節(jié)能型智能公共設(shè)施照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡 清，杜月云

(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 商丘 476000)

節(jié)能型智能公共設(shè)施照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡 清，杜月云

(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 商丘 476000)

利用人體紅外熱釋電傳感器和光照度傳感器產(chǎn)生信號(hào)，通過單片機(jī)處理，以PWM方式對(duì)LED燈進(jìn)行調(diào)光，提出了一套用于公共設(shè)施節(jié)能智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案.經(jīng)測(cè)試，該控制系統(tǒng)功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性穩(wěn)定性高，可廣泛用于教室、辦公場(chǎng)所等公共設(shè)施的室內(nèi)外照明.

智能控制；人體紅外；STC15F2K60S2單片機(jī)；PWM調(diào)光；LED照明

隨著全球能源持續(xù)性緊張，新能源設(shè)備的開發(fā)與利用越來越受到世界各國(guó)的重視.LED是一種能發(fā)光的半導(dǎo)體器件，與以前沿用的白熾燈、節(jié)能燈等相比，具有體積小、能耗低、亮度高、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好、制作材料無污染等優(yōu)點(diǎn).如今，LED燈的應(yīng)用已經(jīng)從原來的指示燈廣泛延伸到國(guó)防、科技等領(lǐng)域設(shè)備當(dāng)中，尤其是在生活等領(lǐng)域LED燈得到了廣泛的應(yīng)用[1]24-39,[2]15-26.

在公共設(shè)施和現(xiàn)代大型建筑中出現(xiàn)室內(nèi)無人或自然光強(qiáng)度高的情況下，室內(nèi)燈光仍處于最大亮度的打開狀態(tài)，造成照明能源浪費(fèi)的現(xiàn)象.本項(xiàng)目是根據(jù)室內(nèi)自然光的強(qiáng)弱進(jìn)行控制和“人來燈亮，人走燈滅”的原則設(shè)計(jì)一款智能公共設(shè)施照明系統(tǒng)，可以根據(jù)需要自動(dòng)開啟照明系統(tǒng)并調(diào)節(jié)其亮度；在保證必要照明的同時(shí)，縮短了燈具的工作時(shí)間，減少了能源浪費(fèi)，延長(zhǎng)了燈具的使用壽命.

1 節(jié)能智能照明系統(tǒng)總體概述

系統(tǒng)工作原理：通過光照度傳感模塊檢測(cè)到當(dāng)自然光照度低于某一設(shè)定值，且人體紅外傳感模塊檢測(cè)到有人進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，啟動(dòng)系統(tǒng)工作，并由智能控制MCU將輸入的光照信號(hào)和紅外信號(hào)進(jìn)行模數(shù)處理，以PWM方式通過LED降壓恒流源驅(qū)動(dòng)芯片PT4115控制點(diǎn)亮多個(gè)LED燈.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

2 節(jié)能智能照明系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 MCU設(shè)計(jì)

系統(tǒng)核心芯片采用宏晶公司的低功耗高性能的STC15F2K60S2單片機(jī)[3]71-80，該芯片采用增強(qiáng)型8051內(nèi)核，1個(gè)(時(shí)鐘)機(jī)器周期，執(zhí)行速度比標(biāo)準(zhǔn)的8051快8～12倍，主要性能為：

1)內(nèi)部集成60KB Flash程序存儲(chǔ)器、1KB數(shù)據(jù)Flash、2048字節(jié)的SRAM

2)至多擁有42個(gè)I/O口，可設(shè)置4種工作模式，每個(gè)I/O口的驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)20 mA

3)3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器

4)3通道(捕獲/比較)單元，還可用于實(shí)現(xiàn)3路D/A或3個(gè)定時(shí)器或3個(gè)外部中斷

5)2個(gè)全雙工異步通信口(UART)和1個(gè)高速同步通信口(SPI)

6)8通道的10位ADC

7)內(nèi)置高可靠復(fù)位電路和硬件看門狗電路(WDT)

