LED教室灯自动开关及自适应调光系统

收稿日期 2015 06 18 LED 教室灯自动开关及自适应调光系统教室灯自动开关及自适应调光系统 摘要摘要 随着 LED 灯的发展 对其功能的探索也如火如荼的进行着 本文利用图像传感 器和光敏电阻 通过单片机的控制来实现对 LED 教室灯的自动开关和自动调光功能 系统 采用光敏电阻检测环境亮度 利用了 CMOS 图像传感器人进入前后图像的变化来实现自动 开关的功能 采用温度传感器 DS18B20 检测 LED 的温度 传感器检测到的信号经过预处 理传给单片机 经单片机处理后控制 LED 灯的开关和亮度 关键词关键词 CMOS 图像传感器 LED 调光 温度传感器 DS18B20 中文分类号 中文分类号 分类号 1 分类号 2 LED the classroom light automatic switch and adaptive adjustable optical intensity sys tem Abstract with the development of LED lights to explore its function also in full swi ng In this paper using image sensor and photosensitive resistance through single chip mi crocomputer to realize the control of automatic switch to LED the classroom light and aut omatic dimming function System using photosensitive resistance testing environment bright ness use the CMOS image sensor entered before and after the change of the image to re alize the function of automatic switch the temperature sensor DS18B20 temperature meas urement of LED sensor detects the signal after pretreatment to the single chip microcompu ter by single chip microcomputer control switch and brightness of LED lights Key words CMOS image sensors LED light dimmer temperature sensor DS18B20 CLASSNO Classification number 1 Classification number 2 1 引言引言 1 1 LED 自动开关自动开关 我国是一个资源紧缺的国家 但在日常的生活中 人们并没有意识到这一点 高效的 照明技术得到人们的广泛关注 LED 以其高效率 低功耗 低电压驱动 使用寿命长等优 点 被越来越多的应用在各种照明场合 在可预见的将来可能完全取代传统的白炽灯 荧 光灯照明 给照明产业带来革命性的变化 以室内照明为例 在很多公共场合中都采用手 动开关 经常出现没有及时关灯的现象 从而造成能源的浪费 也会缩短灯具的使用寿命 针对这一现象 有必要研究一种智能开关系统 该系统利用智能传感器 COMS 图像传感器 来检测是否有人在教室学习来控制灯的开关 以保持不浪费资源 1 2 LED 自适应调光自适应调光 LED 与白炽灯相比有一个显著的不同点 LED 的发光亮度与流过 LED 正向电流的大 小基本上成正比例关系 利用它的这个特点 通过光传感器测量周围的环境亮度 根据测 量值改变 LED 的发光亮度 实现维持周围环境亮度在某个水平 构建出让人们心情愉快的 工作场合 这样不仅营造出具有恒定亮度的舒适环境 而且能够充分利用自然照明 大大 节约能源 因此 对 LED 自适应调光技术的研究显得格外地重要 2 智能控制系统智能控制系统 系统采用光敏电阻检测环境亮度 CMOS 图像传感器检测人进入前后图片变化 温度检测 模块检测 LED 的温度 传感器检测到的信号经过预处理传给单片机 经单片机处理后控 制 LED 灯的开关和亮度 系统框图如图 1 所示 热释电红外传感器 COMS 图像传感器 温度检测模块 单 片 机 LED 驱动 LED 收稿日期 2015 06 18 图 1 系统整体模块 本系统把教室分为不同的区域 