周正林，宋健偉，李宏臣，周 越

（1.黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 汽車(chē)與機(jī)械工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410060）

路燈照明在人們出行中起著極其重要的作用，但巨大的能耗問(wèn)題一直困擾著市政部門(mén)。以1盞250W的路燈為例，每月就要消耗90度電。而且這些電能的實(shí)際利用率很低，如在后半夜的一些街區(qū)，路上的車(chē)流量及行人非常稀少，但即使沒(méi)有車(chē)輛或行人經(jīng)過(guò)，路燈也是亮著的，這就造成了系統(tǒng)性的電能浪費(fèi)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，有些時(shí)段的有效照明時(shí)間只占到整個(gè)照明周期的30%左右［1］，也就是說(shuō)大部分電能被浪費(fèi)掉了。每一個(gè)大城市都有無(wú)數(shù)的各式路燈，浪費(fèi)的電能是一個(gè)天文數(shù)字。這就給工程技術(shù)人員提出一個(gè)研究方向，在無(wú)行人及車(chē)輛通過(guò)時(shí)，路燈自動(dòng)熄滅或降低亮度，以節(jié)約電能。

1 研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向

1）采用新型節(jié)能燈具?，F(xiàn)在我國(guó)的道路照明大多采用高壓鈉燈或高壓汞燈。該型燈具有較好的照明效果，光效高，穿透能力強(qiáng)，使用壽命也很長(zhǎng)。但高壓鈉燈和高壓汞燈與新型電光源相比還是存在發(fā)光效率過(guò)低的問(wèn)題，以L(fǎng)ED為代表的新型電光源的應(yīng)用出現(xiàn)井噴態(tài)勢(shì)。LED是一種固態(tài)冷光源［2］，且是一種單向光源，與傳統(tǒng)的電光源相比具有耗電量小、發(fā)光效率高、顯色性好和使用壽命長(zhǎng)等突出優(yōu)點(diǎn)，LED燈工作電壓很低，光線(xiàn)明亮，可以利用太陽(yáng)能進(jìn)行供電，也可以利用PWM技術(shù)對(duì)燈具的工作電壓及頻率進(jìn)行調(diào)制［2］，改變路燈的照度。

2）調(diào)節(jié)燈具兩端的電壓。為了節(jié)約寶貴的電能，國(guó)內(nèi)外普遍采用的方法是：在無(wú)效照明時(shí)間里，通過(guò)降低燈具兩端的電壓來(lái)降低電光源的照度，實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能的目的。降壓類(lèi)型主要有可控硅斬波型、自耦降壓式和無(wú)觸點(diǎn)補(bǔ)償式等［3］，其中自耦降壓式調(diào)控裝置使用的材料最少，造價(jià)低，降壓效率更高。但這些方法都存在這樣或那樣的問(wèn)題，自動(dòng)化程度也很低。

3）人工智能技術(shù)。工程技術(shù)人員為了解決燈具的節(jié)能問(wèn)題，提出了人工智能的技術(shù)方法。借助于信息科學(xué)技術(shù)，根據(jù)路面實(shí)時(shí)車(chē)輛及行人的交通情況自動(dòng)開(kāi)啟或熄滅路燈。

2 熱釋電傳感器的結(jié)構(gòu)和電壓特性

圖1是熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)圖［4］，它由熱電元、場(chǎng)效應(yīng)管和干涉濾光片三部分組成。內(nèi)置的場(chǎng)效應(yīng)管用來(lái)完成阻抗變換。由于熱電元輸出的是電流信號(hào)，需要用電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓形式，本文用N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成電壓跟隨器來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗變換［5］。

圖1 熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)

濾光窗由一塊薄玻璃片上鍍多層濾光層薄膜所構(gòu)成，可以有效地濾除7～15μm波長(zhǎng)以外的紅外線(xiàn)。人體在正常體溫時(shí)，輻射的紅外線(xiàn)中心波長(zhǎng)約為9.65μm，正好處在濾光窗的波長(zhǎng)范圍中（7～14μm）［6－7］，加上濾光窗可以有效地讓人體輻射的紅外線(xiàn)通過(guò)，阻止陽(yáng)光、燈光等可見(jiàn)光中的紅外線(xiàn)通過(guò)，排除其他干擾。

其實(shí)熱釋電紅外傳感器的檢測(cè)范圍十分有限，大約只有2m，在工程上經(jīng)常無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際的需求，因此，必須增加傳感器的檢測(cè)范圍，往往在傳感器前加裝一個(gè)菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡可以使入射光匯聚起來(lái)，產(chǎn)生極大的光強(qiáng)：一是將紅外信號(hào)折射到敏感元件PIR上，利于信號(hào)的獲取；二是將探測(cè)區(qū)域內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，菲涅爾透鏡的使用使檢測(cè)半徑達(dá)到7～15m［8］。

