趙繼帆

（江蘇大學(xué) 京江學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

基于TX982的節(jié)能LED樓梯過道燈控制器設(shè)計(jì)

趙繼帆

（江蘇大學(xué) 京江學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

文中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的樓梯過道感應(yīng)控制燈裝置采用TX982作為移動(dòng)物體信號檢測器，以NE555集成電路延時(shí)啟閉照明驅(qū)動(dòng)電源，LED燈組件驅(qū)動(dòng)芯片采用A6210通用驅(qū)動(dòng)IC。系統(tǒng)運(yùn)行表明，能在約5 m范圍內(nèi)快速檢測通過人員，并開啟LED燈，延時(shí)3分鐘后關(guān)閉。

LED；微波感應(yīng)；延時(shí)控；TX982；A6210

傳統(tǒng)的建筑樓宇樓梯過道照明燈具采用白熾燈，功率通常是25～60 W，耗能偏大，隨著近年來LED研發(fā)水平的快速提高，目前市場上采用LED的綠色光源產(chǎn)品日益廣泛[1]，本設(shè)計(jì)采用3 W白光LED燈作為樓道照明，相當(dāng)于40 W白熾燈，節(jié)能效果明顯，且照明光線自然。另外，一般的感應(yīng)燈的信號探測距離較小，實(shí)際操作不方便。本控制器實(shí)現(xiàn)的功能及優(yōu)點(diǎn)是，樓道燈白天關(guān)閉，夜間光強(qiáng)度低于一定值時(shí)，若有人進(jìn)入5 m左右有效探測空間，系統(tǒng)可以自動(dòng)開啟照明，并延時(shí)關(guān)閉?？刂破鞯闹饕M成部分有雷達(dá)傳感器TX982、NE555定時(shí)器、LED驅(qū)動(dòng)電源3部分。系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)際制作運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定功能及節(jié)能控制的目標(biāo)。

1 系統(tǒng)總體框圖

樓道燈總體結(jié)構(gòu)包括控制器和燈具，如圖1所示，其中電源采用無變壓器電容降壓形式，其中電容及并聯(lián)電阻取值應(yīng)在在工作狀態(tài)調(diào)整，留有一定功率余量。信號檢測單元TX982完成人體及其他移動(dòng)物體信號的檢測，對此單元要求是感測空間范圍足夠?qū)?、反映靈敏、信號強(qiáng)度足夠、工作可靠、抗外界干擾能力強(qiáng)。NE555模塊完成延時(shí)控制，運(yùn)用器件的單穩(wěn)態(tài)模式，接收一個(gè)負(fù)脈沖觸發(fā)后應(yīng)能可靠延時(shí)規(guī)定的時(shí)間，而且NE555的工作狀態(tài)還應(yīng)有輔助電路鑒別白天和晚間工況。LED驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)設(shè)計(jì)有啟動(dòng)關(guān)閉控制功能的恒流驅(qū)動(dòng)電路，LED燈采用光效性能高的白光LED芯片模組通過混聯(lián)實(shí)現(xiàn)。

圖1 樓道燈控制框圖Fig.1 Control block diagram of staircase aisle lamp

2 雷達(dá)傳感器TX982信號探測與變換

TX982是利用微波多普勒效應(yīng)制造的微波感應(yīng)控制模塊，通過環(huán)狀天線和內(nèi)部微波三極管組成一個(gè)工作頻率為2.4 GHz的微波振蕩器，在其軸芯方向產(chǎn)生一個(gè)橢圓形、半徑2～6 m（可調(diào)）的空間微波探測場,環(huán)狀天線既做發(fā)射天線也作接收天線，在該器件在所建立微電場覆蓋的空間內(nèi)，當(dāng)人或活動(dòng)物體進(jìn)入時(shí)，產(chǎn)生反射回波，回波信號經(jīng)感應(yīng)控制模塊內(nèi)部電路信號混頻，分離出微弱的移頻信號，由專用微處理器對信號進(jìn)行脈頻和脈寬處理，輸出控制信號高電平信號，信號的發(fā)射和接收過程可以排除小動(dòng)物、高頻通訊信號、閃電和電器啟閉時(shí)的干擾，因此比熱釋電傳感器或一般微波傳感器電路抗外界干擾能力強(qiáng)，它也具有紅外線傳感器所無法比擬的全方向感測能力[2]。

TX982的主要參數(shù)：工作電壓范圍12～15 V，靜態(tài)電流5 mA左右，初次加電延遲開啟時(shí)間60～90 s，監(jiān)控距離2～10 m連續(xù)可調(diào)，探測錯(cuò)誤率為萬分之一。

