LED智能节能照明控制系统的设计

LED 智能节能照明控制系统的设计智能节能照明控制系统的设计 The Design of Intelligent Saving Energy and Illumination Controlling System of LED 作者 梁宏宝 白林 朱安庆 大庆石油学院 大庆 163711 时间 2008 02 05来源 电子产品世界 摘要 摘要 介绍了一种 LED 智能节能照明控制系统设计 给出了系统的软硬件设计和控制流程 关键词 关键词 智能 LED 节能 照明 LED 被认为是 21 世纪的照明光源 LED 发光器件是冷光源 光效高 工作电压低 而且 能耗低 同样亮度下 LED 能耗为白炽灯的 10 荧光灯的 50 LED 寿命可达 10 万小 时 是荧光灯的 10 倍 白炽灯的 100 倍 用 LED 替代白炽灯或荧光灯 环保无污染 使用 安全可靠 便于维护 我国照明用电占总发电量的 12 目前 公共建筑的照明灯具控制大 多采用手动开关 经常出现没有及时开关的现象 从而造成大量的能源浪费和使用上的不便 另外 不必要的使用 也会缩短灯具的使用寿命 本文阐述了一套 LED 智能照明控制系统设 计方案 可以根据工作环境中是否有人员和环境补光亮度等来自动控制照明的开关和亮度 采 用本系统具有提高用电效率 节约电能和缓解了用电高峰的电力供应压力双重作用 图 1 LED 智能照明控制系统框图 系统主控模块功能系统主控模块功能 这套节能照明控制系统是在大庆石油学院现代教育中心中控室安装试运行的 根据国家标 准民用建筑照明设计标准 GBJ133 90 我们控制室内亮度在 200lx 左右 本控制器设置了 3 套传感系统和严密的软件控制 其工作方法是 首先通过被动热释电红外探测器和环境噪声探测是否有人 并探测环境亮度 如果没人 所有 LED 灯均不开 如果有人 分成二种情况 若需要照明的环境的照度 X 200 lx 时 LED 照明灯具处于关闭状态 若需要照明的环境的照度 X 200 lx 时 LED 照明灯具处于开启状态 并且随着环境 照度调节 LED 灯具的照度 LED 灯具释放到室内的平均照度为 E 200 X 硬件饲服控制系统硬件饲服控制系统 针对以上情况 本系统以 MCS 51 单片机为核心 组成一个集采集 处理 控制为一身的 自动控制系统 其框图见图 1 它主要由三部分组成 传感器单元 控制器单元 LED 驱动电路和照明系统 传感器单元传感器单元 被动式热释电红外探测器 被动红外探测器有三个关键性的元件 菲涅尔滤光晶片 它通过截止波长 8 12mm 的菲涅尔滤光晶片 起带通滤波器的作用 使环境的干扰受到明显的控制作用 菲涅尔透镜 作用有两个 一是聚焦作用 即将热释的红外信号折射在 PIR 热释电红外 传感器 上 第二个作用是探测警戒区内红外线能量的变化 并由系统内固化软件对所采集的 数据进行运算加工 由控制系统内的控制软件通过控制逻辑来决定是否发出开灯信号 热释电红外传感器 PIR 将透过滤光晶片的红外辐射能量的变化转换成电信号 即热电转 换 因此在被动红外探测器的警戒区内 当无人体移动时 热释电红外感应器感应到的只是背 景温度 当人体进人警戒区 通过菲涅尔透镜 热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景 温度的差异 信号被采集到伺服系统以后 由软件对该新采集的数据与系统内存中已经存在的 前期探测数据进行延时比较 以判断是否真的有人等红外线源进入警戒区 还是只是环境波动 甚至是元件自身内部噪声的影响 以免发生误判断 因此 红外探测传感部分软硬件主要是通 过探测环境红外线变化来判断是否有人进入需要照明的警戒区 匹配低噪放大器的作用是当探测器上的环境温度上升 尤其是接近人体正常体温 37 时 传感器的灵敏度下降 