基于環(huán)式并行鏈接的多功能智能照明控制系統(tǒng)

姚正武 部紹海 林 濤 李樹(shù)偉

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京工程分院，江蘇南京 211135)

1 引言

照明系統(tǒng)的節(jié)能是全球普遍關(guān)注的問(wèn)題。科學(xué)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，在同樣亮度下，LED的電能消耗約為白熾燈的1/10，理論上壽命 (10萬(wàn)小時(shí))則是白熾燈 (1千小時(shí))的100倍，實(shí)際目前可達(dá)到5～6萬(wàn)小時(shí)［1］。由于LED具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)，專(zhuān)家們稱(chēng)其為人類(lèi)照明史上繼白熾燈和熒光燈之后的又一次飛躍。2007年以來(lái)美日等國(guó)用LED燈逐漸取代傳統(tǒng)的白熾燈照明，中國(guó)國(guó)家科技部規(guī)劃的“十城萬(wàn)盞”計(jì)劃和2011年11月國(guó)家發(fā)改委提出的淘汰白熾燈線路圖，都說(shuō)明世界高亮度LED市場(chǎng)規(guī)模正在逐年擴(kuò)大，當(dāng)前研發(fā)LED智能照明控制產(chǎn)品既具有時(shí)代先進(jìn)性，又具有很高的實(shí)用價(jià)值。

現(xiàn)行的公共照明一般采用的是較高能耗的照明，而且燈故障率高、開(kāi)關(guān)燈控制時(shí)間不準(zhǔn)且經(jīng)常需要調(diào)、控制器控制功能單一、靈活適用性不強(qiáng)、操作不方便、公攤費(fèi)率高等不足。在此背景下，通過(guò)研發(fā)形成在應(yīng)用功能上具有綜合性、適用領(lǐng)域廣、能規(guī)模化生產(chǎn)、產(chǎn)品價(jià)格和系統(tǒng)安裝成本低、易于操作、能適應(yīng)非專(zhuān)業(yè)人員來(lái)管理照明系統(tǒng)的多功能LED智能照明控制產(chǎn)品，來(lái)改造或取代現(xiàn)有的公共區(qū)域照明系統(tǒng)，將具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義［2］。創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的基于環(huán)式并行鏈接的多功能LED智能照明控制系統(tǒng)就是這樣的一種具有智能節(jié)能功效的照明系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)功能說(shuō)明

該系統(tǒng)具有模式0～3四種典型的智能照明工作模式。在這四種工作模式下，都能實(shí)現(xiàn)根據(jù)環(huán)境照度情況自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈，在開(kāi)燈時(shí)若遇燈故障，能自動(dòng)進(jìn)行聲光報(bào)警，顯示故障燈地址號(hào)，便于故障檢修。另外在任一模式下，都能通過(guò)主控器“關(guān)燈”按鍵關(guān)掉所有LED燈，或通過(guò)每一燈控器“關(guān)燈”按鍵關(guān)掉其所控制的LED燈。四種模式都能通過(guò)主控器 (如圖1所示)鍵盤(pán)自由切換，每個(gè)燈控器 (如圖2所示)控制的LED燈或燈單元地址都能自由設(shè)置。每種模式下，都能交替顯示開(kāi)關(guān)燈時(shí)間和實(shí)時(shí)時(shí)間。