TX982產(chǎn)生的高電平信號驅(qū)動(dòng)圖2中三極管S9013的基極，在集電極上產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)低電平信號，相當(dāng)于一個(gè)負(fù)脈沖，此負(fù)脈沖將作為后面555組成延時(shí)電路的觸發(fā)信號輸入。為簡化電路設(shè)計(jì)、降低設(shè)計(jì)成本及較小裝置體積，避免采用笨重的工頻變壓器，12 V直流電源通過220 V市電經(jīng)簡易R(shí)C降壓得到，具體做法是：220 V經(jīng)680 nF/400 V左右電容（需要實(shí)際調(diào)整），并聯(lián)一個(gè)1 MΩ左右的泄放電阻）降壓，再經(jīng)4×1N4007橋式整流電容濾波，輸出端口接一小阻值限流電阻及12 V穩(wěn)壓管。

設(shè)計(jì)調(diào)試中實(shí)測TX982的輸出電壓約5 V，據(jù)此反復(fù)測試系統(tǒng)工作的靈敏度范圍，調(diào)定R1及R2阻值如圖2所示，在系統(tǒng)工作過程中S9013可靠處于截止或飽和狀態(tài)。

圖2 TX982信號及變換電路Fig.2 Signal and transform circuit of TX982

3 NE555延時(shí)電路

利用NE555時(shí)基電路構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，當(dāng)人進(jìn)入設(shè)定感應(yīng)電場區(qū)域時(shí)，在2端接收到一個(gè)由TX982檢測并變換的負(fù)脈沖信號，觸發(fā)內(nèi)部電壓比較器及RS觸發(fā)器轉(zhuǎn)換，在輸出端3產(chǎn)生一個(gè)短暫高電平穩(wěn)態(tài)信號[3]，此信號控制LED驅(qū)動(dòng)電源芯片進(jìn)入照明開啟工作狀態(tài)，系統(tǒng)延時(shí)控制電路如圖3所示。

圖3 NE555構(gòu)成延時(shí)電路Fig.3 Delay circuit composed by NE555

圖3電路中，光敏電阻R6與R7、R5構(gòu)成光控電路實(shí)現(xiàn)NE555使能控制，即當(dāng)白天日光照強(qiáng)度大時(shí)，光敏電阻R6阻值較小，處于飽和狀態(tài)使VT3處于飽和狀態(tài)，NE555的4腳低電平復(fù)位,3腳輸出低電平，此時(shí)即使有人經(jīng)過樓道，感應(yīng)燈不亮，當(dāng)晚間無日光強(qiáng)度變?nèi)?，R6阻值變大，使VT3截止，NE555的4腳復(fù)位端置于高電平，復(fù)位功能不起作用，LED控制器處于待機(jī)狀態(tài)，一旦有人進(jìn)入探測區(qū)域，3腳正常發(fā)出高電平驅(qū)動(dòng)信號。電路的光控靈敏度可通過改變R7阻值實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)整。

NE555電路的高觸發(fā)端TH（6腳）和放電端D（7腳）接RC定時(shí)電路，低觸發(fā)端TL（2腳）外接觸發(fā)信號，因此單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時(shí)時(shí)間就是輸出脈沖的寬度Tw。NE555的延時(shí)時(shí)間具體的計(jì)算方法是，Tw=1.1RC=1.1×1.5×106Ω×100×10-6F= 165 s。

4 LED驅(qū)動(dòng)電源

LED是利用半導(dǎo)體PN結(jié)在載流子發(fā)生復(fù)合過程中放出過剩的能量而引起光子發(fā)射產(chǎn)生可見光的原理工作的發(fā)光器件，與白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源相比，利用LED制造的照明光源具有節(jié)能環(huán)保、壽命長（可達(dá)10萬小時(shí)）、響應(yīng)快、發(fā)光效率高、不易破損、可靠性高等顯著的優(yōu)點(diǎn)，節(jié)能效果甚至比節(jié)能燈還要高1/4[4]。開發(fā)時(shí)間最長的引腳式LED一般做信號指示燈小功率應(yīng)用，對于功率照明領(lǐng)域主要采用貼裝式（SMT）LED。

此次設(shè)計(jì)的白光LED組件單元采用深圳源磊科技專業(yè)生產(chǎn)的高亮度3528SMD貼片白光LED，額定電壓3 V，該種產(chǎn)品發(fā)光效率高、色度均勻性好。LED外形如圖4所示，連接方式是5串10并混聯(lián)，總功率3 W。

圖4 3528貼片LED外形圖Fig.4 Outside drawing of patch LED 3528

LED是直流工作器件，同時(shí)本設(shè)計(jì)中模組單元中有較多LED燈珠，為保證所有發(fā)光特性基本一致，減少閃爍，需要設(shè)計(jì)一個(gè)工作穩(wěn)定的恒流驅(qū)動(dòng)電源。

