LED智能節(jié)能照明控制系統(tǒng)的設(shè)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10萬小時，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開關(guān)，經(jīng)常出現(xiàn)沒有及時開關(guān)的現(xiàn)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(tǒng)設(shè)計方案，可以根據(jù)工作環(huán)境中是否有人員和環(huán)境補光亮度等來自動控制照明的開關(guān)和亮度。采用本系統(tǒng)具有提高用電效率，節(jié)約電能和緩解了用電高峰的電力供應(yīng)壓力雙重作用。 系統(tǒng)主控模塊功能

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

本控制器設(shè)置了3套傳感系統(tǒng)和嚴密的軟件控制，其工作方法是：

首先通過被動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。如果沒人，所有LED燈均不開。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，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，LED照明燈具處于開啟狀態(tài)，并且隨著環(huán)境照度調(diào)節(jié)LED燈具的照度，LED燈具釋放到室內(nèi)的平均照度為E=200－x。

硬件飼服控制系統(tǒng)

針對以上情況，本系統(tǒng)以MCS一51單片機為核心，組成一個集采集、處理、控制為一身的自動控制系統(tǒng)。其框圖見圖1。

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

傳感器單元

被動式熱釋電紅外探測器

被動紅外探測器有三個關(guān)鍵性的元件：

菲涅爾濾光晶片，它通過截止波長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：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，第二個作用是探測警戒區(qū)內(nèi)紅外線能量的變化，并由系統(tǒng)內(nèi)固化軟件對所采集的數(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來決定是否發(fā)出開燈信號。

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

因此在被動紅外探測器的警戒區(qū)內(nèi)，當無人體移動時，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的只是背景溫度，當人體進人警戒區(qū)，通過菲涅爾透鏡，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)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(tǒng)以后，由軟件對該新采集的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)內(nèi)存中已經(jīng)存在的前期探測數(shù)據(jù)進行延時比較，以判斷是否真的有人等紅外線源進入警戒區(qū)，還是只是環(huán)境波動，甚至是元件自身內(nèi)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探測環(huán)境紅外線變化來判斷是否有人進入需要照明的警戒區(qū)。 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，傳感器的靈敏度下降，經(jīng)由它對放大器的增益進行補償，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(nèi)部軟件的初始數(shù)據(jù)并不需要定在37℃這個點上，而是要綜合環(huán)境因素，元件靈敏度最近線性能區(qū)段來定初始值。一般都會低于人體溫度，這恰好也是元件比較靈敏且元件比較接近最近線性的區(qū)段。

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

主要是通過探測環(huán)境中人類日常活動所產(chǎn)生的噪聲進行探測，并與紅外線部分的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)部進行或運算，以補償在環(huán)境溫度非常接近人體時紅外探測不敏感而無法判定是否有人進入需要照明的區(qū)域。

可見光探測器

通過對光電管、光敏電阻等光電探測器的各種性能進行比較，發(fā)現(xiàn)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。其次是當光照強度減弱時，它的響應(yīng)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?？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(shù)相近的光敏電阻，以防止工作點漂移。 另外在內(nèi)部的軟件設(shè)計上主要取接近人眼最敏感的感應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)間，這樣一是減少控制系統(tǒng)的誤判幾率，另外也使得程序的數(shù)據(jù)區(qū)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(tǒng)的充分利用打下基礎(chǔ)，并對系統(tǒng)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(tǒng)的核心，單片機的品種規(guī)格很多，選取的原則是盡量使系統(tǒng)簡單、性能可靠、成本低。我們選用IntEL的8051單片機，其內(nèi)含128字節(jié)的RAM，32條I／o線、2個8位常數(shù)可自動重裝的8位定時器／記數(shù)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。為降低來自電網(wǎng)的干擾，由單片機I／o線產(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(diào)光器，多用于可控整流、逆變、調(diào)壓電路，很容易進行電流的調(diào)光，通過電壓限制的調(diào)整，能進一步延長燈的壽命。

LED照明系統(tǒng)和驅(qū)動電路

我們采用1w的白光LED，發(fā)光效率601m／W，預(yù)計室內(nèi)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(shù)，u一燈具的利用系數(shù)，K一維護系數(shù)，A一室內(nèi)面積。

