LED智能節能照明控制系統的設計

led被認為是21世紀的照明光源。LED發(fā)光器件是冷光源，光效高，工作電壓低，而且能耗低，同樣亮度下，LED能耗為白熾燈的10％，熒光燈的50％。LED壽命可達10萬(wàn)小時(shí)，是熒光燈的10倍，白熾燈的100倍。用LED替代白熾燈或熒光燈，環(huán)保無(wú)污染。使用安全可靠，便于維護。我國照明用電占總發(fā)電量的12％。目前，公共建筑的照明燈具控制大多采用手動(dòng)開(kāi)關(guān)，經(jīng)常出現沒(méi)有及時(shí)開(kāi)關(guān)的現象，從而造成大量的能源浪費和使用上的不便。另外，不必要的使用，也會(huì )縮短燈具的使用壽命。本文闡述了一套LED智能照明控制系統設計方案，可以根據工作環(huán)境中是否有人員和環(huán)境補光亮度等來(lái)自動(dòng)控制照明的開(kāi)關(guān)和亮度。采用本系統具有提高用電效率，節約電能和緩解了用電高峰的電力供應壓力雙重作用。 系統主控模塊功能

這套節能照明控制系統是在大慶石油學(xué)院現代教育中心中控室安裝試運行的。根據國家標準民用建筑照明設計標準(GBJl33-90)，我們控制室內亮度在2001x左右。

本控制器設置了3套傳感系統和嚴密的軟件控制，其工作方法是：

首先通過(guò)被動(dòng)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(méi)人，所有LED燈均不開(kāi)。如果有人，分成二種情況：

·若需要照明的環(huán)境的照度X>200 lx時(shí)，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(shí)，LED照明燈具處于開(kāi)啟狀態(tài)，并且隨著(zhù)環(huán)境照度調節LED燈具的照度，LED燈具釋放到室內的平均照度為E=200－x。

硬件飼服控制系統

針對以上情況，本系統以MCS一51單片機為核心，組成一個(gè)集采集、處理、控制為一身的自動(dòng)控制系統。其框圖見(jiàn)圖1。

它主要由三部分組成：傳感器單元，控制器單元，LED驅動(dòng)電路和照明系統。

傳感器單元

被動(dòng)式熱釋電紅外探測器

被動(dòng)紅外探測器有三個(gè)關(guān)鍵性的元件：

菲涅爾濾光晶片，它通過(guò)截止波長(cháng)8～12μm的菲涅爾濾光晶片，起帶通濾波器的作用，使環(huán)境的干擾受到明顯的控制作用。

菲涅爾透鏡，作用有兩個(gè)：一是聚焦作用，即將熱釋的紅外信號折射在PIR(熱釋電紅外傳感器)上，第二個(gè)作用是探測警戒區內紅外線(xiàn)能量的變化，并由系統內固化軟件對所采集的數據進(jìn)行運算加工，由控制系統內的控制軟件通過(guò)控制邏輯來(lái)決定是否發(fā)出開(kāi)燈信號。

熱釋電紅外傳感器(PIR)將透過(guò)濾光晶片的紅外輻射能量的變化轉換成電信號，即熱電轉換。

因此在被動(dòng)紅外探測器的警戒區內，當無(wú)人體移動(dòng)時(shí)，熱釋電紅外感應器感應到的只是背景溫度，當人體進(jìn)人警戒區，通過(guò)菲涅爾透鏡，熱釋電紅外感應器感應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以后，由軟件對該新采集的數據與系統內存中已經(jīng)存在的前期探測數據進(jìn)行延時(shí)比較，以判斷是否真的有人等紅外線(xiàn)源進(jìn)入警戒區，還是只是環(huán)境波動(dòng)，甚至是元件自身內部噪聲的影響，以免發(fā)生誤判斷。因此，紅外探測傳感部分軟硬件主要是通過(guò)探測環(huán)境紅外線(xiàn)變化來(lái)判斷是否有人進(jìn)入需要照明的警戒區。 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(shí)，傳感器的靈敏度下降，經(jīng)由它對放大器的增益進(jìn)行補償，增加其靈敏度。