圖1 主控器實(shí)物圖

圖2 燈控器實(shí)物圖

模式0狀態(tài)下，在環(huán)境照度達(dá)到開(kāi)燈要求時(shí)，自動(dòng)接通雙對(duì)射傳感器的電源，此時(shí)若有移動(dòng)的物體和人進(jìn)入該燈照明區(qū)域，則燈自動(dòng)打開(kāi)，燈的光效由環(huán)境照度水平?jīng)Q定。此時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)進(jìn)出人、物的數(shù)量并判斷開(kāi)燈或關(guān)燈。比如系統(tǒng)用于馬路或大廈走廊照明時(shí)，則模式0照明、傳感器、LED燈和燈具安裝位置如圖3所示。圖3中X-Y平面是馬路或大廈走廊被照射平面，X方向是長(zhǎng)度方向，Y方向是寬度方向。LED燈1和LED燈2是在照射平面上沿X方向上安裝的兩只LED燈，兩燈沿X方向燈距為L(zhǎng)，距X-Y平面的垂直高度為h(燈距照射面上各點(diǎn)的最短距離)，h比LED燈具圓盤(pán)尺寸要大得多，一般為5倍以上，故兩燈可視作點(diǎn)光源［2］。圖中A、C兩點(diǎn)分別是兩個(gè)點(diǎn)光源在X-Y平面上的投影，假設(shè)燈具安裝合適，A、C兩點(diǎn)正好落在X-Y平面Y方向中點(diǎn) (圖中為X-Y平面上虛線A1A2、C1C2中點(diǎn))上，連接A、C兩點(diǎn)并沿照射面X方向延長(zhǎng)，B點(diǎn)是A、C連線的中點(diǎn)，S、S'是AC延長(zhǎng)線上的兩點(diǎn)，SA、S'C分別與AB(或BC)相等。合理選擇燈的距高比 (即L/h)，可使 LED燈1(LED燈2)在S(S')、B點(diǎn)照度為在A(C)點(diǎn)照度的1/2，這樣在照射面上可獲得均勻照度［2］。在沿照射面Y方向過(guò)S、B、S'三點(diǎn)寬度線 (圖中為X-Y平面上過(guò)S、B、S'三點(diǎn)的虛線)兩側(cè)分別安裝各燈的對(duì)射傳感器的發(fā)射光和接受光模塊。當(dāng)有移動(dòng)的物體或人在S(S')側(cè)向S'(S)方向運(yùn)動(dòng)，則LED燈1(LED燈2)燈控器根據(jù)紅外對(duì)射傳感器光信號(hào)的通斷判斷物體或人的移動(dòng)方向以及進(jìn)入或離開(kāi)SB(S'B)區(qū)域的數(shù)量，從而控制各燈的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。采用這樣的模式照明不僅在燈具和控制兩方面實(shí)現(xiàn)節(jié)能智能照明，而且克服了當(dāng)前的熱釋電傳感器所帶來(lái)的不足，另紅外對(duì)射傳感器的價(jià)格成本也較熱釋電傳感器更有優(yōu)勢(shì)。

圖3 傳感器和燈的安裝位置

模式1狀態(tài)下，可以在開(kāi)燈后根據(jù)不同的時(shí)間段來(lái)設(shè)置不同的光效照明。時(shí)間段可以根據(jù)鍵盤(pán)自由調(diào)整設(shè)定。

模式2狀態(tài)下，可以在開(kāi)燈后根據(jù)環(huán)境照度水平的不同自動(dòng)調(diào)整不同的光效照明。

模式3狀態(tài)下，可以在自動(dòng)開(kāi)燈后保持恒定的照度照明直至自動(dòng)關(guān)燈。此模式可以用于人防工程、賓館客房走廊、井礦地下等節(jié)能照明。

3 系統(tǒng)并行鏈接安裝方案

主控器和燈控器宜采用集中安裝在電氣柜中，電氣柜可臨近LED照明現(xiàn)場(chǎng)，也可集中在單位值班室或中控室［3］。主控器和燈控器之間應(yīng)用扁平電纜采用環(huán)式并行總線連接，主控器、燈控器通過(guò)電氣柜安裝支架和電氣柜體全部接地。具體方案如圖4所示，圖中粗黑線為扁平電纜總線。

圖4 主控器和燈控器安裝示意圖

各燈控器若控制的是一個(gè)LED照明燈單元，其各LED燈采用的連接方案視各單位照明工程實(shí)情而定。

4 智能照明硬件系統(tǒng)方案

4.1 主控器方案

4.1.1 主控器核心控制器件的選用

選用AT89S51芯片作為主控器核心控制器件，性能優(yōu)越、存儲(chǔ)容量可達(dá)4K、價(jià)格便宜、性?xún)r(jià)比高。

4.1.2 主控器AT89S51 I/O口資源分配方案

P1口:P10～P17全部用于4×4鍵盤(pán)

P0口:P00～P05六位總線用于燈地址和燈故障控制;P06外接支路滅燈自鎖按鍵;P07用于聲光報(bào)警控制。

P2口:P20～P27八位總線用于工作模式、燈狀態(tài)、燈光效控制等。

P3口:P30～P31用于數(shù)碼顯示器;P32用于鍵盤(pán)中斷控制;P34～P37用于環(huán)境照度水平信息采集。

系統(tǒng)總線采用環(huán)狀連接，其相對(duì)于單總線鏈狀連接優(yōu)勢(shì)就在于任何一個(gè)燈控器總線接口或燈控器故障都不會(huì)影響系統(tǒng)中其它燈的正常工作，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。

