智能LED燈控制系統

劉　輝

(吉林建筑大學城建學院 電氣信息工程系， 吉林 長春　130111)

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智能LED燈控制系統

劉輝

(吉林建筑大學城建學院 電氣信息工程系， 吉林 長春130111)

摘要：以ARM為控制器，紅外熱釋電傳感器為控制信號，根據環境光線的亮度控制LED燈以及亮度。適用于學校教室、實驗室等人員相對靜止的場所。

關鍵詞：紅外熱釋電； ARM； LED

0引言

現在被廣泛使用的紅外熱釋電感應燈都是使用在走廊、樓梯等人員走動的地方。而用在教室、實驗室等人員相對靜止的地方，僅簡單使用紅外熱釋電傳感器就有一定的局限性。文中介紹了使用紅外熱釋電傳感器和ARM配合，實現相對靜止的人體檢測的方法。所以，這種方法適用于學校的教室、實驗室這樣的地方。要實現光線比較暗的時候，檢測是否有人進入或者停留在教室、實驗室，進而點亮LED燈，就要有光線傳感器(光電二極管)感應光線的強弱，并且使用紅外熱釋電傳感器配合ARM控制，檢測是否有人。由于紅外熱釋電傳感器只對變化的紅外信號敏感，對恒定的紅外信號沒有輸出，文中介紹了紅外熱釋電傳感器對運動的人體產生變化信號的方法和靜止人體產生變化信號的方法。根據傳感器的輸出信號對LED燈的點亮與熄滅進行控制。這種智能LED控制系統可以很好地實現有人的時候(無論人是否移動)點亮LED燈，人離開的時候關閉LED燈，節約電能非常適用于教室、實驗室這樣的地方，因此，具有較強的實用性和新穎性。

1紅外熱釋電傳感器的工作原理[1-2]

紅外熱釋電傳感器只對運動的人體敏感，像教室、實驗室這樣人員相對靜止的地方，如果簡單的使用紅外熱釋電傳感器檢測是否有人，進而控制LED燈的亮滅就有些困難。文中介紹了用紅外熱釋電傳感器配合ARM來實現相對靜止的人體檢測方法。

熱釋電傳感器的敏感元件是用熱釋電人體材料制成的，先把熱釋電材料制成很小的薄片，再在薄片上鍍上電極，構成兩個串聯的、有極性的小電容，將極性相反的兩個敏感元做在同一晶片上，是為了抑制由于環境和自身溫度變化而引起的熱釋電的干擾[1]。而熱釋電紅外傳感器在使用的時候前面要安裝透鏡，通過透鏡的外來紅外線輻射只匯聚在一個敏感元上，以增強接收信號。熱釋電紅外傳感器的特點是它只在由于外界輻射而引起的溫度變化時，才給出一個相應的電信號。當溫度變化趨于穩定后，就再沒有信號輸出，所以說熱釋電信號與它的本身溫度變化率成正比，或者說熱釋電紅外傳感器只對運動的人體敏感，應用于移動的人體檢測。

熱釋電人體傳感器只有配合菲涅爾透鏡使用，才能發揮最大作用。不加菲涅爾透鏡時，該探測器的探測距離可能只有2 m；配合菲涅爾透鏡，探測距離可以達到10 m，甚至更遠。菲涅爾透鏡是用超密度的熱塑性聚乙烯制成的，安裝在傳感器前面，紅外線信號可以比較多的通過菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡實際上是一個透鏡組，當光線通過透鏡單元，在其反面則形成明暗相間的可見區和盲區。每個透鏡單元只有一個很小的視場角，視場角內為可見區，之外為盲區。相鄰的兩個透鏡單元的視場既不連續，更不交疊，卻都相隔盲區。當人在這一監視范圍中運動時，順次進入某一可見區，然后又走出可見區，進入盲區，熱釋電傳感器對運動的人體一會兒看到，一會兒又看不到，再過一會又看到，然后又看不到[3]。于是人體的紅外熱輻射不斷的改變熱釋電傳感器的溫度，使它輸出一個又一個相應的信號。輸出信號的頻率大約為0.1~10 Hz，這一頻率范圍由菲涅爾透鏡、人體運動速度和熱釋電傳感器本身的特性決定的。菲涅爾透鏡不僅形成可見區和盲區，而且還有聚焦作用，正是因為有焦距作用，才使其探測距離大為提高[4]。其焦距一般為25 mm，還有半球面形狀的菲涅爾透鏡，其焦距約為11 mm。一般把透鏡固定在傳感器正前方25 mm處(25 mm焦距)或者11 mm處(11 mm焦距)。透鏡的焦距正好對準傳感器敏感元的中心，這樣使傳感器的檢測最為靈敏。