3 電信號(hào)的采集和放大電路

1）智能路燈工作框圖。本設(shè)計(jì)是基于熱釋電紅外傳感器的智能路燈控制系統(tǒng)，當(dāng)路燈選擇半夜工作模式時(shí)，如有人或車(chē)輛經(jīng)過(guò)，路燈自動(dòng)開(kāi)啟，延遲一段時(shí)間后熄滅，類(lèi)似于目前的樓道聲控?zé)?，工作流程如圖2所示。

圖2 智能路燈工作流程

2）信號(hào)的采集。信號(hào)檢測(cè)放大電路如圖3所示，由芯片BISS0001、熱釋電紅外傳感器和其他一些元件構(gòu)成。熱釋電紅外傳感器是一種對(duì)運(yùn)動(dòng)物體與背景的溫度差敏感的檢測(cè)元件［1，3］，當(dāng)物體進(jìn)入有效檢測(cè)區(qū)域時(shí)，將檢測(cè)到的發(fā)熱體紅外輻射轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，信號(hào)送到BISS0001的14腳，進(jìn)行放大處理。

3）信號(hào)的放大及處理。芯片BISS0001中主要由兩個(gè)運(yùn)算放大器A1，A2和兩個(gè)電壓比較器A3，A4組成。運(yùn)放A1，對(duì)從14腳輸入的信號(hào)進(jìn)行一級(jí)放大，經(jīng)電容耦合后送到運(yùn)放A2的13腳進(jìn)行二級(jí)放大。電壓比較器A3和A4用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的雙向鑒幅；當(dāng)檢測(cè)到有效信號(hào)時(shí)，觸發(fā)定時(shí)器。輸出信號(hào)Vo經(jīng)過(guò)放大后，驅(qū)動(dòng)繼電器吸合接通負(fù)載。R4為光敏電阻，用來(lái)檢測(cè)環(huán)境的照度。當(dāng)環(huán)境較亮?xí)r，R4的阻值會(huì)變小，此時(shí)9腳的輸入為低電平，從而封鎖觸發(fā)信號(hào)Vs。調(diào)節(jié)R9，C7的大小，就可以得到不同的延遲時(shí)間Tx；調(diào)整R10，C6的大小，可以調(diào)整觸發(fā)時(shí)間Ti大小。

4 LED電光源及供電電源

本設(shè)計(jì)所選用的燈具為L(zhǎng)ED電光源，路燈供電電源如圖4所示。電路的核心部件是L6561芯片。一般的LED燈光源由一組或多組串聯(lián)的LED芯片組成，每組LED燈的電流一般在25～160mA之間，而一組LED燈兩端的工作電壓設(shè)定在390～395V［2］。交流電源經(jīng)整流后通過(guò)IC的脈寬調(diào)整，成為穩(wěn)定的400V直流電壓輸出，為路燈提供供電電壓。目前，市場(chǎng)上LED光源的基本單位為每顆1W的芯片，芯片工作電壓在3.3～3.6V之間。一般路燈的規(guī)模為120～160個(gè)小芯片，故150個(gè)芯片串連后的電壓剛好達(dá)到400V左右。

圖3 信號(hào)檢測(cè)放大電路

圖4 路燈供電電源

5 存在的問(wèn)題及改進(jìn)方法

在實(shí)際的使用過(guò)程中，工作環(huán)境非常復(fù)雜，有兩個(gè)方面的問(wèn)題制約著智能路燈的工作效果：1）就目前的電子工藝水平而言，熱釋電紅外傳感器即使加上菲涅爾透鏡，它的檢測(cè)距離也不是很長(zhǎng)，大約只有10m［8］，由于檢測(cè)范圍太小，給移動(dòng)物體的檢測(cè)、路燈的控制及響應(yīng)帶來(lái)諸多問(wèn)題；2）熱釋電紅外傳感器對(duì)于行人來(lái)講響應(yīng)速度足夠，而對(duì)于車(chē)輛來(lái)講，由于它具有較高的速度，加上有效檢測(cè)距離較短，出現(xiàn)的問(wèn)題是車(chē)輛到了電線(xiàn)桿底下路燈才亮，與理想的效果有一些距離。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和新工藝水平的采用，智能路燈的研究會(huì)克服目前存在的一些問(wèn)題，將廣泛地應(yīng)用于城市路燈。

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