惠州市技師學(xué)院 夏 威 吳傳興 何培森

LED智能控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

惠州市技師學(xué)院 夏 威 吳傳興 何培森

LED是一種將電能直接轉(zhuǎn)換為光能的多元化合物半導(dǎo)體器件。作為綠色照明光源，具有發(fā)光效率高、耗電量少、使用壽命長、可靠性高和安全性好等優(yōu)點(diǎn)。LED器件的響應(yīng)時(shí)間短，體積小，使用方便，對工作條件要求低，抗沖擊、抗震性能強(qiáng)。本文將研究LED照明產(chǎn)品的智能控制系統(tǒng)一體化技術(shù)，并通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成具有較高競爭力的產(chǎn)品。

LED；智能控制系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

LED是一種將電能直接轉(zhuǎn)換為光能的多元化合物半導(dǎo)體器件。作為綠色照明光源，具有發(fā)光效率高、耗電量少、使用壽命長、可靠性高和安全性好等優(yōu)點(diǎn)。LED器件的響應(yīng)時(shí)間短，體積小，使用方便，對工作條件要求低，抗沖擊、抗震性能強(qiáng)。LED發(fā)光效率目前已達(dá)到160lm/W,理論可達(dá)200lm/W，LED照明的普及，有利于解決全球能源危機(jī)。長達(dá)10萬小時(shí)以上的壽命，可以減少LED產(chǎn)品的維護(hù)工作量。目前LED照明已在射燈、路燈、廣告等應(yīng)用領(lǐng)域得到了推廣，未來將在普通照明領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。

LED光源被稱為第四代照明技術(shù)，與傳統(tǒng)的照明技術(shù)相比，LED照明技術(shù)更加高效節(jié)能。白熾燈的光效為12-24lm/W,熒光粉的光效為50-70lm/W。按照一般光效定義相比，LED發(fā)光效率不算最突出，但是由于其發(fā)光光譜集中于可見光區(qū)域，效率轉(zhuǎn)換率達(dá)到90%。在同樣照明效果下，LED耗電量是白熾燈的1/8。單顆LED燈的電壓在3.3V左右，與熒光燈相比，安全性更好。

本文將研究LED照明產(chǎn)品的智能控制系統(tǒng)一體化技術(shù)，并通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成具有較高競爭力的產(chǎn)品。

1 國內(nèi)外同類產(chǎn)品和技術(shù)情況

LED照明產(chǎn)品按照驅(qū)動(dòng)電壓的高低可以分成高壓驅(qū)動(dòng)和低壓驅(qū)動(dòng)，高壓驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品一般使用在固定亮度的單色照明LED燈具上，特別是高亮度白色照明產(chǎn)品可用于代替現(xiàn)有的熒光燈管。低壓驅(qū)動(dòng)方式用于控制多色或全彩色照明產(chǎn)品。由于RGB三原色全彩色LED照明產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)簡單，燈光顏色鮮艷，效果豐富多彩的特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用與廣場照明、戶外景觀照明、舞臺照明等場合。

低壓電源驅(qū)動(dòng)的LED照明產(chǎn)品，這類產(chǎn)品需要經(jīng)過高壓電纜、功率因素校正、電源低壓變換、低壓電纜和LED驅(qū)動(dòng)五個(gè)環(huán)節(jié)，每經(jīng)過一個(gè)環(huán)節(jié)，電能都有部分損失，低壓大電流長線驅(qū)動(dòng)的線損耗較大，因而低壓驅(qū)動(dòng)LED照明產(chǎn)品的電能使用效率一般很低，造成了電能的極大浪費(fèi)，同時(shí)由于外置開關(guān)電源，布線復(fù)雜。

高壓驅(qū)動(dòng)的LED照明產(chǎn)品電源的驅(qū)動(dòng)途徑只需要經(jīng)過高壓電纜、功率因素校正、LED驅(qū)動(dòng)共3個(gè)環(huán)節(jié)，經(jīng)過的環(huán)節(jié)少，電能損失也大大減小，并且在高壓工作條件下的小電流的長線驅(qū)動(dòng)中，線損耗要小很多，高壓LED照明產(chǎn)品的電能使用效率可達(dá)80%以上，大大提高了電能效率，但這類產(chǎn)品由于需要燈具內(nèi)部安裝開關(guān)電源，所以燈具體積較大。

隨著LED亮度的不斷提高，LED光源的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，目前的照明系統(tǒng)及設(shè)計(jì)方法逐漸暴露出一些問題和局限性。主要表現(xiàn)在以下方面：

