ＬＥＤ智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計

楊軍平　吳欣慧　秦長海

引言

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

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。LED是一個非線性器件，當LED導通時，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，使電流過大甚至導致發(fā)熱損壞。恒流源驅(qū)動是最佳的LED驅(qū)動方式。采用恒流源驅(qū)動，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型恒流源，另一種是開關(guān)電源式恒流源。線性電源改進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。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)動元件。目前公共建筑的照明燈具控制大多仍采用手動開關(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)動控制系統(tǒng)設(shè)計方案，可以根據(jù)不同的工作環(huán)境的要求亮度來自動控制照明的開關(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，具有提高用電效率，節(jié)約電能的效果。

系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于μ PD78F0034為主控器件設(shè)計的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)進行計算處理，將處理過的信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，運算放大去驅(qū)動LED驅(qū)動電路和顯示電路。

熱紅外傳感器

熱紅外傳感器有三個關(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)進行運算加工，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。因此在被動紅外探測器的警戒區(qū)內(nèi)，當無人體移動時，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的只是背景溫度，當人體進人警戒區(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)進行延時比較，以判斷是否真的有人等紅外線源進入警戒區(qū)，還是只是環(huán)境波動，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，傳感器的靈敏度下降，經(jīng)由它對放大器的增益進行補償，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℃這個點上，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)境中人類日常活動所產(chǎn)生的噪聲，并與紅外線部分的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)部進行或運算，以補償在環(huán)境溫度非常接近人體時紅外探測不敏感而無法判定是否有人進入需要照明的區(qū)域。

強光傳感器

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。并且當光照強度減弱時，它的響應(yīng)時間相對增加，裝置在光照強度變化時，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。考慮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度與給定強度比較。超過給定的強度時，向主機發(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)國家標準民用建筑照明設(shè)計標準(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)和嚴密的軟件控制，其工作方法如下所述。

首先通過被動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，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，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驅(qū)動電路。

驅(qū)動電路

我們選用AP-28320發(fā)光二極管驅(qū)動器，制作一體化半導體燈的專用電源變換器，用于安裝在半導體燈內(nèi)部，串聯(lián)驅(qū)動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)定的單向脈動恒定電流。驅(qū)動器使用高頻脈寬調(diào)制開關(guān)變換電路實現(xiàn)恒流控制。變換效率高，可達85％以上，工作穩(wěn)定。驅(qū)動器為全密閉模塊封裝結(jié)構(gòu)，適合在高濕度，高粉塵，強震動，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，做這樣一個半導體燈要用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)使用大家常常擔心一個問題，就是一個發(fā)光管開路整串都不亮了。我們對樣燈打過高壓，也作了突波實驗。從應(yīng)用宴踐上看，只要驅(qū)動

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)光管都有很強的過電流的能力，比如300mA的1瓦發(fā)光管短時間加600mA的電流也不會壞。所以，使用發(fā)光管時應(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)動電壓太高，不得不連串帶并，混聯(lián)。專用的LED驅(qū)動器一般是電流源，既然LED驅(qū)動器提供的是一個恒定的電流。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電阻均流。多串并聯(lián)時首先是要使各串發(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LEDiE向壓降，∑v，≤0.9Vin。

顯示電路

我們將400個LED分10組。每組40個。每組采用一個AP-28320作為電流源，用單片機控制可控硅的輸出來調(diào)節(jié)LED的發(fā)光亮度。可在可控硅兩端并聯(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)亮度的補償越小。所以我們安裝400個LED，全部點亮其室內(nèi)亮度可達2081x。

解決散熱問題主要靠合理的燈體結(jié)構(gòu)設(shè)計。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，燈具工作時產(chǎn)生的熱量可以通過金屬板傳導到金屬外殼上。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

程序采用模塊化設(shè)計思想。以主程序為核心設(shè)置功能模塊子程序。簡化了設(shè)計結(jié)構(gòu)。運行過程中通過主程序調(diào)用各功能模塊子程序，因為燈具控制實時要求不高，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：信號輸入模塊實現(xiàn)相應(yīng)傳感器信號輸入單片機數(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)境補光，光強度探測系統(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)生的輸出進行與運算，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。達到控制LED發(fā)光亮度的目的，實現(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)化率級計算可達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)，不僅能夠有效的實現(xiàn)LED照明系統(tǒng)智能化控制，還能夠達到節(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)曾在實驗室進行長達一年的實驗，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、功能易于擴展等優(yōu)點，為智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計提供一種新的設(shè)計方法，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。