感控式LED燈箱廣告牌的設計*

□ 王 喆 □ 佀 昊 □ 王一鳴

武漢理工大學 機電工程學院 武漢 430070

LED燈箱廣告牌是近年來迅速發展起來的一種新型廣告牌，它應用獨特的導光板技術，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、發光面光線均勻等優點，迅速占領了小型廣告牌市場。但是由于此類產品缺乏一個合理的行業標準，導致LED燈箱廣告牌經大量推廣之后凸顯出許多問題。近年來，國內外學者在LED廣告牌領域做了很多研究，但是主要集中在廣告牌的結構穩定性設計及廣告牌的視覺效果設計上［1］［2］，鮮見于節能環保方面的研究。 所以 LED燈箱廣告牌的電能浪費問題一直未能得到有效解決。經調查發現，目前市面上LED燈箱廣告牌主要存在以下不足：①開啟、關閉時間固定，不能隨著四季的交替而變化；②亮度值恒定，無法自動調節，較暗環境下會出現光污染［3］；③深夜人少時仍持續發光，浪費了大量的電能。

為此，筆者從縮短工作時間和調節發光亮度兩個方面入手，構思設計了一種感控式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算機MPC-21W3的智能LCD電子廣告牌節能系統，使用Intel?AtomTMN270處理器自動調節面板的LCD背光亮度，達到不錯的節能省電的功效。不過由于成本等原因，此節能系統在LED燈箱廣告牌中并不適用。本設計采用單片機89C52作為系統控制核心，光線傳感器、熱釋電紅外傳感器為主要感應器件，通過對時間設定、環境光強檢測和人流量檢測的綜合應用，達到了提高用電效率、節約電能、減少光污染的效果。另外，用戶可根據需求自由選擇各功能模塊的使用，擴大了作品的適用范圍。同時，本設計附帶的人流量統計功能，可以獲取不同時段客流信息，從而為商家制定科學的營銷策略提供參考依據，實現經濟與環境“雙贏”的目標。

1 功能模式設計

1.1 室外功能模式設計

本設計作為室外功能模式，基本工作過程見表1。

表1 室外功能模式表

（1）自適應調光功能。一般情況下屏幕的亮度大于環境亮度60%就會引起眼部不適［5］，故設定本設計亮度始終比環境光亮度高30%，亮度調節下限為30 lx，上限為 200 lx。

（2）人體感應功能。廣告牌在7 m（可調）范圍內檢測到人體，以30 lx（勒克斯）初始亮度開啟并在3 s內逐漸達到適宜亮度；人離開此范圍之后，經過30 s的延時，廣告牌在3 s內逐漸熄滅。

（3）人流量統計功能。單片機記錄熱釋電傳感器的觸發時間，通過內部算法轉化為人流量數據；以串口通信的方式將數據傳輸至上位機中，經過軟件分析實現各時段人流量的柱狀圖顯示。

1.2 室內功能模式設計

用戶可以根據不同需要通過按鍵選擇功能或調節閾值，從而適合室內不同環境下的使用。例如，應用在樓道、電梯等場所時，主要用到人體感應功能；應用在商場、展區等場所時，主要用到自適應調光功能。下面以樓道為例來介紹室內功能模式，基本工作過程見表2。

表2 室內功能模式表

2 控制系統硬件電路設計

系統硬件電路主要由89C52單片機最小系統、按鍵和顯示模塊構成，其硬件電路總框圖如圖1所示。89C52單片機接收光線傳感電路模塊和人體感應電路模塊的輸入信號，經內部時鐘及中斷處理，向LED驅動及PWM調光模塊輸出控制信號。同時，單片機持續檢測鍵盤的輸入信號，判斷用戶的功能選擇及閾值設置。此外，單片機記錄熱釋電傳感器的觸發時間，通過內部算法轉化為人流量數據，并以串口通信的方式與計算機接口相連，實現數據的傳送。

圖1 總體框圖設計

2.1 光線感應模塊

該模塊主要由光敏電阻、運算放大電路和A/D芯片TLC549構成。當環境光亮度增強時，光敏電阻Rp的阻值減小，通過運算放大電路處理，使得out端輸出電壓減小；同理，當環境光亮度減弱時，out端輸出電壓增大。A/D芯片TLC549接收運算放大電路輸出的模擬電壓信號，經內部運算輸出數字電壓信號給單片機。仿真電路圖如圖2所示。

圖2 光線感應模塊仿真電路圖

2.2 人體感應模塊

該模塊主要由菲涅爾透鏡、熱釋電傳感器RE200B和TX0001芯片構成，熱釋電傳感器內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。當有人進入傳感器監測范圍時，因人體溫度與環境溫度有ΔT的差別，使兩電極之間產生微弱的電壓差ΔV，經過TX0001芯片放大，輸出高電平給單片機。在此過程中，菲涅爾透鏡起到了增大感應距離和提高感應精度的作用。仿真電路圖如圖3所示。

圖3 人體感應模塊硬件仿真電路圖

2.3 LED驅動及PWM調光模塊

該模塊主要由運算放大器和差分輸出電路［7］構成，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，進而控制LED的發光亮度。具體過程如下：當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PWM處于高電平時，Input大于VT_H，使能EN轉換，此時VT選通VT_L，輸出導通電流給LED，并實現一定的電壓遲滯。本模塊通過PWM信號的變化控制內部功率管的開關，達到控制輸出電流的目的。仿真電路圖如圖4所示。

圖4 LED驅動及PWM調光模塊仿真電路圖

3 軟件設計

本系統的軟件采用C語言編寫。系統的主程序運行流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

4 試驗分析

目前市面上普遍采用40W的節能燈管或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，并在此基礎上實現廣告牌的二次節能。通過實物測試表明，感控式LED燈箱廣告牌能很好地完成預設模式下的各項功能。另外，以每天工作12 h計算，用功率計量插座測得節能燈燈箱廣告牌、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燈箱廣告牌相比節能燈燈箱廣告牌節電80%，相比普通LED燈箱廣告牌節電55%，節能效果顯著。

5 結論

本設計主要有以下4個特點：

（1）按環境光亮度的百分比確定LED亮度，有效地減少了光污染。

（2）綜合考慮環境光強、人流量等因素，功能設計更為人性化。

（3）各功能模塊可隨用戶需求自由選擇，擴大了作品適用范圍。

（4）增加顯示各時段人流量信息的功能，使產品更具商業價值。

在日常生活中，感控式LED燈箱廣告牌的適用范圍非常廣泛，如街道兩旁的商業廣告，公共場所設置的公益廣告，室內裝飾燈箱，各類路線指示牌、操作指南牌等。在實現低碳環保、綠色節能的同時，本設計的自適應調光，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；人流量統計功能可幫助商家制定出科學的營銷策略，增強了廣告牌的商業推廣價值。

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