LED智能節(jié)能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

led被認(rèn)為是21世紀(jì)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(dá)10萬小時(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)保無污染。使用安全可靠，便于維護(hù)。我國(guó)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)開關(guān)，經(jīng)常出現(xiàn)沒有及時(shí)開關(guān)的現(xiàn)象，從而造成大量的能源浪費(fèi)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(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可以根據(jù)工作環(huán)境中是否有人員和環(huán)境補(bǔ)光亮度等來自動(dòng)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(yùn)行的。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)民用建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(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(yán)密的軟件控制，其工作方法是：

首先通過被動(dòng)熱釋電紅外探測(cè)器和環(huán)境噪聲探測(cè)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(duì)以上情況，本系統(tǒng)以MCS一51單片機(jī)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(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(dòng)電路和照明系統(tǒng)。

傳感器單元

被動(dòng)式熱釋電紅外探測(cè)器

被動(dòng)紅外探測(cè)器有三個(gè)關(guān)鍵性的元件：

菲涅爾濾光晶片，它通過截止波長(zhǎng)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(hào)折射在PIR(熱釋電紅外傳感器)上，第二個(gè)作用是探測(cè)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(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)的控制軟件通過控制邏輯來決定是否發(fā)出開燈信號(hào)。

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(hào)，即熱電轉(zhuǎn)換。

因此在被動(dòng)紅外探測(cè)器的警戒區(qū)內(nèi)，當(dāng)無人體移動(dòng)時(shí)，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的只是背景溫度，當(dāng)人體進(jìn)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(hào)被采集到伺服系統(tǒng)以后，由軟件對(duì)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(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行延時(shí)比較，以判斷是否真的有人等紅外線源進(jìn)入警戒區(qū)，還是只是環(huán)境波動(dòng)，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(cè)傳感部分軟硬件主要是通過探測(cè)環(huán)境紅外線變化來判斷是否有人進(jìn)入需要照明的警戒區(qū)。 匹配低噪放大器的作用是當(dāng)探測(cè)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(duì)放大器的增益進(jìn)行補(bǔ)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(gè)點(diǎn)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(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(duì)控制軟件增加相應(yīng)的控制模塊，主要是因?yàn)榻ㄖ?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(cè)

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

可見光探測(cè)器

通過對(duì)光電管、光敏電阻等光電探測(cè)器的各種性能進(jìn)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(zhǎng)。其次是當(dāng)光照強(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?？紤]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)元件溫變系數(shù)相近的光敏電阻，以防止工作點(diǎn)漂移。 另外在內(nèi)部的軟件設(shè)計(jì)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(jí)留出空間，為硬件系統(tǒng)的充分利用打下基礎(chǔ)，并對(duì)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(jī)作為照明系統(tǒng)的核心，單片機(jī)的品種規(guī)格很多，選取的原則是盡量使系統(tǒng)簡(jiǎn)單、性能可靠、成本低。我們選用IntEL的8051單片機(jī)，其內(nèi)含128字節(jié)的RAM，32條I／o線、2個(gè)8位常數(shù)可自動(dòng)重裝的8位定時(shí)器／記數(shù)器。單片機(jī)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(jī)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。可控硅(SCR)調(diào)光器，多用于可控整流、逆變、調(diào)壓電路，很容易進(jìn)行電流的調(diào)光，通過電壓限制的調(diào)整，能進(jìn)一步延長(zhǎng)燈的壽命。

LED照明系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電路

我們采用1w的白光LED，發(fā)光效率601m／W，預(yù)計(jì)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(hù)系數(shù)，A一室內(nèi)面積。

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

下面討論設(shè)計(jì)LED燈的主要問題：

·驅(qū)動(dòng)電源的選用

我們選用的AP一28320發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)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(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(wěn)定的單向脈動(dòng)恒定電流。驅(qū)動(dòng)器使用高頻脈寬調(diào)制開關(guān)變換電路實(shí)現(xiàn)恒流控制，變換效率高，可達(dá)85％以上，工作穩(wěn)定。驅(qū)動(dòng)器為全密閉模塊封裝結(jié)構(gòu)，適合在高濕度，高粉塵，強(qiáng)震動(dòng)，對(duì)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(jí)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(gè)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(dòng)電壓至少要150V，安全性減低。如果全部并聯(lián)連接，有一路開或短路，則1電流不均衡，影響燈具使用壽命。

從驅(qū)動(dòng)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(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(dān)心一個(gè)問題，就是一個(gè)發(fā)光管開路整串都不亮了。我們對(duì)樣燈打過高壓，也作了突波實(shí)驗(yàn)。從應(yīng)用實(shí)踐上看，只要驅(qū)動(dòng)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(qiáng)的過電流的能力，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(yīng)以串聯(lián)為主，這樣發(fā)光管才有穩(wěn)定、一致的電流，對(duì)提高燈的壽命有利。 由于管數(shù)太多，全部串聯(lián)其驅(qū)動(dòng)電壓太高，不得不連串帶并，所以混聯(lián)。專用的LED驅(qū)動(dòng)器一般是電流源，既然LED驅(qū)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(qū)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

解決散熱問題主要靠合理的燈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。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(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(duì)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(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(jī)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(jì)

本程序采用模塊化設(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)行過程中通過主程序調(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)的工作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，分別將紅外線探測(cè)器的信號(hào)與聲音傳感器的信號(hào)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(bǔ)光光強(qiáng)度探測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)分兩路，一路為布爾值，并與前兩路信號(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)，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(hào)編碼輸出到系統(tǒng)的輸出模塊，達(dá)到控制LED發(fā)光亮度的目的。達(dá)到智能照明的目的。

由于實(shí)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(jī)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(yùn)行能使程序在跑飛狀態(tài)下產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，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(yùn)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。