基于單片機的交流LED智能照明系統設計

孔維成，李 悅，劉 璞，舒德泉

（總參謀部通信訓練基地教研部實驗室 河北 張家口 075100）

LED光源具有省電，耗電量小，發光效率高、壽命長等優點。與傳統的白熾燈、熒光燈相比，有效的節約了能耗。被認為是21世紀的綠色照明光源。目前的LED光源是低電壓（VF=2～3.6 V），大電流（IF=200～1 500 mA）工作的半導體器件，必須提供合適的直流才能正常發光，由于我們日常使用的是220 V的高壓交流電，所以必須使用降壓的技術獲得較低的電壓，常用的是變壓器或開關電源降壓，然后將交流變成直流，再變成直流恒流源，才能促使LED光源發光。因此，直流驅動LED光源的系統方案必然是變壓器+整流 （或開關電源）+恒流源。這2種方案系統都會有15%～30%的電量損耗，如果用交流直接驅動LED光源發光，系統效率將很輕松地達到90%以上。目前，公共建筑的照明燈具大多仍采用手動開關，其故障率高，只適應于白熾燈，不適合于LED燈及其它照明設施的使用，下面我們介紹一套基于傳感器、微控器控制的AC直接驅動LED照明系統的設計方案。

1 AC LED光源的工作原理

AC LED光源的工作原理如圖1（a）所示，LED輸入、輸出電壓波形如圖1（b）所示。將一堆LED微小晶粒采用交錯的矩陣式排列工藝分為5串，ACLED晶粒串組成類似一個整流橋，整流橋的兩端分別聯接交流電源，另兩端聯接LED晶粒，交流的正半周用實線箭頭表示電流流動方向，有3串LED晶粒發光；負半周用虛線箭頭表示電流流動方向，又有3串LED晶粒發光；4個橋臂上的LED輪番發光，中間一串LED晶粒因共用而一直在發光。在50 Hz的交流中會以每秒50次的頻率交替點亮。整流橋獲得的是脈動直流，LED的發光也是閃動的，LED有斷電余輝續光的特性，余輝可保持幾十微秒，因人眼對流動光點記憶是有惰性的，結果人對LED光源的發光+余輝的工作的解讀是連續在發光。橋臂上的LED有一半時間在工作，有一半時間在休息，因而發熱得以減少20%～40%，因此ACLED的使用壽命較DCLED長。即使中間一串LED故障，通常也是擊穿短路故障，擊穿后電阻很小，仍然不影響橋臂上LED發光，只是燈的亮度稍微降低些[1]。所以，這種設計技術是合理成熟的。ACLED成熟的產品如首爾半導體的AC110 V的AX3201，工作電流為40 mA；AC220 V的AX3221及 AX3231，工作電流為20 mA被廣泛用于照明。相比于DCLED大大降低了能耗。

2 一般AC LED的照明應用電路

ACLED的典型應用電原理圖如圖2所示，它十分簡單，在ACLED兩端分別串入正溫度系數熱敏電阻PTC，和限流

圖1 ACLED工作原理圖Fig.1 ACLED work schematic

電阻R1、R2、R3，接上110 V或220 V交流即可進入照明工作。

圖2 ACLED基本照明應用電路Fig.2 Basic lighting application circuit

LED在大批量生產時，其阻抗有一定的離散性，AC LED光源生產商在出廠時對批量生產的產品按阻抗分檔，客戶在使用時可按LED光源廠家提供的分檔表查用相應阻值的限流電阻。

3 智能AC LED照明系統硬件設計

系統工作原理框圖如圖3所示，由熱紅外傳感器件、強光傳感器件、聲控傳感器件做為感知系統，傳感器信號經A/D轉換后傳到主控器件[2]（CPU）STC12C5628AD，經主控器件處理后將控制信號加到D/A轉換電路，控制信號經放大電路放大后加到由可控硅組成的驅動電路上，由可控硅驅動電路來控制ACLED燈的開啟和關斷及明亮程度。

圖3 系統工作原理框圖Fig.3 The system block diagram

3.1 被動式熱釋電紅外探測器

該探測器有3個關鍵元件:菲涅爾濾光晶片，它通過截止波長8～12μm的濾光晶片，起帶通濾波器的作用，使環境的干擾受到明顯的控制；菲涅爾透鏡起聚焦作用，即將熱釋電紅外信號折射（反射）在熱釋電紅外傳感器上，第二個作用是將警戒區內分為若干個明區和暗區，使進入警戒區的移動物體能以溫度變化的形式在熱釋電紅外傳感器上產生變化的熱釋紅外信號，這樣熱釋電紅外傳感器就能產生變化的電信號，熱釋電紅外傳感器將透過濾光晶片的紅外輻射能量的變化轉換成電信號，完成熱電轉換，系統內固化的軟件對所采集的數據進行運算加工，由控制系統內的控制軟件通過控制邏輯決定是否發出開燈信號。