4.1.3 P1口4×4鍵盤(pán)

P1口與4×4鍵盤(pán)電路單元如圖5所示。S0～S16共16位鍵連接如圖5所示。4行分別接電阻R9～R12、+5V電源，并分別引出接單片機(jī)P10～P13腳，另作為四輸入與門(mén)HD74LS21P的四個(gè)輸入端。4列分別接單片機(jī)的P14～P17腳，由軟件置0。一旦有鍵按下，則對(duì)應(yīng)行線置0，HD74LS21P的8號(hào)腳輸出為0，由光耦P621隔離輸入到P32，引起外部中斷0中斷，去執(zhí)行中斷程序。

圖5 P1口與4×4鍵盤(pán)電路單元組成

4.1.4 P0口單元

P0口單元電路組成如圖6所示。圖中P00～P05作為總線引出。P06接自鎖按鍵S1，用來(lái)控制支路燈滅。P07分別通過(guò)R1、R2接PNP型三極管S9012的基極，當(dāng)P07為0時(shí)由Q1、Q2分別驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和紅光LED，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，當(dāng)不需要聲光報(bào)警時(shí)，可按鍵解除聲光報(bào)警。

圖6 P0口電路

圖7 自然光環(huán)境照度水平單運(yùn)放原理圖

4.1.5 P2口總線單元

P2口輸出信號(hào)通過(guò)緩沖器7407驅(qū)動(dòng)，由兩組光耦T521－4隔離后，作為總線信號(hào)輸出。

4.1.6 P3口單元

(1)P3.0～P3.1串口顯示器電路

P3.0～P3.1串行口通過(guò)七段數(shù)字液晶屏完成4位時(shí)分顯示和2位故障燈地址號(hào)顯示，由于采用串口靜態(tài)顯示，節(jié)省了系統(tǒng)資源，提高了系統(tǒng)工作的效率。硬件電路由8位移位寄存器74LS164來(lái)配合串口完成顯示。

(2)P3.4～P3.7自然光環(huán)境照度水平鑒別器

采用兩只兩運(yùn)放集成電路LM393為主要器件構(gòu)成自然光環(huán)境照度水平鑒別。由同相輸入端提供比較電壓，光敏電阻Rm接反相輸入端，隨環(huán)境變化而改變反相端電壓，當(dāng)環(huán)境照度未達(dá)到設(shè)定情況，鑒別器輸出為0，反之為1。圖7是LM393單運(yùn)放的原理圖。調(diào)節(jié)反相端的電位器可改變照度設(shè)定值，只要就會(huì)輸出低電平。

4.1.7 主控器電源

主控器電源采用AC/DC電源模塊，交流220V輸入，DC5V、2A輸出。該模塊具有穩(wěn)壓、短路過(guò)載保護(hù)功能。

4.2 燈控器方案

4.2.1 燈控器系統(tǒng)方案

燈控器是對(duì)每個(gè)LED燈或多個(gè)LED燈串并聯(lián)形成的一個(gè)單元控制。系統(tǒng)采用的核心控制器件是AT89S51。當(dāng)單片機(jī)P1口從總線接受到主控器發(fā)出的燈控信息，則由P20腳的驅(qū)動(dòng)電路控制LED燈。P20腳經(jīng)非門(mén)輸出后接開(kāi)關(guān)管Q3的基極，由Q3控制和驅(qū)動(dòng)LED燈。如果從P1口總線接受到的是模式0工作方式，則P21控制繼電器KA接通本燈照度區(qū)域紅外對(duì)射傳感器及其放大比較電路的工作電源，來(lái)檢測(cè)本燈區(qū)域的人、物開(kāi)關(guān)燈請(qǐng)求信息，電路產(chǎn)生的信息接入P32、P33中斷口，通過(guò)中斷來(lái)具體判斷接到的P34～P37的傳感信號(hào)［4］。

在開(kāi)燈時(shí)若燈故障，則通過(guò)燈光鑒別器產(chǎn)生“1”電平信號(hào)，送到P22腳，單片機(jī)檢測(cè)到故障信號(hào)，則通過(guò)P00～P05總線向主控器發(fā)出故障信息，主控器產(chǎn)生聲光報(bào)警，并顯示故障燈地址，燈控器地址則由接在P23～P27的五位自鎖按鍵開(kāi)關(guān)任意設(shè)定。