8)內(nèi)部集成高精度R/C時(shí)鐘，無須外加晶振時(shí)鐘電路

2.2 環(huán)境光度檢測(cè)模塊

本文對(duì)光照度傳感器ql5528、APDS-9008、BH1750進(jìn)行了對(duì)比：ql5528是光敏電阻傳感器，利用光的強(qiáng)度與阻值成反比的規(guī)律，通過檢測(cè)電壓得到光照度參數(shù)；BH1750是半導(dǎo)體制造商ROHM為適應(yīng)小型精密家電背景燈要求而開發(fā)出的具有優(yōu)良光譜靈敏度特性的16位串行輸出的單片數(shù)字照度傳感器，BH1750與主控制器之間的通訊使用標(biāo)準(zhǔn)的I2C通訊協(xié)議；APDS-9008是一款低成本小型化表面貼裝環(huán)境亮度傳感器，可以應(yīng)用在廣泛的便攜式電子產(chǎn)品背光控制上，根據(jù)光照度參數(shù)直接輸出電流信號(hào).根據(jù)本項(xiàng)目的精度要求和核心芯片的內(nèi)部資源，選用了APDS-9008作為環(huán)境光度檢測(cè)模塊.本系統(tǒng)采用+5 V電源給芯片供電，通過IOUT引腳輸出模擬電流信號(hào)，送給單片機(jī)STC15F2K60S2的P1.0引腳，進(jìn)行AD處理得到數(shù)字信號(hào)，具體電路如圖2所示.

圖2 APDS-9008 光照度傳感器電路

2.3 人體紅外檢測(cè)模塊

本系統(tǒng)人體紅外檢測(cè)模塊采用的是HC-SR501熱釋電傳感器，通過檢測(cè)是否有人存在，控制照明系統(tǒng)的啟用和斷開，并對(duì)室內(nèi)的燈光場(chǎng)景進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)[4]49-52.基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊HC-SR501采用778探頭設(shè)計(jì)，工作電壓較低，具備高可靠性和靈敏度，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制產(chǎn)品中，特點(diǎn)如下：

1)工作電壓較寬：DC5V～20 V

2)具有感應(yīng)封鎖時(shí)間0.2 s，延時(shí)時(shí)間可調(diào)(0.3～18 s)

3)輻射照面覆蓋了特殊的菲泥爾濾光片，提高了僅對(duì)人體的紅外輻射敏感度

4)具有溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

5)全自動(dòng)感應(yīng)模式：當(dāng)有人進(jìn)入到感應(yīng)區(qū)時(shí)輸出高電平，當(dāng)人離開感應(yīng)區(qū)后自動(dòng)延時(shí)后輸出低電平

6)感應(yīng)范圍：小于120°錐角，7 m以內(nèi)

7)工作溫度：-15°～+70°

該模塊有3個(gè)引腳：VCC接+5v、GND接地、OUT接STC15F2K60S2的一個(gè)I/O口，如圖3所示.

圖3 人體紅外熱釋電傳感器電路圖

圖3中BISS0001是一款以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外開關(guān)，性能可靠，能自動(dòng)快速開啟各類光源，適用于室內(nèi)的敏感區(qū)域，本系統(tǒng)還增加了一個(gè)用于電路保護(hù)的穩(wěn)壓管7133-1.

2.4 LED調(diào)光模塊

LED調(diào)光方式主要有線性調(diào)光、PWM 調(diào)光、和可控硅調(diào)光3種.PWM調(diào)光是通過數(shù)字編碼的方式調(diào)制方波的占空比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的控制，占空比的大小與電流輸出強(qiáng)弱關(guān)系如圖4所示.通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼[5]51-54,[6]30-33.只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM 進(jìn)行編碼.

圖4 PWM調(diào)光波型

系統(tǒng)采用PowerTech公司生產(chǎn)的降壓恒流源芯片PT4115作為核心器件，利用PWM方式進(jìn)行調(diào)光.該芯片工作在連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式，可用來驅(qū)動(dòng)一顆或多顆串聯(lián)LED,電路圖如圖5所示.

圖5 LED調(diào)光驅(qū)動(dòng)電路圖

PT4115和電流采樣電阻Rs電感L以及續(xù)流二極管D5形成一個(gè)自震蕩的連續(xù)電感電流模式恒流源LED控制器.