3.2 環境亮度傳感器

此傳感模塊的核心器件是光敏電阻。光敏電阻的光譜響應峰值比較接近人視覺敏感區的波長。并且當明照強度減弱時，它的響應時間相對增加，裝置在光照強度變化時，輸出狀態保持相對穩定。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度系數相近的光敏電阻，以防止工作點漂移。

3.3 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，使用調節器可以調節給定聲控傳感器的初始值，聲控傳感器不斷把外界聲音的強度與給定強度比較，超過給定強度時，向主機發送“有聲音”信號，否則發送“沒有聲音”信號。

3.4 智能控制電路

控制系統采用STC12C5628AD單片機[3]，該單片機為單時鐘/機器周期（IT），高速/低功耗/超強抗干擾的新一代 8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍，內部集成MAX810專用復位電路。4路PWM，8路高速10位A/D轉換，廣泛用于電機控制，強干擾場合。中國照明網技術論文·智能照明選擇這個型號的單片機主要考慮到具有PWM和AD轉換的作用，使得外圍電路得到了大大的簡化，同時產生的PWM信號可直接與驅動電路相連，降低了系統的成本。中國照明網技術論文·智能照明系統根據國家標準民用建筑照明設計標準（GBJI33-90），我們控制室內亮度在200lx左右。本設計設置了3套傳感系統和嚴密的軟件控制，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境噪聲探測判斷是否有人，并探測環境亮度。如果沒人，所有LED燈均不開[5]，如果有人，分成兩種情況：若需要照明的環境的照度大于200 lx時，LED照明燈具處于關閉狀態；若需要照明的環境的照度小于200 lx時，LED燈均處于開啟狀態；根據聲音的大小判斷是否需要開啟。

3.5 AC LED 驅動電路

ACLED驅動電路，采用以雙向可控硅為核心器件的觸發電路[4]，由單片機輸出信號經D/A轉換后，通過運算放大器放大，然后接通雙向可控硅電路，由雙向可控硅電路接通AC LED照明電路。并根據單片機輸出信號的大小，控制可控硅的導通角，由可控硅電路的導通程度來決定AC LED照明燈的開啟和關閉及照明亮度的控制。

4 系統軟件設計

程序采用模塊化設計思想，以主程序為核心設置功能模塊子程序，簡化了設計結構。運行過程中通過主程序調用各功能模塊子程序[6]，因為燈具控制實時要求不高，循環控制即可滿足要求。該系統的軟件主要完成以下功能：信號輸入模塊實現相應傳感器信號輸入單片機數據通道，在控制系統軟件中，分別將紅外探測器信號與聲控傳感器信號經過整流放大數字化后處理成開關的布爾型數據，然后相或，經過整流放大的環境補光，光強度探測系統產生的信號與前兩路信號處理后產生的輸出進行與運算，由此產生決定燈具開關的開關信號。

5 設計結果的驗證

在設計過程中，先對各單元電路進行實驗、測試和調整，然后，對整體電路進行調整和測試，通過對系統的整體測試，電路工作安全穩定，工作可靠。達到了設計要求，實現了智能照明的目的。由于省去了DCLED交直流轉換的環節，通過測試系統效率可達93%以上。

6 結束語

ACLED智能照明系統為人們日常生活照明提供了方便，避免了由于頻繁開關導致的電路故障，ACLED照明不像DCLED燈具那樣加一個交直流交換器，這樣既降低了成本，又提高了系統效能，達到了節能的目的。也避免了LED光源本身沒壞，交直流轉換器先壞掉的窘境。因此，AC LED照明可廣泛用于建筑物室內照明及路燈照明。

[1]程江華，謝劍斌，丁文霞，等.白光LED電源驅動電路的設計與實現[J].電子技術，2005（8）：51-52.CHENG Jiang-hua，XIE Jian-bin，DING Wen-xia，et al.Design and implementation of the white LED power drive circuit[J].Electronic Technology，2005（8）：51-52.

[2]周志敏，周紀海，紀愛華，等.LED驅動電路設計與應用[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[3]沈慧.大功率照明LED恒流驅動芯片的設計 [D].杭州：浙江大學，2006.

[4]Eichhorn K.LEDsin automotivelighting[J].SPIE，2006（6134）：1-6.

[5]魏惠鳳，秦大為.大功率LED路燈驅動電源的設計[J].電工技術，2009（5）：78-80.WEI Hui-feng，QIN Da-wei.The design of high-power LED street lamp drive power[J].Electrician Technology，2009（5）：78-80.

[6]居大鵬.LED驅動器的調光技術[J].電子產品世界，2010（11）:34-36.JU Da-peng.LED driver’s dimming technology[J].The world of Electronic Products，2010（11）:34-36.