的是非隔離控制方式，所以只有負(fù)載地 (LED-)和整流輸出地(GND)連接在一起，才可能形成回路，控制LED燈珠陣列的點(diǎn)亮和熄滅。

本文設(shè)計(jì)的開關(guān)控制電路，設(shè)計(jì)巧妙，簡單實(shí)用，可應(yīng)用在一定范圍的中小功率的模擬電路和數(shù)字電路中，起到開關(guān)的作用。本文是利用環(huán)境亮度感應(yīng)模塊輸出的信號(hào)控制負(fù)載輸出地(LED-)和整流輸出地(GND)是否導(dǎo)通。本文所設(shè)計(jì)的開關(guān)控制電路采用光信號(hào)控制，其電路原理如圖5所示。

開關(guān)控制電路原理如下：Vk是低電平時(shí)，三極管Q3截止，三極管Q4導(dǎo)通，Q5截止，LED-端和GND端斷開，不能形成回路，LED燈珠陣列不亮；Vk是高電平時(shí)，Q3導(dǎo)通，Q4截止，此時(shí)Vgs等于穩(wěn)壓二極管D6的電壓，所以只要穩(wěn)壓二極管的電壓大于Q5的導(dǎo)通電壓[5]，負(fù)載輸出地(LED-)和整流輸出地(GND)就可以連接在一起，形成回路，將LED燈珠陣列點(diǎn)亮。

2.2.3調(diào)光控制電路

LED主要有PWM調(diào)光、線性調(diào)光和可控硅調(diào)光三種調(diào)光方式，本文采用線性調(diào)光。TL431和PC817結(jié)合是實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源穩(wěn)壓反饋經(jīng)典的方案，本模塊正是利用這個(gè)原理對(duì)LED進(jìn)行調(diào)光。TL431是一個(gè)有良好熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源，在本模塊設(shè)計(jì)中的主要作用是為光電耦合器PC817和人體紅外感應(yīng)模塊提供基準(zhǔn)電壓。PC817是常用的線性光電耦合器，可以實(shí)現(xiàn)“電-光-電”的轉(zhuǎn)換。PC817不但可以起到反饋?zhàn)饔眠€能達(dá)到隔離的效果，對(duì)保證系統(tǒng)的安全性和可靠性十分重要。

原理如下：人體紅外感應(yīng)模塊輸出的信號(hào)PIR-OUT傳遞給光電耦合器PC817，PC817內(nèi)置的發(fā)光二極管將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，而內(nèi)置的光敏三極管再將發(fā)光二極管的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)隔離的作用。通過電阻 (圖6中的R22)，把電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，反饋到LED驅(qū)動(dòng)器的DIM端，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)LED調(diào)光，電路原理如圖6所示。LED燈珠陣列微亮這個(gè)狀態(tài)的亮度(目前是15％的亮度)是用這個(gè)電阻(R22)設(shè)置的，設(shè)置適合的電阻值就可以得到需要的亮度。

圖5　開關(guān)控制電路原理

圖6　調(diào)光控制電路原理

2.2.4系統(tǒng)的節(jié)能控制策略

節(jié)能控制策略的設(shè)計(jì)思路是：系統(tǒng)的傳感部分和控制部分協(xié)調(diào)工作，共同完成智能控制。傳感部分采集光強(qiáng)信號(hào)，如果是光線較強(qiáng)時(shí)，系統(tǒng)判定為白天，控制部分將總開關(guān)斷開，整個(gè)系統(tǒng)不工作；當(dāng)光強(qiáng)較暗時(shí)，系統(tǒng)判定為黑天，控制部分將總開關(guān)閉合，系統(tǒng)開始進(jìn)入工作狀態(tài)：紅外傳感器檢測感應(yīng)區(qū)內(nèi)是否有人，若沒有移動(dòng)的人和物體，LED燈珠陣列保持微亮(15％的亮度)，一旦檢測到移動(dòng)的人或物體，LED燈珠陣列切換到最亮(100％的亮度)。45 s的時(shí)間內(nèi)沒檢測到移動(dòng)的人或物體，轉(zhuǎn)入15％的亮度，一旦檢測到人，切換到100％的亮度。系統(tǒng)在黑天或光線弱的情況下循環(huán)反復(fù)地監(jiān)測感應(yīng)區(qū)內(nèi)移動(dòng)的人或物體，實(shí)時(shí)控制LED的狀態(tài)。設(shè)計(jì)思路流程見圖7。

圖7　系統(tǒng)的節(jié)能控制策略設(shè)計(jì)流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1測試結(jié)果與分析