假设有四个区域 首先由 COMS 图像传感器储存教室不同区域无人时的图片到数据库 假设当 有人进入时 热释电红外传感器检测 图像传感器工作 得到当时的相片 然后在数据库对比分析 光照系统满足 图片变化 通过单片机控制 LED 驱动 从而 区的灯打开 而其他区域 的灯因为无人进入 故仍处于关闭状态 达到节能的效果 当 LED 亮后 根据教室的光照 情况 通过环境亮度检测模块来自动调节 LED 的亮度 使学生能在舒适的光照条件下学习 当学生离开时 图片变化处理 检测到无人 一段时间后自动熄灭 3 硬件系统硬件系统 3 1 COMS 图像传感器及热释电红外传感器图像传感器及热释电红外传感器 图 2 COMS 图像传感器框图 CMOS 英文全名 Complementary Metal Oxide Semiconductor 互补性氧化金属半导体 CMOS 的材质主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体 使其在 CMOS 上共存着带 N 带 电 和 P 带 电 级的半导体 这两个互补效应所产生的电流即可被处理 晶片纪录和解读成影像 环境亮度检测模块 控 制 电 路 灵敏放大器 垂 直 移 位 寄 存 器 水平移位寄存器 时序电路 COMS 图像传感器列阵 输出放大器 无人仍然 灭 无人仍然 灭 有人亮 无人仍然 灭 收稿日期 2015 06 18 CMOS 传感器的主要应用也是图像的采集 也要求能够适应更宽的光照范围 因此也 必须采用非线性的处理方法和自动调整曝光时间与自动增益等处理方法 结果与 CCD 相机 一样损失了光电转换的线性 正因为此项 它也受限于灰度的测量 CMOS 图像传感器的突出优点在于输出特性 它可以部分输出任意区域范围内的图像 并非所有 CMOS 传感器都具有这个功能 如果生产厂家没有给您提供 这个特性在跟踪 寻的 搜索及室外拍照等的应用前景非常之好 也是 CCD 传感器所无法办到的 CMOS 应用半导体工业常用的 MOS 工艺 可以一次整合全部周边设施于单晶片中 节省加工晶片所需负担的成本和效率的损失 相对地 CCD 采用电荷传递的方式输出 必 须另开传输通道 如果通道中有一个像素故障 Fail 就会导致一整排的信号壅塞 无 法传递 因此 CCD 的效率比 CMOS 低 加上另开传输通道和外加 ADC 等周边 CCD 的 制造成本相对高于 CMOS 光谱响应受半导体材料限制 同种硅材料的光谱响应基本一致 与 CCD 的光谱响应 基本一致 由于 CCD 图像传感器的制造工艺与 CMOS 集成电路的制造工艺兼容 所以用 于 CCD 图像传感器作光电转换阵列时 除敏感元件阵列外 摄像头所必须的其他电路 都只能制作在其余的集成电路芯片上 正因为如此 与 CCD 摄像头相比 CMOS 摄像头 具有功耗低 集成度高 价格低廉 体积小和使用方便等优点 热释电红外传感器在结构上引入场效应管 其目的在于完成阻抗变换 由于热电元输 出的是电荷信号 并不能直接使用 因而需要用电阻将其转换为电压形式 故引入的 N 沟 道结型场效应管应接成共漏形式来完成阻抗变换 热释电红外传感器由传感探测元 干涉 滤光片和场效应管匹配器三部分组成 设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片 并在 它的两面镀上金属电极 然后加电对其进行极化 这样便制成了热释电探测元 由于加电极化的电压是有极性的 因此极化后的探测元也是有正 负极性的 该传感 器将两个极性相反 特性一致的探测元串接在一起 目的是消除因环境和自身变化引起的 干扰 它利用两个极性相反 大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到 补偿 对于辐射至传感器的红外辐射 热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜 将其聚焦后加至两个探测元上 从而使传感器输出电压信号 制造热释电红外探测元的高 热电材料是一种广谱材料 它的探测波长范围为 0 2 20um 为了对某一波长范围的红外辐 射有较高的敏度 该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片 这种滤波片除了允许某些波 长范围的红外辐射通过外 还能将灯光 阳光和其它红外辐射拒之门外 收稿日期 2015 06 18 图 3 热释电内部结构图 图 4 整个图像检测及处理模块 人体都有恒定的体温 一般在 37 会发出特定波长 10 m 左右的红外线 人体辐 射的红外光线经过菲涅耳透镜汇集在 PIR 