LED與自然光智能耦合照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李繼超，李宗濤

（1.菏澤學(xué)院 山東 菏澤 247015；2.南京理工大學(xué) 江蘇 南京 210094）

20世紀(jì)70年代能源危機(jī)后，能源和環(huán)境問(wèn)題舉世矚目，建筑物如何節(jié)約照明用電，引起國(guó)際照明界的高度重視。當(dāng)前，世界各國(guó)照明行業(yè)的科技工作者在照明領(lǐng)域所做的工作，主要集中在兩個(gè)方面：一是節(jié)能；二是提高照明質(zhì)量[1]。現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)照明系統(tǒng)是LED照明系統(tǒng)和光纖照明系統(tǒng)。

LED照明系統(tǒng)由于節(jié)能、環(huán)保、光效好[2]，被廣泛用于建筑物照明。光纖照明系統(tǒng)能直接把自然光引入室內(nèi)照明，在超低能耗的情況下能取得較高的照明質(zhì)量[3]，但是在太陽(yáng)光照較弱的陰天、夜晚無(wú)法發(fā)揮照明功能效，因此系統(tǒng)需與其它照明方式結(jié)合使用。

為了吸取LED照明系統(tǒng)和光纖照明系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)各自的缺點(diǎn)，本文要介紹一種智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，它融合了LED和光纖照明系統(tǒng)，取得了比單一LED照明系統(tǒng)更為節(jié)能和比單一光纖照明系統(tǒng)更穩(wěn)定的效果，同時(shí)還能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)室內(nèi)亮度以達(dá)到最佳照明效果。其設(shè)計(jì)思路是利用STC89C52芯片作為控制核心，對(duì)LED照明系統(tǒng)和光纖照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)耦合控制。 另外，本文給出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且能對(duì)循日模塊精確定位的設(shè)計(jì)方法（“射影檢測(cè)定位”法）。

1 系統(tǒng)組成

智能照明系統(tǒng)是以STC89C52單片機(jī)為核心，主要模塊有高精度循日采光模塊、光纖采光照明模塊、LED照明陣列、亮度檢測(cè)模塊、光伏組件、蓄電池。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要的工作流程為：

1）由STC89C52控制中心控制循日模塊使太陽(yáng)光直射采光器件和光伏組件；

2）光纖把采集到的自然光傳輸?shù)绞覂?nèi)進(jìn)行照明，此時(shí)光伏組件把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在蓄電池中對(duì)控制中心供電；

3）亮度檢測(cè)模塊檢測(cè)到光纖照明系統(tǒng)輸出照度低于正常值時(shí)，控制中心就會(huì)發(fā)出信號(hào)讓均勻分布在室內(nèi)LED陣列其中某一列LED燈發(fā)光，以維持室內(nèi)最佳亮度，等到光纖照明系統(tǒng)輸出照度為0Lux時(shí)，此時(shí)全部LED燈發(fā)光補(bǔ)充室內(nèi)亮度。反之，當(dāng)光纖照明系統(tǒng)輸出亮度逐漸升高時(shí)，LED燈陣列會(huì)由全亮向全滅轉(zhuǎn)變。

圖1 Control centerFig.1 LED and natural light lighting intelligent coupling system

2 主要硬件設(shè)計(jì)

2.1 STC89C52控制中心

控制中心以一片Atmel公司的STC89C52芯片為核心，接受循日模塊上“射影檢測(cè)定位”傳感器傳遞的信號(hào)后，通過(guò)對(duì)信號(hào)處理使循日模塊的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，從而保證光纖采光模塊和光伏組件接受最大光照強(qiáng)度。控制中心還能接受亮度檢測(cè)模塊的信號(hào)以控制LED陣列照明模塊的工作情況。同時(shí)，控制中心中應(yīng)用的單片機(jī)系統(tǒng)由STC89C52RC芯片、供電電路、復(fù)位電路、晶振電路4部分組成，控制中心的原理圖如圖2所示。