LED燈珠陣列的排列結(jié)構(gòu)，直接決定LED驅(qū)動(dòng)電路的輸出電壓和電流。LED燈珠陣列一般采用先并后串的混聯(lián)結(jié)構(gòu)，并聯(lián)的燈珠電壓相等，串聯(lián)的燈珠電流相等[6]。本實(shí)驗(yàn)選用封裝是3014的燈珠，4并24串，驅(qū)動(dòng)電流為60 mA×4=240 mA，發(fā)光功率約18 W。根據(jù)計(jì)算好的參數(shù)，調(diào)整好電路的參數(shù)，最亮狀態(tài)的亮度(100％亮度)因由負(fù)載的功率決定，已經(jīng)確定。通過改變DIM端口電壓值，改變輸出負(fù)載功率，就可以調(diào)節(jié)微亮狀態(tài)時(shí)LED燈珠的亮度。測試結(jié)果如下：白天時(shí)(光線較強(qiáng))，LED燈不亮，輸出功率是0；黑天時(shí)(光強(qiáng)小于5 Lux時(shí))，測試結(jié)果如表1所示。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? D I M ? ???/V ? ?? ? ??/ V ? ? ? ? ? ? / m A 0 . 0 9 　6 1 . 2 　2 0 . 1 9 　6 3 . 0 　1 0 1 . 4 2 　6 9 . 5 　1 0 4 0 . 5 9 　6 5 . 9 　4 3 0 . 3 0 　6 4 . 3 　2 0 1 . 0 9 　6 8 . 4 　8 0 2 . 0 0 　7 1 . 6 　1 5 3 ? ? ( ? ? ??5 L ux ) 2 . 4 8 　7 3 . 1 　1 9 1 3 . 0 2 　7 5 . 1 　2 4 7 3 . 4 8 　7 5 . 1 　2 4 7 5 . 0 1 　7 5 . 1 　2 4 7 4 . 5 7 　7 5 . 1 　2 4 7 4 . 0 2 　7 5 . 1 　2 4 7

測試結(jié)果顯示，當(dāng)DIM端口電壓大于等于3.03 V，負(fù)載功率保持不變，LED燈珠陣列已經(jīng)達(dá)到最亮(100％亮度)，輸出負(fù)載電壓是75.1 V，輸出負(fù)載電流是247 mA，負(fù)載功率約18.5 W。圖8是根據(jù)測試結(jié)果計(jì)算出來的DIM端口電壓與LED燈珠微亮的亮度關(guān)系曲線。

當(dāng)DIM端口電壓越來越低，功率越來越低，LED的亮度越來越低。LED燈在亮度下降的過程中無頻閃，過渡穩(wěn)定。在晚上一般不需要全滅的狀態(tài)，因?yàn)槿梭w紅外感應(yīng)能夠檢測的距離是2～4 m，超出此范圍無法檢測到人，所以需要一個(gè)微亮的狀態(tài)，起到一定的照明效果。

圖8　DIM端口電壓與LED燈珠亮度關(guān)系曲線

3.2系統(tǒng)節(jié)省的電能

如果一天中19：30～05：30這10 h中LED燈100％亮度(按18 W計(jì)算)一直保持，則每天用電180 Wh，年用電量65.7 kWh。假設(shè)這10 h中LED燈100％亮度只保持1 h，其余9 h保持微亮的亮度，表2列出了微亮的亮度百分比，對(duì)應(yīng)可以節(jié)省的電量和節(jié)省電量的百分比。表2中的數(shù)據(jù)只是一個(gè)LED燈的數(shù)據(jù)，如果LED燈的數(shù)量是數(shù)千、數(shù)萬個(gè)，將會(huì)節(jié)省大量的電能資源。

?????????????????? ??/％ ????/kWh ????/％ 30(5.4 W) 　41.4 　63 50(9 W) 　29.5 　45 15(2.7 W) 　50.2 　76 5(0.9 W) 　56.2 　85

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種低成本的LED智能照明系統(tǒng)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此系統(tǒng)可以長時(shí)間穩(wěn)定工作，實(shí)現(xiàn)了“人來燈亮，人走微亮”的功能，15％的微量亮度時(shí)省電可以達(dá)到70％以上，5％的微量亮度時(shí)省電可以達(dá)到80％以上，達(dá)到了較好的照明效果和省電效果。而且本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，可廣泛應(yīng)用于礦井、廊道、地下停車場等場合，達(dá)到綠色照明與節(jié)能照明合一的效果。

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Low-cost intelligent system for LED lighting

LI Mi,DING Shi-dong,LI Gui-ke,ZHAO Bai-qin,WU Nan-jian
(Institute of Semiconductors,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100083,China)

A LED intelligent lighting system was introduced,the ideas of the system and specific circuit implementations were given.The signals of pyroelectric sensor and photosensitive resistance were used to control LED by switch circuit,dimming circuit and LED drive circuit simultaneously.The system was designed using low-cost pure analog circuit instead oftraditional MCU.The experimental results show that the system has merits of high stability,and high quality.Furthermore,the system had high energy saving of more than70％,so the system had some applications indoors and outdoors.

intelligent lighting;LED;linear dimming

TM 923

A

1002-087 X(2016)01-0173-04

2015-06-12

李秘(1987—)，男，北京市人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)、能量收集、嵌入式系統(tǒng)。最亮?xí)r的功率比，可以根據(jù)應(yīng)用場合的需求進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)。切換時(shí)亮度平緩過渡以避免對(duì)人眼的刺激。