基于單片機(jī)的交流LED智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：以熱釋電紅外探測(cè)器、光亮度及聲控傳感器做為照明區(qū)域的感知器件，進(jìn)行信號(hào)采集，將采集信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后傳到STC12C56 28AD單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后的控制信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)電路。根據(jù)AC LED電路的特點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)電路以雙向可控硅做為核心器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)AC LED照明的智能開啟及亮度調(diào)節(jié)。經(jīng)實(shí)際電路測(cè)試，電路工作穩(wěn)定可靠，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：AC LED；智能化；傳感器；單片機(jī)；驅(qū)動(dòng)電路

LED光源具有省電，耗電量小，發(fā)光效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈相比，有效的節(jié)約了能耗。被認(rèn)為是21世紀(jì)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(dǎo)體器件，必須提供合適的直流才能正常發(fā)光，由于我們?nèi)粘Ｊ褂玫氖?20 V的高壓交流電，所以必須使用降壓的技術(shù)獲得較低的電壓，常用的是變壓器或開關(guān)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(fā)光。因此，直流驅(qū)動(dòng)LED光源的系統(tǒng)方案必然是變壓器+整流(或開關(guān)電源)+恒流源。這2種方案系統(tǒng)都會(huì)有15％～30％的電量損耗，如果用交流直接驅(qū)動(dòng)LED光源發(fā)光，系統(tǒng)效率將很輕松地達(dá)到90％以上。目前，公共建筑的照明燈具大多仍采用手動(dòng)開關(guān)，其故障率高，只適應(yīng)于白熾燈，不適合于LED燈及其它照明設(shè)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(qū)動(dòng)LED照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(cuò)的矩陣式排列工藝分為5串，AC LED晶粒串組成類似一個(gè)整流橋，整流橋的兩端分別聯(lián)接交流電源，另兩端聯(lián)接LED晶粒，交流的正半周用實(shí)線箭頭表示電流流動(dòng)方向，有3串LED晶粒發(fā)光；負(fù)半周用虛線箭頭表示電流流動(dòng)方向，又有3串LED品粒發(fā)光；4個(gè)橋臂上的LED輪番發(fā)光，中間一串LED晶粒因共用而一直在發(fā)光。在50 Hz的交流中會(huì)以每秒50次的頻率交替點(diǎn)亮。整流橋獲得的是脈動(dòng)直流，LED的發(fā)光也是閃動(dòng)的，LED有斷電余輝續(xù)光的特性，余輝可保持幾十微秒，因人眼對(duì)流動(dòng)光點(diǎn)記憶是有惰性的，結(jié)果人對(duì)LED光源的發(fā)光+余輝的工作的解讀是連續(xù)在發(fā)光。橋臂上的LED有一半時(shí)間在工作，有一半時(shí)間在休息，因而發(fā)熱得以減少20％～40％，因此AC LED的使用壽命較DC LED長(zhǎng)。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(fā)光，只是燈的亮度稍微降低些。所以，這種設(shè)計(jì)技術(shù)是合理成熟的。AC LED成熟的產(chǎn)品如首爾半導(dǎo)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DC LED大大降低了能耗。

2 一般AC LED的照明應(yīng)用電路
AC LED的典型應(yīng)用電原理圖如圖2所示，它十分簡(jiǎn)單，在AC LED兩端分別串入正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC，和限流電阻R1、R2、R3，接上110 V或220 V交流即可進(jìn)入照明工作。
LED在大批量生產(chǎn)時(shí)，其阻抗有一定的離散性，AC LED光源生產(chǎn)商在出廠時(shí)對(duì)批量生產(chǎn)的產(chǎn)品按阻抗分檔，客戶在使用時(shí)可按LED光源廠家提供的分檔表查用相應(yīng)阻值的限流電阻。

3 智能AC LED照明系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)工作原理框圖如圖3所示，由熱紅外傳感器件、強(qiáng)光傳感器件、聲控傳感器件做為感知系統(tǒng)，傳感器信號(hào)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后傳到主控器件(CPU)STC12C5628AD，經(jīng)主控器件處理后將控制信號(hào)加到D／A轉(zhuǎn)換電路，控制信號(hào)經(jīng)放大電路放大后加到由可控硅組成的驅(qū)動(dòng)電路上，由可控硅驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制AC LED燈的開啟和關(guān)斷及明亮程度。