2.2 循日模塊

循日模塊采用了獨(dú)創(chuàng)的“射影檢測(cè)定位”法來(lái)完成追日過(guò)程。“攝影檢測(cè)定位”法采用雙遮陽(yáng)板與雙光電傳感器配合作用，精確定位太陽(yáng)與循日模塊的相對(duì)位置。其控制原理是：晴天時(shí)：如圖3所示，如果第一遮陽(yáng)板3的陰影沒(méi)有遮住第一光電傳感器4，說(shuō)明太陽(yáng)能利用裝置2在水平方向上沒(méi)有達(dá)到太陽(yáng)直射，控制模塊接收到此時(shí)第一光電傳感器4傳遞的信號(hào)后會(huì)控制執(zhí)行模塊1水平方向上的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到第一遮陽(yáng)板3的陰影完全遮住第一光電傳感器4，水平方向上的電機(jī)才停止轉(zhuǎn)動(dòng)，使太陽(yáng)能利用裝置在水平方向上達(dá)到太陽(yáng)直射；如果第二遮陽(yáng)板5的陰影沒(méi)有遮住第二光電傳感器6，說(shuō)明太陽(yáng)能利用裝置2在俯仰方向上沒(méi)有達(dá)到太陽(yáng)直射，控制模塊接收到此時(shí)第二光電傳感器6傳遞的信號(hào)后會(huì)控制執(zhí)行模塊1俯仰方向上的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到第二遮陽(yáng)板5的陰影完全遮住第二光電傳感器6，俯仰方向上的電機(jī)才停止轉(zhuǎn)動(dòng)，使太陽(yáng)能利用裝置在俯仰方向上達(dá)到太陽(yáng)直射。

圖2 控制中心Fig.2 Control center

圖3 “射影檢測(cè)定位”示意圖Fig.3 Schematic diagram of“Projective detection and location”

2.3 亮度檢測(cè)模塊

亮度檢測(cè)模塊主要功能是檢測(cè)光纖燈的輸出照度，并把亮度值傳遞給STC89C52芯片進(jìn)行處理。檢測(cè)電路主要由光電傳感器、電阻、電位器以及LM393芯片組成。當(dāng)光電傳感器接受的光照強(qiáng)度大于設(shè)定值時(shí)，LM393芯片-INT管腳電位低于+IN管腳電位，此時(shí)，LM393芯片OUT管腳輸出高電平；當(dāng)光電傳感器接受的光照強(qiáng)度小于設(shè)定值時(shí)，LM393芯片-INT管腳電位高于+IN管腳電位，此時(shí)，LM393芯片OUT管腳輸出低電平。LM393芯片-INT管腳和+IN管腳分別與單片機(jī)的P2.0和P2.1口相連。亮度檢測(cè)電路如圖4所示。

圖4 光電傳感器檢測(cè)電路Fig.4 Photoelectric sensor detection circuit

2.4 LED照明陣列

LED照明陣列由小功率超高亮度的白光LED燈組成，其主要技術(shù)參數(shù)為:功率不大于0.1 W，工作電壓在3～4 V之間，工作電流在20～50 mA范圍內(nèi)，輸出光通量在15 000～20 000 mcd左右。為了獲得較為理想的亮度和照明范圍將多顆LED燈按照等距離的直線排列方式來(lái)形成的直線發(fā)光光源，然后將多列并聯(lián)形成LED陣列且均勻的橫向分布在照明空間[4]。LED陣列的外圍驅(qū)動(dòng)電路采用開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)電路[5]，LED陣列的每一列均由STC89C52單片機(jī)通過(guò)繼電器來(lái)控制此列的通電與否。LED陣列的工作原理為：當(dāng)光纖照明模塊輸出的亮度降低時(shí)，亮度檢測(cè)模塊會(huì)檢測(cè)光纖燈亮度處于某個(gè)亮度分級(jí)等級(jí)（作者設(shè)計(jì)時(shí)把光纖燈輸出照度等級(jí)分為0～300 Lux、300～500 Lux和500 Lux以上3個(gè)等級(jí)）而給控制中心發(fā)出信號(hào)，然后控制中心會(huì)控制相應(yīng)繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)閉合或斷開(kāi)，使某一列LED燈工作與否，以維持室內(nèi)亮度。控制規(guī)律為：當(dāng)光纖燈輸出照度300～500 Lux時(shí)第1和n+1列亮，其它列滅（作者在設(shè)計(jì)時(shí)共4列，第1和4列亮，2和3列滅）；當(dāng)光纖燈輸出照度0～300 Lux時(shí)第2和n列亮 （第2和3列亮），此時(shí)LED陣列全部發(fā)光；當(dāng)光纖燈輸出照度500 Lux以上時(shí)，LED陣列全滅。LED照明陣列電路簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5 LED照明陣列電路簡(jiǎn)圖Fig.5 LED array illuminator circuit diagram