驅(qū)動(dòng)單元若采用普通分列式元件開關(guān)電源電路，電路較復(fù)雜，調(diào)試工作量也較大，而一般集成開關(guān)電源芯片往往與LED照明驅(qū)動(dòng)要求不完全適應(yīng)，經(jīng)分析比較，LED組件的驅(qū)動(dòng)電源選擇通用驅(qū)動(dòng)芯片A6210及外圍元件組成，如圖5所示。A6210是用于高亮度恒定電流源驅(qū)動(dòng)的降壓調(diào)節(jié)器IC，具有過熱關(guān)機(jī)保護(hù)、固定導(dǎo)通時(shí)間及波谷電流回授控制等功能，所需外圍元件少，無輸出電容，廣泛用于高亮度LED組件驅(qū)動(dòng)，輸入電壓范圍9～46 V，輸出電流可達(dá)3.0 A，待機(jī)電流小于100 μA，其引腳主要功能見表1。本設(shè)計(jì)中TON直接接高電平，不進(jìn)行開關(guān)時(shí)間編程。DIS端為亮度調(diào)節(jié)，本設(shè)計(jì)用作二態(tài)控制，即低電平使A6210進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，LED組件不工作，高電平時(shí)全電流驅(qū)動(dòng)LED組件工作[5]。

5 改進(jìn)系統(tǒng)電源的設(shè)想

前述設(shè)計(jì)電路經(jīng)過調(diào)整測試，在白天和夜間設(shè)定各個(gè)時(shí)段反復(fù)驗(yàn)證，電路能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定的設(shè)計(jì)功能要求。但在實(shí)際運(yùn)行中也發(fā)現(xiàn)有一定的不足。故又對系統(tǒng)進(jìn)行了局部改進(jìn)，主要是由于電源部分采用電容降壓形式，存在一定額外損耗，工作電壓的穩(wěn)定性較差，隨著電網(wǎng)電壓有較大波動(dòng)，LED工作時(shí)有一定的閃爍，且它不是隔離電源，安全性不好。也考慮到對本設(shè)計(jì)電路進(jìn)行拓展性應(yīng)用研究有一定應(yīng)用價(jià)值，比如可以將電路延伸應(yīng)用到街道路燈控制，此時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮采用低功耗電源。即采用高功率因素開關(guān)電源芯片作為系統(tǒng)工作電源，可以較好克服上述電容電源的缺點(diǎn)。

圖5 組件驅(qū)動(dòng)電源Fig.5 Driving power supply for LED moudle

表1 A6210引腳功能Tab.1 Pin function of A6210

開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和功率管構(gòu)成?？紤]為本照明系統(tǒng)供電的開關(guān)電源功率不大，設(shè)想采用常用的單片式開關(guān)電源TOP224Y芯片方案。

TOP224Y型只有3個(gè)引出端，其內(nèi)部主要包括十大部分控制電壓源、帶隙基準(zhǔn)電壓源、振蕩器、并聯(lián)調(diào)整器、誤差放大器、脈寬調(diào)制器、門驅(qū)動(dòng)級和輸出功率管、過流保護(hù)電路、過熱保護(hù)等，它能以最簡單方式構(gòu)成無工頻變壓器的反激式開關(guān)電源，TOP224Y開關(guān)頻率的典型值為100 kHz,允許范圍是90～110 kHz,占空比調(diào)節(jié)范圍1.7%～67%[6]。

如圖6所示為12 V TOP224Y單片開關(guān)電源工作框圖。利用此電源電路替代原設(shè)計(jì)的簡單阻容降壓電路將進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗，達(dá)到節(jié)能目的，尤其將系統(tǒng)拓展應(yīng)用到街燈等功率更大的應(yīng)用場合，接電效果無疑更加顯著。

圖6 TOP224Y開關(guān)電源工作框圖Fig.6 Block diagram of TOP224Y power supply

6 結(jié)論

該設(shè)計(jì)的LED[7]感應(yīng)樓道燈采用微波雷達(dá)傳感器TX982可以對人體移動(dòng)信號進(jìn)行大范圍采集，并具有較好抗外界環(huán)境干擾能力，利用NE555 IC進(jìn)行延時(shí)控制，LED驅(qū)動(dòng)芯片選用A6210高亮度通用驅(qū)動(dòng)IC電路。整體電路所用元件較少，成本較低，動(dòng)作靈敏，實(shí)際運(yùn)行測試功耗為3.45 W，測試范圍為空間4.75 m有效探測范圍，延時(shí)時(shí)間約2分37秒。

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Design of energy saving controller of staircase aisle LED lamp based on TX982

ZHAO Ji-fan
（Jingjiang college of Jiangsu University，ZhenJiang 212013，China）

In this paper,a induction controller of staircase aisle lamp is designed and implemented，which uses TX982 as signal detector of moving object.The device takes NE555 Ic as delay unit of opening and closing lighting drive power and it uses general driveic A6210 for driver chip of led lamps module.The operation results of the system indicate that the system can detect moving personnel in 5 meters，and immediately open the LED lamp which deldyed 3 minutes approximately.

LED；microwave induction；delaying control；TX982；A6210

TN709

A

1674－6236（2015）07-0012-03

2014-07-18 稿件編號：201407143

江蘇大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新科研立項(xiàng)（20120504023）

趙繼帆(1994—)，男，江蘇鎮(zhèn)江人。研究方向：汽車電子技術(shù)及應(yīng)用。