经由它对放大器的增益进行补偿 增加其灵敏度 另外由于距离等衰减因素的存在 温度传感器和内部软件的初始数据并不需要定在 37 这个点上 而是要综合环境因素 元件灵敏度最近线性能区段来定初始值 一般都会低于人体 温度 这恰好也是元件比较灵敏且元件比较接近最近线性的区段 若在建筑公共区间使用该系统还要考虑随着季节变化而采用不同的初始值 并对控制软件增加 相应的控制模块 主要是因为建筑内公共区间的温度变化要比室内温度变化范围要大一些 情 况也复杂一些 环境噪声探测 主要是通过探测环境中人类日常活动所产生的噪声进行探测 并与红外线部分的数据在系 统内部进行或运算 以补偿在环境温度非常接近人体时红外探测不敏感而无法判定是否有人进 入需要照明的区域 可见光探测器 通过对光电管 光敏电阻等光电探测器的各种性能进行比较 发现光敏电阻的光谱响应峰 值比较接近人视觉敏感区的波长 其次是当光照强度减弱时 它的响应时间相对增加 装置在 光照强度变化时 输出状态保持相对稳定 考虑到光敏电阻对温度变化较为敏感 偏置电路中 的电阻可以采用与探测元件温变系数相近的光敏电阻 以防止工作点漂移 另外在内部的软件设计上主要取接近人眼最敏感的感应数据区间 这样一是减少控制系统 的误判几率 另外也使得程序的数据区空间缩小到最小 为以后软件的再升级留出空间 为硬 件系统的充分利用打下基础 并对系统的总体硬件成本控制起到重要作用 控制单元 我们采用单片机作为照明系统的核心 单片机的品种规格很多 选取的原则是尽量使系统 简单 性能可靠 成本低 我们选用 Intel 的 8051 单片机 其内含 128 字节的 RAM 32 条 I O 线 2 个 8 位常数可自动重装的 8 位定时器 记数器 单片机输出脉冲经隔离 功率放 大后可直接接至可控硅控制极 控制可控硅 为降低来自电网的干扰 由单片机 I O 线产生的 触发脉冲 必须经隔离后送至可控硅的控制电路中 可控硅 SCR 调光器 多用于可控整流 逆变 调压电路 很容易进行电流的调光 通过电压限制的调整 能进一步延长灯的寿命 LED 照明系统和驱动电路 我们采用 1W 的白光 LED 发光效率 60lm W 预计室内亮度在 200lx 左右 由平均亮度公式 式中 E 一平均照度 一光源的光通量 N 一灯具数 U 一灯具的利用系数 K 一维护系数 A 一室内面积 考虑到室外亮度越低 对室内亮度的补偿越小 所以我们安装 400 个 LED 全部点亮其 室内亮度可达 208lx 下面讨论设计 LED 灯的主要问题 驱动电源的选用 我们选用的 AP 2B320 发光二极管驱动器是制作一体化半导体灯的专用电源变换器 用 于安装在半导体灯内部 串联驱动 1 串 10 40 支 1 瓦大功率发光二极管工作 220V 交流市 电供电 输出 320mA 稳定的单向脉动恒定电流 驱动器使用高频脉宽调制开关变换电路实现 恒流控制 变换效率高 可达 85 以上 工作稳定 驱动器为全密闭模块封装结构 适合在 高湿度 高粉尘 强震动 对防爆有一定要求等环境下使用 非常适合室内使用 经过软件升 级也可用于建筑物公共区间照明使用 LED 灯的连接方式 目前成熟应用的都是单粒 1W 的 LED 很显然 做这样一个半导体灯要用 50 只发光管 50 只 LED 全部串联 或者并联都存在一些问题 如果全部串联连接 如果有一粒 LED 开路损坏 则整灯不亮 而且 50 支 LED 全部串联 其 驱动电压至少要 150V 安全性减低 如果全部并联连接 有一路开或短路 则电流不均衡 影响灯具使用寿命 从驱动技术和发光管的特性来看 多只发光管组应该优先使用串联方案 这样 只要驱动 器给的电流合适 所有发光管的电流都是一样的 发光管串联使用大家常常担心一个问题 就 是一个发光管开路整串都不亮了 我们对样灯打过高压 也作了突波实验 从应用实践上看 只要驱动不失控 给发光管的电流合适 