1)高亮度LED越來越多被應(yīng)用在微型光學(xué)系統(tǒng)中，如微型投影系統(tǒng)，這就要求有微型化的照明光學(xué)系統(tǒng)與之匹配。在這些微型照明系統(tǒng)中，LED作為面光源，發(fā)散角大等光學(xué)特性表現(xiàn)顯著，對于照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求高。

2)目前的單片LED的亮度水平相對較低，LED陣列結(jié)構(gòu)在照明系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越多。至今LED陣列的設(shè)計(jì)方法多采用軟件仿真或?qū)崪y法得出不同陣列參數(shù)下的照度分布。再?zèng)Q定是否改變陣列參數(shù)直到其符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。這種不斷的驗(yàn)證式設(shè)計(jì)往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也不大可能得到最優(yōu)的照明系統(tǒng)。

當(dāng)前國內(nèi)的LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要停留在點(diǎn)亮LED的層次，未能在效率和調(diào)光上作更深一層的優(yōu)化。國外的LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)也缺乏智能化的調(diào)光功能。本文在LED燈具設(shè)計(jì)中采用高壓驅(qū)動(dòng)方案實(shí)現(xiàn)功率變化，并進(jìn)行恒流處理后驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光，同時(shí)在LED燈具里設(shè)計(jì)并集成低功耗的邏輯控制部件，開發(fā)出集功率變換和集散控制技術(shù)為一體的LED照明產(chǎn)品，對于提高LED產(chǎn)品電能效率和LED產(chǎn)品的競爭力具有極大的意義。

2 設(shè)計(jì)方案

智能照明是今年LED行業(yè)熱得發(fā)燙的一個(gè)詞語，不少具有前瞻意識的企業(yè)也開始積極布局智能照明。今年，飛利浦推出智控LED燈泡Hue，小米也推出Yeelight智能燈泡。對此，專家認(rèn)為，LED具有微電子、半導(dǎo)體的屬性，LED智能照明被認(rèn)為是增加半導(dǎo)體照明附加值的重要增長點(diǎn)，它涉及眾多技術(shù)領(lǐng)域，集中了傳感器和控制技術(shù)、信息和通訊技術(shù)，不僅是照明節(jié)能的有效方式，而且也將與智能家居、智能建筑有機(jī)地融合。

智能LED照明系統(tǒng)就是對LED燈光進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、高效的多樣化控制。本方案從照明協(xié)議入手，對系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)了主機(jī)單元和星際單元的硬件電路，包括微控制器、無線電通訊模塊、紅外熱釋電檢測模塊、亮度檢測電路及LED驅(qū)動(dòng)電源，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)、主機(jī)系統(tǒng)和從機(jī)系統(tǒng)組成的智能LED照明系統(tǒng)。另外，設(shè)計(jì)了主機(jī)系統(tǒng)和從機(jī)系統(tǒng)的軟件，包括無線通信命令的接收、HDLC命令的發(fā)送/接收、開燈、關(guān)燈和調(diào)光命令處理模塊。本方案的系統(tǒng)組成如圖1所示。

1)上位機(jī)

智能LED照明系統(tǒng)采用集中管理的方式，即以ARM11為核心的上位機(jī)，通過無線方式對主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制。操作者可以通過上位機(jī)控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的智能控制。

2)主機(jī)系統(tǒng)

主機(jī)系統(tǒng)由多個(gè)主機(jī)單元組成，每個(gè)主機(jī)單元可控制一個(gè)區(qū)域內(nèi)的多個(gè)LED照明設(shè)備。

3)從機(jī)系統(tǒng)

從機(jī)系統(tǒng)由從機(jī)單元與LED驅(qū)動(dòng)電源組成，從機(jī)單元在接收、處理命令后對驅(qū)動(dòng)進(jìn)行燈光明暗調(diào)節(jié)控制，從而根據(jù)不同的命令完成光照的場景設(shè)置。

2.1 總線技術(shù)設(shè)計(jì)

本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于RS-485現(xiàn)場總線的LED夜景照明控制系統(tǒng)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升了夜景照明設(shè)計(jì)的水準(zhǔn)，延長了燈具的使用壽命；由于該系統(tǒng)的模塊構(gòu)件具有通用性，對中小型企業(yè)具有較好的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。