開(kāi)燈時(shí)，若想關(guān)燈，則按下P06腳的自鎖按鍵開(kāi)關(guān)，由P07腳發(fā)出紅色LED關(guān)燈信號(hào)。

P00～P05總線腳的信號(hào)通過(guò)7407信號(hào)緩沖驅(qū)動(dòng)集成電路，由光耦TLP521隔離輸出。

P06腳接關(guān)燈自鎖按鍵開(kāi)關(guān)S6，P07腳接關(guān)燈時(shí)紅色LED指示燈信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路。

4.2.2 燈控器電源方案

燈控器交直流兩用。當(dāng)外接交流220V時(shí)采用機(jī)內(nèi)輸出 DC12V、4A的開(kāi)關(guān)電源模塊供電，由W7805和電容等穩(wěn)壓電源電路形成+5V電源供單片機(jī)和其它硬件電路使用，電源模塊輸出的DC12V電源另通過(guò)功率開(kāi)關(guān)管Q3控制不同恒流方案的LED燈。采用外接DC8～24V輸入時(shí)，由穩(wěn)壓電源電路形成+5V電源供單片機(jī)使用，另通過(guò)功率開(kāi)關(guān)管Q3控制不同恒流方案的LED燈。

機(jī)內(nèi)自備穩(wěn)壓電源模塊具有穩(wěn)壓、短路過(guò)載保護(hù)等功能，外接DC電源時(shí)具有短路過(guò)載保護(hù)。

5 軟件系統(tǒng)方案

5.1 主控器軟件系統(tǒng)

主控器軟件系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)如圖8所示，模式0～3四種工作模式下的程序結(jié)構(gòu)限于篇幅從略。技術(shù)難點(diǎn)就是在鍵盤(pán)任意切換四種工作模式時(shí)各模式運(yùn)行程序的初始化以及在關(guān)燈時(shí)運(yùn)行程序的初始化。

5.2 燈控器軟件系統(tǒng)

燈控器軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。經(jīng)運(yùn)行測(cè)試，程序運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠。其技術(shù)難點(diǎn)就在于不同環(huán)節(jié)上的復(fù)位和初始化，要注意到初始化狀態(tài)不要遺漏。在模式0狀態(tài)時(shí)，開(kāi)燈、關(guān)燈請(qǐng)求由中斷口及其中斷程序處理，決定燈的照度水平的PWM波信號(hào)由定時(shí)器T0、T1定時(shí)中斷產(chǎn)生。

6 結(jié)論

本文智能照明系統(tǒng)在投入應(yīng)用后主要技術(shù)貢獻(xiàn)有:

圖8 主控器軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖9 燈控器軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)產(chǎn)品應(yīng)用功能集成化、綜合化，適用面廣，可以規(guī)?；a(chǎn);

(2)產(chǎn)品雙總線環(huán)式連接自成系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)工作的可靠性，且主控器和燈控器易于集中安裝;

(3)紅外對(duì)射傳感器智能識(shí)別人物進(jìn)、離燈照區(qū)域，克服熱釋電傳感器方面的一些不足;

(4)能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分時(shí)段LED智能照明控制;

(5)能根據(jù)環(huán)境光效不同，提供不同照度的照明，且能根據(jù)環(huán)境亮度情況自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈;

(6)燈故障報(bào)警，直觀顯示，開(kāi)關(guān)方便，且能自由切換燈單元地址;

(7)鍵盤(pán)功能操作簡(jiǎn)單，功能切換方便，適用非專(zhuān)業(yè)低層次物業(yè)人員進(jìn)行照明維護(hù)管理。

綜上所述，通過(guò)本系統(tǒng)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)低能耗、智能化、節(jié)能照明，相信必將成為促進(jìn)LED照明推廣應(yīng)用且令智能照明行業(yè)關(guān)注的一個(gè)行之有效的方案。

［1］孫帥.26瓦LED燈亮度能頂200瓦白熾燈.華商晨報(bào)，2011，11，14(A12).

［2］北京照明學(xué)會(huì)照明設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)委員會(huì).照明設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版) ［E］.中國(guó)電力出版社:北京，2006，12:102，188.

［3］張波，曹豐文，汪義旺.LED路燈驅(qū)動(dòng)及智能調(diào)光系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) ［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2011，22(4):71～74.

［4］黃歡，韓學(xué)林，章道波.LED在教室照明中的應(yīng)用［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2011，22(6):69～73.