另外由于距離等衰減因素的存在，溫度傳感器和內部軟件的初始數據并不需要定在37℃這個(gè)點(diǎn)上，而是要綜合環(huán)境因素，元件靈敏度最近線(xiàn)性能區段來(lái)定初始值。一般都會(huì )低于人體溫度，這恰好也是元件比較靈敏且元件比較接近最近線(xiàn)性的區段。

若在建筑公共區間使用該系統還要考慮隨著(zhù)季節變化而采用不同的初始值，并對控制軟件增加相應的控制模塊，主要是因為建筑內公共區間的溫度變化要比室內溫度變化范圍要大一些，情況也復雜一些。 環(huán)境噪聲探測

主要是通過(guò)探測環(huán)境中人類(lèi)日?；顒?dòng)所產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行探測，并與紅外線(xiàn)部分的數據在系統內部進(jìn)行或運算，以補償在環(huán)境溫度非常接近人體時(shí)紅外探測不敏感而無(wú)法判定是否有人進(jìn)入需要照明的區域。

可見(jiàn)光探測器

通過(guò)對光電管、光敏電阻等光電探測器的各種性能進(jìn)行比較，發(fā)現光敏電阻的光譜響應峰值比較接近人視覺(jué)敏感區的波長(cháng)。其次是當光照強度減弱時(shí)，它的響應時(shí)間相對增加，裝置在光照強度變化時(shí)，輸出狀態(tài)保持相對穩定?？紤]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相近的光敏電阻，以防止工作點(diǎn)漂移。 另外在內部的軟件設計上主要取接近人眼最敏感的感應數據區間，這樣一是減少控制系統的誤判幾率，另外也使得程序的數據區空間縮小到最小，為以后軟件的再升級留出空間，為硬件系統的充分利用打下基礎，并對系統的總體硬件成本控制起到重要作用。

控制單元

我們采用單片機作為照明系統的核心，單片機的品種規格很多，選取的原則是盡量使系統簡(jiǎn)單、性能可靠、成本低。我們選用IntEL的8051單片機，其內含128字節的RAM，32條I／o線(xiàn)、2個(gè)8位常數可自動(dòng)重裝的8位定時(shí)器／記數器。單片機輸出脈沖經(jīng)隔離、功率放大后可直接接至可控硅控制極，控制可控硅。為降低來(lái)自電網(wǎng)的干擾，由單片機I／o線(xiàn)產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖，必須經(jīng)隔離后送至可控硅的控制電路中?？煽毓?SCR)調光器，多用于可控整流、逆變、調壓電路，很容易進(jìn)行電流的調光，通過(guò)電壓限制的調整，能進(jìn)一步延長(cháng)燈的壽命。

LED照明系統和驅動(dòng)電路

我們采用1w的白光LED，發(fā)光效率601m／W，預計室內亮度在2001x左右。

由平均亮度公式：

式中E一平均照度，φ一光源的光通量，N一燈具數，u一燈具的利用系數，K一維護系數，A一室內面積。

考慮到室外亮度越低，對室內亮度的補償越小，所以我們安裝400個(gè)LED，全部點(diǎn)亮其室內亮度可達2081x。

下面討論設計LED燈的主要問(wèn)題：

·驅動(dòng)電源的選用

我們選用的AP一28320發(fā)光二極管驅動(dòng)器是制作一體化半導體燈的專(zhuān)用電源變換器，用于安裝在半導體燈內部，串聯(lián)驅動(dòng)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320rrLA穩定的單向脈動(dòng)恒定電流。驅動(dòng)器使用高頻脈寬調制開(kāi)關(guān)變換電路實(shí)現恒流控制，變換效率高，可達85％以上，工作穩定。驅動(dòng)器為全密閉模塊封裝結構，適合在高濕度，高粉塵，強震動(dòng)，對防爆有一定要求等環(huán)境下使用，非常適合室內使用，經(jīng)過(guò)軟件升級也可用于建筑物公共區間照明使用。 ·LED燈的連接方式

目前成熟應用的都是單粒1W的LED，很顯然，做這樣一個(gè)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(wèn)題。

