基于單片機的AC LED智能照明系統(tǒng)設計

LED光源具有省電，耗電量小，發(fā)光效率高、壽命長等優(yōu)點。與傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈相比，有效的節(jié)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(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(fā)光。因此，直流驅(qū)動LED光源的系統(tǒng)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(tǒng)都會有15％～30％的電量損耗，如果用交流直接驅(qū)動LED光源發(fā)光，系統(tǒng)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(qū)動LED照明系統(tǒng)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，AC LED晶粒串組成類似一個整流橋，整流橋的兩端分別聯(lián)接交流電源，另兩端聯(lián)接LED晶粒，交流的正半周用實線箭頭表示電流流動方向，有3串LED晶粒發(fā)光；負半周用虛線箭頭表示電流流動方向，又有3串LED品粒發(fā)光；4個橋臂上的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(fā)光也是閃動的，LED有斷電余輝續(xù)光的特性，余輝可保持幾十微秒，因人眼對流動光點記憶是有惰性的，結果人對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有一半時間在工作，有一半時間在休息，因而發(fā)熱得以減少20％～40％，因此AC LED的使用壽命較DC LED長。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，這種設計技術是合理成熟的。AC LED成熟的產(chǎn)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DC LED大大降低了能耗。


2 一般AC LED的照明應用電路

AC LED的典型應用電原理圖如圖2所示，它十分簡單，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交流即可進入照明工作。

LED在大批量生產(chǎn)時，其阻抗有一定的離散性，AC LED光源生產(chǎn)商在出廠時對批量生產(chǎn)的產(chǎn)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(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)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(tǒng)，傳感器信號經(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加到D／A轉(zhuǎn)換電路，控制信號經(jīng)放大電路放大后加到由可控硅組成的驅(qū)動電路上，由可控硅驅(qū)動電路來控制AC LED燈的開啟和關斷及明亮程度。


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(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折射(反射)在熱釋電紅外傳感器上，第二個作用是將警戒區(qū)內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入警戒區(qū)的移動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，這樣熱釋電紅外傳感器就能產(chǎn)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(zhuǎn)換成電信號，完成熱電轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)內(nèi)固化的軟件對所采集的數(shù)據(jù)進行運算加工，由控制系統(tǒng)內(nèi)的控制軟件通過控制邏輯決定是否發(fā)出開燈信號。

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峰值比較接近人視覺敏感區(qū)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(tài)保持相對穩(wěn)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(shù)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(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度與給定強度比較，超過給定強度時，向主機發(fā)送“有聲音”信號，否則發(fā)送“沒有聲音”信號。

3．4 智能控制電路

控制系統(tǒng)采用STC12C5628AD單片機，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(tǒng)8051，但速度快8～12倍，內(nèi)部集成MAX810專用復位電路4路PWM，8路高速10位A／D轉(zhuǎn)換，廣泛用于電機控制，強干擾場合。中國照明網(wǎng)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(zhuǎn)換的作用，使得外圍電路得到了大大的簡化，同時產(chǎn)生的PWM信號可直接與驅(qū)動電路相連，降低了系統(tǒng)的成本。中國照明網(wǎng)技術論文·智能照明系統(tǒng)根據(jù)國家標準民用建筑照明設計標準(GBJI33—90)，我們控制室內(nèi)亮度在200lx左右。本設計設置了3套傳感系統(tǒng)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(huán)境噪聲探測判斷是否有人，并探測環(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，LED照明燈具處于關閉狀態(tài)；若需要照明的環(huán)境的照度小于200 lx時，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)動電路

AC LED驅(qū)動電路，采用以雙向可控硅為核心器件的觸發(fā)電路，由單片機輸出信號經(jīng)D／A轉(zhuǎn)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ACLED照明電路。并根據(jù)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(tǒng)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(diào)用各功能模塊子程序，因為燈具控制實時要求不高，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：信號輸入模塊實現(xiàn)相應傳感器信號輸入單片機數(shù)據(jù)通道，在控制系統(tǒng)軟件中，分別將紅外探測器信號與聲控傳感器信號經(jīng)過整流放大數(shù)字化后處理成開關的布爾型數(shù)據(jù)，然后相或，經(jīng)過整流放大的環(huán)境補光，光強度探測系統(tǒng)產(chǎn)生的信號與前兩路信號處理后產(chǎn)生的輸出進行與運算，由此產(chǎn)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(diào)整，然后，對整體電路進行調(diào)整和測試，通過對系統(tǒng)的整體測試，電路工作安全穩(wěn)定，工作可靠。達到了設計要求，實現(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)，通過測試系統(tǒng)效率可達93％以上。

6 結束語

AC LED智能照明系統(tǒng)為人們?nèi)粘Ｉ钫彰魈峁┝朔奖?，避免了由于頻繁開關導致的電路故障，AC LED照明不像DC LED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(tǒng)效能，達到了節(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。