发光管很少见到开路的情况 即使发光管本身质量不 好出故障 一般就是自己不亮 但还是保持通路 其他管照样亮 而且发光管都有很强的过电 流的能力 比如 300mA 的 1 瓦发光管短时间加 600mA 的电流也不会坏 所以 使用发光管 时应以串联为主 这样发光管才有稳定 一致的电流 对提高灯的寿命有利 由于管数太多 全部串联其驱动电压太高 不得不连串带并 所以混联 专用的 LED 驱 动器一般是电流源 既然 LED 驱动器提供的是一个恒定的电流 多串并联时就必须辅以外部 均流措施 均衡地把驱动器提供的总电流分配给每一串 最简单的办法就是每一串里串一个电 阻均流 多串并联时首先是要使各串发光管的总管压降尽可能地保持一致 然后再串入电阻牵 制电流的偏移 电组上的压降太大功耗增加 压降太小均流效果不好 一般可以取串连管总管 压降的 5 左右 散热方式 解决散热问题主要靠合理的灯体结构设计 解决方案是使用薄金属板做基板 LED 可以按 照使用的发光管的数目在铝板上打好孔径和发光管外径相同的孔 两个孔间距离为 0 7mm 再将发光管紧配合镶嵌到金属扳上 发光管引脚在金属板后面相连 灯的外壳也用金属材料制 作 装好发光管的金属板和金属外壳紧密装配 这样 灯具工作时产生的热量可以通过金属板 传导到金属外壳上 金属外壳暴露在空气中 热量可以通过辐射和对流散去 为了既减小灯的 体积又保证较大散热面积 灯体外壳可以采用带肋条的散热片结构 LED 照明控制模块 我们将 400 个 LED 分 10 组 每组 40 个 每组采用一个 AP 2B320 作为电流源 用 单片机控制可控硅的输出来调节 LED 的发光亮度 可在可控硅两端并联阻容吸收回路 用来 吸收 AP 2B320 与可控硅产生的谐波干扰 连接方式如图 2 图 2 LED 照明系统控制模块 软件设计软件设计 本程序采用模块化设计思想 以主程序为核心设置功能模块子程序 简化了设计结构 运 行过程中通过主程序调用各功能模块子程序 因为灯具控制实时要求不高 循环控制即可满足 要求 该系统的工作软件主要完成以下功能 信号输入模块实现相应传感器信号输入单片机数据 通道 在控制系统软件中 分别将红外线探测器的信号与声音传感器的信号经过整流放大数字 化后处理成开关的布尔型数据 然后相或 经过整流放大的环境补光光强度探测系统产生的信 号分两路 一路为布尔值 并与前两路信号处理后产生的输出进行与运算 由此产生决定灯具 开关的开关信号 另外一路将环境数据 A D 转换 然后作为系统调节亮度的控制信号编码输 出到系统的输出模块 达到控制 LED 发光亮度的目的 达到智能照明的目的 由于实际使用环境的复杂性及存在着各种各样的干扰因素 尤其是大量手机带来的电磁干 扰 因此系统的可靠性需使用抗干扰技术来维持 这里用到的抗干扰技术是看门狗技术 WDT 看门狗的运行能使程序在跑飞状态下产生复位信号 有效防止程序跑飞 结语结语 这套系统自在大庆石油学院现代教育中心中控室试运行以来 节能超过 50 节能效果非 常明显 我们还试制了 LED 路灯 安装到 6 米的路灯上 发出的是柔和的白光 视觉效果超 过了高压钠灯 自安装以来 没有发现光衰现象 非常稳定 参考文献 1 Morad R Atif Anca D Galasiu Energy Performance of Daylight linked in Large Atrium Spaces Report on Two Field monitored Case Studies J ELSEVIER Energy and Buil dings 2003 35 441 461 2 陈汉汛 倪尔东 刘利 汽车 LED 光源信息传递及驱动 武汉理工大学学报 2005 27 1 143 146 3 Sermin Onaygil Onder Guler Deter mination o