系統(tǒng)使用改進(jìn)型HDLC協(xié)議，每幀數(shù)據(jù)仍由6段數(shù)據(jù)組成，分別是幀頭、地址段、命令段、數(shù)據(jù)段、幀校段及幀尾，每段數(shù)據(jù)采用固定長度，范圍為0-255，這樣可省于使用HDLC協(xié)議需要由硬件完成的“0”位插入與刪除技術(shù)，使硬件設(shè)計(jì)相對簡化。幀頭數(shù)值固定為OX7E，幀尾數(shù)值固定為OX7B。根據(jù)系統(tǒng)的要求，在命令段中使用不同的數(shù)據(jù)代表各種控制命令。數(shù)據(jù)段用于裝載調(diào)光數(shù)據(jù)。幀校驗(yàn)中，將地址段、命令段與數(shù)據(jù)段數(shù)值累加的和作為幀校驗(yàn)段的數(shù)值。改進(jìn)型HDLC協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式如下所示。

（OX7E） 目標(biāo)地址 命令 數(shù)據(jù) 幀校驗(yàn) 幀尾（OX7B）幀頭

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 從機(jī)單元硬件設(shè)計(jì)

從機(jī)單元主要由微處理器、通信接口、電源組成。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。從機(jī)單元通過通信接口接收主機(jī)單元發(fā)出的命令，由微控制器對命令與調(diào)光等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，輸出控制LED驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行開關(guān)、調(diào)光的各種信號。

圖2 從機(jī)系統(tǒng)框圖

圖3 從機(jī)微控制器電路圖

1)微處理器設(shè)計(jì)

微處理器是從機(jī)單元的核心，集成了很多功能部件，高耐用性閃存EEPROM單元（128字節(jié)），256字節(jié)的RAM，15個(gè)帶有方向單獨(dú)控制的I/O引腳，2個(gè)模擬比較強(qiáng)模塊，3個(gè)定時(shí)計(jì)算器，增強(qiáng)型捕捉、比較和PWM模塊，增強(qiáng)型USART模塊，大大減少了周邊器件。

本方案的微控制器采用PIC16F628單片機(jī)芯片。系統(tǒng)頻率為4MHZ,VDD接電壓5V的VCC2，為芯片供電，C12濾波。RX與TX配置為異步通信的輸入與輸出引腳，與從機(jī)系統(tǒng)的通信接口相連，實(shí)現(xiàn)主機(jī)系統(tǒng)與從機(jī)系統(tǒng)之間的命令傳輸。PWM為單片機(jī)的PWM信號輸出引腳，與LED驅(qū)動(dòng)的PT4115芯片的DIM引腳相連，實(shí)現(xiàn)燈光的明暗控制。

2)調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

采用電源和功率因素校正，PFC芯片可對離線電源的輸入電流波形進(jìn)行整形，使它匹配輸入電源波形，從而使從電源吸收的有功功率最大化。驅(qū)動(dòng)電路采用隔離的反激式結(jié)構(gòu)，即采用隔離式、有雙繞組BUCK-BOOST轉(zhuǎn)換器，可起到隔離保護(hù)的作用，反激式電路結(jié)構(gòu)簡單，所用單元數(shù)量少。調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)電路由反激式電路、功率因素校正電路、PWM調(diào)光電路及驅(qū)動(dòng)輸出四個(gè)部分組成。

2.2.2 主機(jī)單元硬件設(shè)計(jì)

主機(jī)系統(tǒng)由多個(gè)主機(jī)單元組成，每個(gè)主機(jī)單元由多個(gè)模塊組成，無線模塊完成與上位機(jī)的信息接收與發(fā)送，微控制器將接收到的信息進(jìn)行處理，通信接口將微控制器的輸出信號轉(zhuǎn)換后與從機(jī)單元進(jìn)行通信，亮度檢測模塊根據(jù)實(shí)現(xiàn)環(huán)境光照度的檢測并將相應(yīng)信息送給微控制器，紅外熱釋電模塊對室內(nèi)是否有人存在進(jìn)行檢測并將相應(yīng)的信息送給微控制器，撥碼開關(guān)用于手動(dòng)設(shè)定主機(jī)單元的地址。主機(jī)單元結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 主機(jī)單元結(jié)構(gòu)圖

主機(jī)單元需要提供的5V電源的有微控制器模塊電源以及通信接口模塊電源，無線通信模塊需要電源3.3V.此部分電源采用一個(gè)三端穩(wěn)壓集成電路，內(nèi)部具有過流過熱等保護(hù)電路，使用可靠且價(jià)格實(shí)惠。