2.5 光纖采光照明模塊

本照明系統(tǒng)的光纖采光照明模塊的功能是：采集太陽(yáng)光，并傳入室內(nèi)照明。本系統(tǒng)的光纖采光照明模塊是遵照目前較為完善的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)而成[6－7]，本文不再贅述。

3 程序設(shè)計(jì)

程序的設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)循日模塊、亮度檢測(cè)模塊和LED照明陣列三模塊功能的整合，以實(shí)現(xiàn)LED與光纖照明的耦合及照明場(chǎng)所亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。程序流程簡(jiǎn)圖如圖6所示。

當(dāng)程序初始化后循日模塊的射影定位檢測(cè)傳感器檢測(cè)太陽(yáng)光照度，其照度＞0Lux的情況設(shè)為白天，反之為黑夜。當(dāng)判斷為黑夜時(shí)，程序進(jìn)入亮度檢測(cè)部分；當(dāng)判斷為白天時(shí)，程序控制循日模塊的電機(jī)工作，使太陽(yáng)直射循日模塊[8]。程序到亮度檢測(cè)部分后，亮度檢測(cè)模塊檢測(cè)光纖燈輸出照度，然后把測(cè)量值同亮度分級(jí)等級(jí)比較，在對(duì)應(yīng)控制LED陣列的工作情況。然后程序進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

圖6 程序流程簡(jiǎn)圖Fig.6 The program flow diagram

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)條件為50 m2的封閉房間、照明要求為照度大于等于500 Lux的情況下由本系統(tǒng) （采光面積為4.25 m2，LED陣列為4列、功率為39.2 W）和8只40 W日光燈連續(xù)測(cè)試48小時(shí)得到以下數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 The test data

以上數(shù)據(jù)表明，本系統(tǒng)比目前主流的日光燈照明具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。結(jié)合本系統(tǒng)融合了LED和自然光照明技術(shù)，所以在照明質(zhì)量上要遠(yuǎn)超日光燈照明。

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很好的融合了LED和自然光照明，并且實(shí)現(xiàn)了一種全新的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高循日模塊的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)測(cè)試也取得了預(yù)期的結(jié)果。

本系統(tǒng)不足之處在于設(shè)計(jì)不是過(guò)于嚴(yán)密，受實(shí)驗(yàn)條件限制數(shù)據(jù)不是過(guò)于精確，所以有待于改進(jìn)，以發(fā)揮它的優(yōu)越性。

如果本系統(tǒng)得以開(kāi)發(fā)并廣泛應(yīng)用，這無(wú)疑是人類照明系統(tǒng)的一次重大改革，對(duì)人類的生活將長(zhǎng)生巨大的、深遠(yuǎn)的影響。本系統(tǒng)可廣泛引用于工廠、辦公樓、學(xué)校、大型商場(chǎng)及家居，養(yǎng)殖場(chǎng)等所有白天需要照明的室內(nèi)區(qū)域。同時(shí)，也是我們實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能減排，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)非常值得關(guān)注并值得發(fā)展的新興應(yīng)用術(shù)。

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