的 2 块探测元上 当人体移动时 红外辐射强 度发生变化 探测元表面的电荷强度发生变化 经内部场效应管放大就有信号输出 3 2 DS18B20 温度传感器硬件连接及介绍温度传感器硬件连接及介绍 DS1820 数字温度计以 9 位数字量的形式反映器件的温度值 DS1820 通过一个单线接 口发送或接收信息 因此在中央微处理器和 DS1820 之间仅需一条连接线 加上地线 用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得 无需外部电源 为每个 DS1820 都有 一个独特的片序列号 所以多只 DS1820 可以同时连在一根单线总线上 这样就可以把温 度传感器放在许不同的地方 这一特性在 HVAC 环境控制 探测建筑物 仪器或机器的温度 以及过程监测和控制等方面非常有用 图的方框图示出了 DS1820 的主要部件 DS1820 有 三个主要数字部件 1 64 位激光 ROM 2 温度传感器 3 非易失性温度报警触发器 TH 和 TL 器件用如下方式从单线通讯线上汲取能量 在信号线处于高电平期间把能量储 存在内部电容里 在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作直到高电平到来再给寄 生电源 电容 充电 DS1820 也可用外部 5V 电源供电 热释电红外传感器COMS 图像传感器 数据库比较 基准电源 驱动 电源 收稿日期 2015 06 18 图 5 DS18B20 模块图 DS1820 依靠一个单线端口通讯 在单线端口条件下 必须先建立 ROM 操作协议 才 能进行存储器和控制操作 因此 控制器必须首先提供下面 5 个 ROM 操作命令之一 1 读 ROM 2 匹配 ROM 3 搜索 ROM 4 跳过 ROM 5 报警搜索 这些命令对每个 器件的激光 ROM 部分进行操作 在单线总线上挂有多个器件时 可以区分出单个器件 同时可以向总线控制器指明有多少器件或是什么型号的器件 成功执行完一条 ROM 操作 序列后 即可进行存储器和控制操作 控制器可以提供 6 条存储器和控制操作指令中的任 一条 一条控制操作命令指示 DS1820 完成一次温度测量 测量结果放在 DS1820 的暂存 器里 用一条读暂存器内容的存储器操作命令可以把暂存器中数据读出 温度报警触发器 TH 和 TL 各由一个 EEPROM 字节构成 如果没有对 DS1820 使用报警搜索命令 这些寄存 器可以作为一般用途的用户存储器使用 可以用一条存储器操作命令对 TH 和 TL 进行写 入 对这些寄存器的读出需要通过暂存器 所有数据都是以最低有效位在前的方式进行读 写 图 6 DS18B20 硬件图 3 3 环境亮度检测模块环境亮度检测模块 光敏电阻是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器 对光线十分敏感 这里用 它来检测环境亮度 光敏电阻作为光电式传感器的一种 它具有灵敏度高 光谱响应范围 宽 体积小 重量轻 机械强度高 耐冲击 耐振动 抗过载能力强和寿命长等特点 所 以选择光敏电阻采集光照信号 并且把不同的光照强度转化为不同的电阻值 把光敏电阻 串联在直流电路中即可把不同的电阻值转化为不同的电压值 它的电阻值能随着外界光照强弱的变化而变化 它在无光照射时 呈高阻状态 当周 围光线变弱时 引起光敏电阻组织增加 使加在电容两端的分压上升 进而使可控硅的导 通角增加 打到增大照明灯两端电压的目的 反之 若周围的光线变亮 则 RG 的阻值降 低 导致可控硅的导通角变小 照明灯两端电压也同时下降 使灯光变暗 从而实现对灯 光照度的控制 收稿日期 2015 06 18 图 7 光敏电阻调光电路 3 4 LED 驱动模块驱动模块 系统采用 PT4115 驱动 LED PT4115 芯片外围电路简单 输出电压范围很宽 从 8 30 V 最大输出电流 1 2 A 复用引脚 DIM 可以进行 LED 开关 模拟调光 PWM 调光 驱动电路如下所示 PT4115 采用 PWM 调光 当 DIM 引脚电压低于 0 3V 时关断 LED 电流 高于 2 5 V 时开启 LED 电流 PWM 调光的基本原理是保持 LED 正向导通电流恒定 而通过控制电流 导通和关断的时间比例 即控制每个周期电流导通的时间 通过 PWM 调光 LED 的输出 电流可以从 0 到 100 变化 PWM 调光相对于传统的线性调光 不影响 LED 的光效 PWM 调光的优势是 LED 正向导通的电流一直是恒定的 LED 的色度就不会像模拟调光那 样会变化 PWM 调光可以在精确控