3．1 被動(dòng)式熱釋電紅外探測(cè)器
該探測(cè)器有3個(gè)關(guān)鍵元件：菲涅爾濾光晶片，它通過(guò)截止波長(zhǎng)8～12μm的濾光晶片，起帶通濾波器的作用，使環(huán)境的干擾受到明顯的控制；菲涅爾透鏡起聚焦作用，即將熱釋電紅外信號(hào)折射(反射)在熱釋電紅外傳感器上，第二個(gè)作用是將警戒區(qū)內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入警戒區(qū)的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式存熱釋電紅外傳感器上產(chǎn)生變化的熱釋紅外信號(hào)，這樣熱釋電紅外傳感器就能產(chǎn)生變化的電信號(hào)，熱釋電紅外傳感器將透過(guò)濾光晶片的紅外輻射能量的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，完成熱電轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)內(nèi)固化的軟件對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算加工，由控制系統(tǒng)內(nèi)的控制軟件通過(guò)控制邏輯決定是否發(fā)出開燈信號(hào)。
3．2 環(huán)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(yīng)峰值比較接近人視覺敏感區(qū)的波長(zhǎng)。并且當(dāng)明照強(qiáng)度減弱時(shí)，它的響應(yīng)時(shí)間相對(duì)增加，裝置在光照強(qiáng)度變化時(shí)，輸出狀態(tài)保持相對(duì)穩(wěn)定。所以在多種光電探測(cè)器中選擇了光敏電阻，考慮到光敏電阻對(duì)溫度變化較為敏感，偏置電路中的電阻可以采用與探測(cè)元件溫度系數(shù)相近的光敏電阻，以防止工作點(diǎn)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(shí)開啟電路和可控硅電路組成，利用聲音的相對(duì)比較，判斷是否啟動(dòng)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，聲控傳感器不斷把外界聲音的強(qiáng)度與給定強(qiáng)度比較，超過(guò)給定強(qiáng)度時(shí)，向主機(jī)發(fā)送“有聲音”信號(hào)，否則發(fā)送“沒有聲音”信號(hào)。
3．4 智能控制電路
控制系統(tǒng)采用STC12C5628AD單片機(jī)，該單片機(jī)為單時(shí)鐘／機(jī)器周期(IT)，高速／低功耗／超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路4路PWM，8路高速10位A／D轉(zhuǎn)換，廣泛用于電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文·智能照明選擇這個(gè)型號(hào)的單片機(jī)主要考慮到具有PWM和AD轉(zhuǎn)換的作用，使得外圍電路得到了大大的簡(jiǎn)化，同時(shí)產(chǎn)生的PWM信號(hào)可直接與驅(qū)動(dòng)電路相連，降低了系統(tǒng)的成本。中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文·智能照明系統(tǒng)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)民用建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(GBJI33—90)，我們控制室內(nèi)亮度在200lx左右。本設(shè)計(jì)設(shè)置了3套傳感系統(tǒng)和嚴(yán)密的軟件控制，其工作方法如下所述。
首先通過(guò)被動(dòng)熱釋電紅外探測(cè)器和環(huán)境噪聲探測(cè)判斷是否有人，并探測(cè)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)境的照度大于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)境的照度小于200 lx時(shí)，LED燈均處于開啟狀態(tài)；根據(jù)聲音的大小判斷是否需要開啟。
3．5 AC LED驅(qū)動(dòng)電路
AC LED驅(qū)動(dòng)電路，采用以雙向可控硅為核心器件的觸發(fā)電路，由單片機(jī)輸出信號(hào)經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換后，通過(guò)運(yùn)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ACLED照明電路。并根據(jù)單片機(jī)輸出信號(hào)的大小，控制可控硅的導(dǎo)通角，由可控硅電路的導(dǎo)通程度來(lái)決定AC LED照明燈的開啟和關(guān)閉及照明亮度的控制。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
程序采用模塊化設(shè)計(jì)思想，以主程序?yàn)楹诵脑O(shè)置功能模塊子程序，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)主程序調(diào)用各功能模塊子程序，因?yàn)闊艟呖刂茖?shí)時(shí)要求不高，循環(huán)控制即可滿足要求。該系統(tǒng)的軟件主要完成以下功能：信號(hào)輸入模塊實(shí)現(xiàn)相應(yīng)傳感器信號(hào)輸入單片機(jī)數(shù)據(jù)通道，在控制系統(tǒng)軟件中，分別將紅外探測(cè)器信號(hào)與聲控傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)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(guò)整流放大的環(huán)境補(bǔ)光，光強(qiáng)度探測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)與前兩路信號(hào)處理后產(chǎn)生的輸出進(jìn)行與運(yùn)算，由此產(chǎn)生決定燈具開關(guān)的開關(guān)信號(hào)。

5 設(shè)計(jì)結(jié)果的驗(yàn)證
在設(shè)計(jì)過(guò)程中，先對(duì)各單元電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、測(cè)試和調(diào)整，然后，對(duì)整體電路進(jìn)行調(diào)整和測(cè)試，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的整體測(cè)試，電路工作安全穩(wěn)定，工作可靠。達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了智能照明的目的。由于省去了DC LED交直流轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)效率可達(dá)93％以上。

6 結(jié)束語(yǔ)
AC LED智能照明系統(tǒng)為人們?nèi)粘Ｉ钫彰魈峁┝朔奖悖苊饬擞捎陬l繁開關(guān)導(dǎo)致的電路故障，AC LED照明不像DC LED燈具那樣加一個(gè)交直流交換器，這樣既降低了成本，又提高了系統(tǒng)效能，達(dá)到了節(jié)能的目的。也避免了LED光源本身沒壞，交直流轉(zhuǎn)換器先壞掉的窘境。因此，AC LED照明可廣泛用于建筑物室內(nèi)照明及路燈照明。