LED的最大平均電流由鏈接在VIN和CSN兩端的電阻Rs決定，計(jì)算如公式(1)：

由上式看出，只要合理設(shè)置采樣電阻Rs，就能控制流過LED電路的電流值大小.

將微處理器輸出的PWM信號(hào)送給PT4115的DIM引腳，當(dāng)DIM引腳VP低于0.3V時(shí)，關(guān)斷LED電流；若VP介于0.5V～2.5V之間，電流值的計(jì)算如公式(2)所示；VP介于2.5V～5V之間，LED電流值的計(jì)算如公式(3)所示.

本系統(tǒng)采用了3個(gè)1W的白光燈珠串聯(lián)構(gòu)成發(fā)光電路，+12V電源給VIN供電，通過LED串的最大電流為350mA，Rs為0.27Ω.PWM的調(diào)光頻率應(yīng)在100Hz～20KHz之間，當(dāng)頻率低于100Hz時(shí)LED會(huì)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，因此選用PWM的調(diào)光頻率為5KHz.

3 節(jié)能智能照明系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及測(cè)試

系統(tǒng)以中斷的方式對(duì)光照度傳感器進(jìn)行定時(shí)檢測(cè)，獲得當(dāng)前光強(qiáng)度信息，并由單片機(jī)對(duì)信息進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào).HC-SR501人體紅外熱釋電傳感器用于檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境，若室內(nèi)有人則輸出高電平，同時(shí)將測(cè)得的光照度值進(jìn)行10位數(shù)模轉(zhuǎn)換，經(jīng)單片機(jī)處理后以PWM方式輸出到PT4115的DIM引腳，智能控制室內(nèi)LED燈的亮度.軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示.

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程圖

分別在室內(nèi)有人和無人及光照度不同的條件下，進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，獲得不同的LED亮度數(shù)據(jù)，經(jīng)過對(duì)比，證明該系統(tǒng)能夠很好地完成智能控制LED燈的目的.

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)完成的節(jié)能型智能公共設(shè)施照明系統(tǒng)具有低功耗、高可靠性、高性價(jià)比、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于實(shí)施等特點(diǎn)，特別適用于學(xué)校教室、辦公室等公共場(chǎng)所，完全能夠達(dá)到“人來燈亮，人走燈滅”的設(shè)計(jì)要求，從而達(dá)到最大限度的節(jié)約能源的目的，具有較高的實(shí)用價(jià)值.

[1] 程曉亮.樓宇智能LED控制系統(tǒng)的研究[D].天津:天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，2014．

[2] 梁人杰.智能照明控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來展望[J].照明工程學(xué)報(bào)，2014( 02)．

[3] 賈冬穎,王 巍.基于STC單片機(jī)LED智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].照明工程學(xué)報(bào),2010，21(02).

[4] 周志敏,紀(jì)愛華.LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)與電路實(shí)例[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[5] 駱 華，黃勇堅(jiān)，劉 偉，等.基于ZigBee和STM32的室內(nèi)智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2014(12)．

[6] 夏 麗.智能LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].西安:西安電子科技大學(xué)，2014.

[責(zé)任編輯 梧桐雨]

A Design of Energy-Saving Intelligent Lighting System Used for Public Facilities

HU Qing, DU Yueyun

(ShangqiuPolytechnic,Shangqiu476000,China)

The paper put forward a set of design used for public facilities and energy saving of intelligent lighting system to dim light leds in PWM way using the human body infrared pyroelectric sensor and light sensor signal through the MCU processing. After the test, the control system is of low power consumption, simple structure, reliability, high stability; therefore, it can be widely used in classrooms, offices and other public facilities, indoor and outdoor lighting.

intelligent control; human infrared; STC15F2K60S2; PWM Dimming; LED lighting

2016-12-19

胡 清(1977- )，女，河南商丘人，商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，主要從事智能控制、電子信息、精密儀器研究。

TM921.5；TM923

A

1671-8127(2017)04-0080-04