1)無線通信模塊

上位機(jī)與主機(jī)單元之間的信息傳遞是利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線通訊實(shí)現(xiàn)的。這種技術(shù)有功耗低、距離近、成本低、容量大和安全性高等優(yōu)點(diǎn)，屬于個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)和無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的范疇，WPAN可為較近距離內(nèi)的多個(gè)設(shè)備建立無線連接，實(shí)現(xiàn)互相通訊甚至接入LAN或因特網(wǎng)。

在設(shè)計(jì)中，為了方便模塊在主機(jī)單元上的插拔操作，設(shè)置了插座用于模塊與單片機(jī)相連。

2)亮度檢測模塊

系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)光的功能，則系統(tǒng)需要獲得所處環(huán)境中的光照強(qiáng)度，調(diào)光后需要達(dá)到的理想光照強(qiáng)度，通過亮度檢測模塊來實(shí)現(xiàn)。

單片機(jī)將采樣獲得的環(huán)境光照強(qiáng)度與與光照期望值進(jìn)行比較，當(dāng)環(huán)境光照強(qiáng)度小于系統(tǒng)的光照強(qiáng)度期望值時(shí)，主機(jī)單元會(huì)通過系統(tǒng)總線給出光照增強(qiáng)指令，通過增亮或減亮這兩個(gè)方向的節(jié)約用電，減少功耗，使得我們再工作或?qū)W習(xí)的時(shí)候，獲得更好的舒適感。

3)紅外熱釋電檢測模塊

由PIR傳感器和芯片組成。人們在處于正常溫度時(shí)會(huì)向周圍環(huán)境中紅外輻射一定波長的紅外線，在非接觸性情況下，PIR熱釋電紅外傳感器在環(huán)境輻射能量改變時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷變化，本身不發(fā)出任何類型的輻射，具有隱蔽性好、器件功耗小、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。芯片功能圖如圖5所示。

圖5 熱釋電模塊芯片功能圖

圖5中CDS為硫化鎘傳感器，CDS接內(nèi)部施密特觸發(fā)器，在白天，CDS組織低，施密特反向器輸出為低，抑制輸出；天色變暗后，施密特反向器輸出為高，允許輸出。芯片的輸出可驅(qū)動(dòng)可控硅或繼電器。

工作時(shí)，PIR感應(yīng)信號經(jīng)內(nèi)部運(yùn)放兩級放大后，經(jīng)窗口電壓比較判斷，如果有觸發(fā)信號產(chǎn)生，運(yùn)放輸出高電平，計(jì)時(shí)檢測電路開始計(jì)時(shí)，進(jìn)入延時(shí)狀態(tài)，在計(jì)滿一定時(shí)間后，跳變輸出高電平。只有當(dāng)計(jì)時(shí)輸出，過零檢測同時(shí)為高電平，才會(huì)有正脈沖輸出，并控制后端的可控硅或繼電器。

2.2.3 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用ARM11架構(gòu)的RISC處理器做開發(fā)板。開發(fā)板擁有強(qiáng)大的內(nèi)部資源和視頻處理能力，可穩(wěn)定運(yùn)行在667MHZ主頻以上。集成了多種高端接口，如符合視頻信號、攝像頭、USB、SD卡、液晶屏等。

上位機(jī)對室內(nèi)的照明區(qū)域進(jìn)行分區(qū)管理，通過控制不同區(qū)域的燈光亮度實(shí)現(xiàn)室內(nèi)照明的各種照明模式。上位機(jī)的液晶屏用于顯示調(diào)光界面。界面采用跨平臺的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序Qt進(jìn)行編寫，QT完全面向?qū)ο螅菀讛U(kuò)展。具有豐富的API、大兩的開發(fā)文檔，可允許真正的組件編程。本設(shè)計(jì)通過個(gè)人電腦上的虛擬機(jī)完成程序的編寫，并通過交叉編譯系統(tǒng)移植到ARM中，完成顯示功能。

3 本設(shè)計(jì)特色和創(chuàng)新點(diǎn)

本方案的設(shè)計(jì)主要有以下幾點(diǎn)：

1)系統(tǒng)基于總線控制，采用232接口，接口協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議；

2)可實(shí)現(xiàn)場地控制功能，預(yù)先根據(jù)需求設(shè)定各種場景下各區(qū)域的光照度，方便用戶的需要；

3)恒照度控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)置好室內(nèi)照明標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)可以根據(jù)外部情況，自動(dòng)調(diào)整燈具的照明亮度，節(jié)約資源，提高舒適度；

