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LED节能智能照明控制系统设计

导读: 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。

  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。

  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。

  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(GBJl33-90),我们控制室内亮度在2001x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

  针对以上情况,本系统以MCS一51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

  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8~12μm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601m/W,预计室内亮度在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2081x。

  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一28320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320rrLA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1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600n1A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一28320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-28320与可控硅产生的谐波干扰。连接方式如图2。

 

  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

  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。(小汤)

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