如果全部串聯(lián)連接，如果有一粒LED開(kāi)路損壞，則整燈不亮，而且50支LED全部串聯(lián)，其驅動(dòng)電壓至少要150V，安全性減低。如果全部并聯(lián)連接，有一路開(kāi)或短路，則1電流不均衡，影響燈具使用壽命。

從驅動(dòng)技術(shù)和發(fā)光管的特性來(lái)看，多只發(fā)光管組應該優(yōu)先使用串聯(lián)方案。這樣，只要驅動(dòng)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(gè)問(wèn)題，就是一個(gè)發(fā)光管開(kāi)路整串都不亮了。我們對樣燈打過(guò)高壓，也作了突波實(shí)驗。從應用實(shí)踐上看，只要驅動(dòng)不失控，給發(fā)光管的電流合適，發(fā)光管很少見(jiàn)到開(kāi)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(guò)電流的能力，比如300mA的1瓦發(fā)光管短時(shí)間加600n1A的電流也不會(huì )壞。所以，使用發(fā)光管時(shí)應以串聯(lián)為主，這樣發(fā)光管才有穩定、一致的電流，對提高燈的壽命有利。 由于管數太多，全部串聯(lián)其驅動(dòng)電壓太高，不得不連串帶并，所以混聯(lián)。專(zhuān)用的LED驅動(dòng)器一般是電流源，既然LED驅動(dòng)器提供的是一個(gè)恒定的電流，多串并聯(lián)時(shí)就必須輔以外部均流措施，均衡地把驅動(dòng)器提供的總電流分配給每一串，最簡(jiǎn)單的辦法就是每一串里串一個(gè)電阻均流。多串并聯(lián)時(shí)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。電組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。

·散熱方式

解決散熱問(wèn)題主要靠合理的燈體結構設計。解決方案是使用薄金屬板做基板，LED可以按照使用的發(fā)光管的數目在鋁板上打好孔徑和發(fā)光管外徑相同的孔，兩個(gè)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(shí)產(chǎn)生的熱量可以通過(guò)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(guò)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構。

·LED照明控制模塊

我們將400個(gè)LED分10組，每組40個(gè)。每組采用一個(gè)AP一28320作為電流源，用單片機控制可控硅的輸出來(lái)調節LED的發(fā)光亮度?？稍诳煽毓鑳啥瞬⒙?lián)阻容吸收回路，用來(lái)吸收AP-28320與可控硅產(chǎn)生的諧波干擾。連接方式如圖2。

軟件設計

本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(jiǎn)化了設計結構。運行過(guò)程中通過(guò)主程序調用各功能模塊子程序，因為燈具控制實(shí)時(shí)要求不高，循環(huán)控制即可滿(mǎn)足要求。該系統的工作軟件主要完成以下功能：信號輸入模塊實(shí)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，分別將紅外線(xiàn)探測器的信號與聲音傳感器的信號經(jīng)過(guò)整流放大數字化后處理成開(kāi)關(guān)的布爾型數據，然后相或。經(jīng)過(guò)整流放大的環(huán)境補光光強度探測系統產(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(jìn)行與運算，由此產(chǎn)生決定燈具開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)信號，另外一路將環(huán)境數據A／D轉換，然后作為系統調節亮度的控制信號編碼輸出到系統的輸出模塊，達到控制LED發(fā)光亮度的目的。達到智能照明的目的。

由于實(shí)際使用環(huán)境的復雜性及存在著(zhù)各種各樣的干擾因素，尤其是大量手機帶來(lái)的電磁干擾。因此系統的可靠性需使用抗干擾技術(shù)來(lái)維持。這里用到的抗干擾技術(shù)是看門(mén)狗技術(shù)(WDT)?？撮T(mén)狗的運行能使程序在跑飛狀態(tài)下產(chǎn)生復位信號，有效防止程序跑飛。

結語(yǔ)

這套系統自在大慶石油學(xué)院現代教育中心中控室試運行以來(lái)，節能超過(guò)50％，節能效果非常明顯。我們還試制了LED路燈，安裝到6米的路燈上，發(fā)出的是柔和的白光，視覺(jué)效果超過(guò)了高壓鈉燈，自安裝以來(lái)，沒(méi)有發(fā)現光衰現象，非常穩定。