4)定時(shí)控制，當(dāng)檢測室內(nèi)無人時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)關(guān)機(jī)；

5)上位機(jī)操作界面友好，控制方面。

本方案的LED智能控制系統(tǒng)充分的吸取其他智能系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，并且進(jìn)一步經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，具備集成化、通用性、成本低壽命長等優(yōu)點(diǎn)，可滿足不同用戶對于需求的多樣性，可設(shè)計(jì)個(gè)性化的LED照明產(chǎn)品。經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益都將得到體現(xiàn)。

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夏威，工學(xué)碩士，電子講師、維修電工高級技師，獲國家發(fā)明專利一項(xiàng)，國家實(shí)用新型專利一項(xiàng)，主編和參編教材多本，現(xiàn)任惠州市技師學(xué)院電子工程系專業(yè)教師。

吳傳興，工學(xué)學(xué)士，電子工程師、電子裝接工高級技師，獲國家實(shí)用新型專利二項(xiàng)，主編和參編教材多本，現(xiàn)任惠州市技師學(xué)院電子工程系專業(yè)教師。

何培森，物理高級講師，家用電子產(chǎn)品維修工高級技師，惠州市技師學(xué)院電子工程系主任。出版全省、全國統(tǒng)編教材3本，國家中等職業(yè)教育改革示范校教材5本，在《家電維修》等雜志發(fā)表論文多篇?，F(xiàn)擔(dān)任華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院“碩士研究生校外指導(dǎo)教師”、廣東省職業(yè)技能鑒定指導(dǎo)中心“廣東省企業(yè)技能人才評價(jià)專家”、廣東省人力資源和社會(huì)保障廳“技工院校教學(xué)質(zhì)量督導(dǎo)員”。是“國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”會(huì)員，參與半導(dǎo)體照明專業(yè)課題研究與課程資源庫的建設(shè)工作。

圖7 遙信輸入電路

5 抗干擾設(shè)計(jì)

電網(wǎng)環(huán)境是一個(gè)具有各種干擾源的強(qiáng)干擾環(huán)境，歷來特別重視運(yùn)行設(shè)備的抗干擾能力。在實(shí)現(xiàn)了裝置的軟硬件功能開發(fā)的情況下，裝置的抗干擾能力就成了研發(fā)成敗的關(guān)鍵。裝置的抗干擾設(shè)計(jì)，主要應(yīng)注重以下幾個(gè)方面：1)元器件的選型。在一些關(guān)件元器件的選型時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮隔離指標(biāo)和抗干擾等級。具體如光隔、繼電器、交流電源、DCDC模塊、電壓和電流傳感器等的隔離指標(biāo)；交流電源、DCDC模塊的抗干擾指標(biāo)和紋波等級；所用IC如RS485通信芯片，單片機(jī)和ARM處理器芯片等能否在強(qiáng)干擾的工業(yè)環(huán)境中長期穩(wěn)定的工作。2)電路設(shè)計(jì)。在電路設(shè)計(jì)中加入抗干擾的器件元素，如在電源輸出端加消減干擾的TVS管、電容、磁珠等，在強(qiáng)電輸入端串接磁環(huán)，加高壓電容等。在軟硬件中加入看門狗的設(shè)計(jì)。將與外的接口電路如通信、遙信、遙控、脈沖量和電源輸入都與ARM、單片機(jī)等系統(tǒng)電路隔離開。[7]3)電路布板設(shè)計(jì)。在電路布板設(shè)計(jì)中應(yīng)注意強(qiáng)弱電走線、區(qū)域分開，注意強(qiáng)弱電走線之間的爬電距離，一般1MM可隔離1千伏.在實(shí)在沒有足夠間距的地方可做挖空處理。還要注意元件的布局和信號線的走線，一般單片機(jī)和ARM處理器的總線不宜引出過長，應(yīng)就近走線等。

6 結(jié)束語

本文闡述了智能電網(wǎng)用專變采集終端的硬件設(shè)計(jì)總體要求，給出了硬件電路總體框圖，詳細(xì)說明了器件的選型和主要器件的性能，最后給出了部分電路的具體設(shè)計(jì)和裝置抗干擾設(shè)計(jì)應(yīng)注意的幾個(gè)方面。采用該方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)專變采集終端，硬件成本低廉,自動(dòng)化成度高,運(yùn)行安全可靠和優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟(jì),有較高的實(shí)用價(jià)值。

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