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

下面討論設(shè)計LED燈的主要問題：

·驅(qū)動電源的選用

我們選用的AP一28320發(fā)光二極管驅(qū)動器是制作一體化半導(dǎo)體燈的專用電源變換器，用于安裝在半導(dǎo)體燈內(nèi)部，串聯(lián)驅(qū)動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(wěn)定的單向脈動恒定電流。驅(qū)動器使用高頻脈寬調(diào)制開關(guān)變換電路實現(xiàn)恒流控制，變換效率高，可達85％以上，工作穩(wěn)定。驅(qū)動器為全密閉模塊封裝結(jié)構(gòu)，適合在高濕度，高粉塵，強震動，對防爆有一定要求等環(huán)境下使用，非常適合室內(nèi)使用，經(jīng)過軟件升級也可用于建筑物公共區(qū)間照明使用。 ·LED燈的連接方式

目前成熟應(yīng)用的都是單粒1W的LED，很顯然，做這樣一個半導(dǎo)體燈要用50只發(fā)光管。50只LED全部串聯(lián)，或者并聯(lián)都存在一些問題。

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

從驅(qū)動技術(shù)和發(fā)光管的特性來看，多只發(fā)光管組應(yīng)該優(yōu)先使用串聯(lián)方案。這樣，只要驅(qū)動器給的電流合適，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(dān)心一個問題，就是一個發(fā)光管開路整串都不亮了。我們對樣燈打過高壓，也作了突波實驗。從應(yīng)用實踐上看，只要驅(qū)動不失控，給發(fā)光管的電流合適，發(fā)光管很少見到開路的情況，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)光管都有很強的過電流的能力，比如300mA的1瓦發(fā)光管短時間加600n1A的電流也不會壞。所以，使用發(fā)光管時應(yīng)以串聯(lián)為主，這樣發(fā)光管才有穩(wěn)定、一致的電流，對提高燈的壽命有利。 由于管數(shù)太多，全部串聯(lián)其驅(qū)動電壓太高，不得不連串帶并，所以混聯(lián)。專用的LED驅(qū)動器一般是電流源，既然LED驅(qū)動器提供的是一個恒定的電流，多串并聯(lián)時就必須輔以外部均流措施，均衡地把驅(qū)動器提供的總電流分配給每一串，最簡單的辦法就是每一串里串一個電阻均流。多串并聯(lián)時首先是要使各串發(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

解決散熱問題主要靠合理的燈體結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)目在鋁板上打好孔徑和發(fā)光管外徑相同的孔，兩個孔間距離為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，燈具工作時產(chǎn)生的熱量可以通過金屬板傳導(dǎo)到金屬外殼上，金屬外殼暴露在空氣中，熱量可以通過輻射和對流散去。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(jié)構(gòu)。

·LED照明控制模塊

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

軟件設(shè)計

本程序采用模塊化設(shè)計思想。以主程序為核心設(shè)置功能模塊子程序，簡化了設(shè)計結(jié)構(gòu)。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)的工作軟件主要完成以下功能：信號輸入模塊實現(xiàn)相應(yīng)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，分別將紅外線探測器的信號與聲音傳感器的信號經(jīng)過整流放大數(shù)字化后處理成開關(guān)的布爾型數(shù)據(jù)，然后相或。經(jīng)過整流放大的環(huán)境補光光強度探測系統(tǒng)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)生的輸出進行與運算，由此產(chǎn)生決定燈具開關(guān)的開關(guān)信號，另外一路將環(huán)境數(shù)據(jù)A／D轉(zhuǎn)換，然后作為系統(tǒng)調(diào)節(jié)亮度的控制信號編碼輸出到系統(tǒng)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。

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

結(jié)語

這套系統(tǒng)自在大慶石油學(xué)院現(xiàn)代教育中心中控室試運行以來，節(jié)能超過50％，節(jié)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，視覺效果超過了高壓鈉燈，自安裝以來，沒有發(fā)現(xiàn)光衰現(xiàn)象，非常穩(wěn)定。