紅外熱釋電傳感器選用RE200B，它的主要參數[4]如下：

工作波長：5~14 μm;

靈敏度：3 300 V/W;

比探測率：1.5×108cm· Hz1/2· W-1。

熱釋電紅外傳感器配合菲涅爾透鏡，直接安放在教室或實驗室的頂部。因為當人到教室以后，如果坐在桌邊看書，人基本上不動，傳感器很難檢測到，這時候就需要想辦法使靜止的人被檢測到。有兩個辦法使靜止的人在紅外熱釋電傳感器輸出端產生信號。第一個辦法是在透鏡和傳感器之間安裝一個類似風扇的東西，當風扇轉動的時候，用風扇葉把恒定的人體熱輻射斬波以后，輻射到傳感器敏感元上，產生變化的信號。第二個辦法是讓熱釋電傳感器以一定的速度旋轉一個角度，這個辦法與人在地面上走動一樣，使人體的熱輻射在傳感器上產生變化的信號，從而檢測到靜止的人體。然而第一個辦法有時候會有問題，因為如果人坐在菲涅爾透鏡的盲區，就不能在傳感器產生變化的信號。而第二個辦法只要人在傳感器的探測范圍內，就可以使靜止的人和傳感器之間產生相對的移動，使傳感器輸出信號?？梢?，第二個辦法可以很好地解決靜止的人體檢測的難題。

2應用ARM控制LED燈原理[5]

2.1　原理簡介

LED控制系統[6-7]接通電源，ARM根據環境光線的亮度，如果環境光線比較亮，ARM屏蔽紅外熱釋電傳感器信號，關閉LED燈。當光線比較暗的時候，ARM檢測是否有紅外熱釋電信號，如果有信號輸出，說明有人進入房間，ARM控制LED燈點亮。并且根據環境的亮度自動調節LED的亮度，環境光線較暗的時候，控制LED燈，使其電流增大，增加LED的亮度，如果光線較亮，則控制LED燈，使其電流小些，LED就暗一些。當紅外熱釋電信號消失時，經過一小段時間的延時(延時時間由ARM程序控制)，如果這段時間還沒有紅外熱釋電信號輸出，則ARM控制紅外熱釋電探頭轉動一個小角度(15°即可)，轉動以后再轉回原位，如果紅外熱釋電傳感器有信號輸出，則說明房間里有人，繼續控制LED燈點亮，如果沒有信號輸出，說明人已經離開房間，就關閉LED燈，如此循環控制。

紅外熱釋電傳感器放大器采用帶通放大器，放大器的中心頻率為1 Hz左右，放大器的帶寬對靈敏度和可靠性有很大影響。帶寬窄、噪聲小，則誤測率低；帶寬高、噪聲大，則誤測率高。但對快速、慢速移動響應好。

2.2　實現電路圖

紅外熱釋電傳感器放大電路和比較器輸出電路如圖1所示。

圖1　紅外熱釋電傳感器放大電路和比較器輸出電路

圖中放大器電路采用LM324通用運算放大器，LM324是4運放。由U1A和U1B組成的中心頻率為1 Hz的帶通放大器，對熱釋電傳感器信號進行放大，只要U1B的輸出信號幅值大于約0.7 V，就可以使U1C或U1D輸出高電平(U1C和U1D組成窗口比較器)，這個電平經過R14和R16分壓以后，輸入到ARM。ARM是+3.3 V電源供電，其輸入電壓最好不要超過3.3 V，LM324是+5 V供電，輸出電壓最高為+3.8 V左右，所以經過R14和R16分壓輸入到ARM，這樣可以使ARM比較可靠地識別是否有檢測到人的信號。由ARM控制LED燈的點亮時間和亮度。

ARM選用意法半導體生產的STM32L051系列，這個系列的ARM處理器內部含有A/D，D/A。可以用來采集環境光線的強弱，并且用D/A控制LED的亮度，而且它的價格比較便宜，批量生產價格較低。

光亮度檢測電路如圖2所示。

圖2　光亮度檢測電路

電阻兩端的電壓作為光強度檢測信號，送到ARM的A/D轉換引腳來測量光線強度。

光電檢測二極管受到光照后，其反相電流增大，bpw21的光譜靈敏度為10 nA/Lx，當環境光照度為500 Lx時，電阻兩端的電壓約為1.5 V，如果要求看書時眼睛不疲勞，室內的照度應該在1 000~2 000 Lx之間，最低不應低于500 Lx，即放在教室/實驗室內的光強度電路不應低于1.5 V。如果檢測到電阻兩端電壓低于1.5 V，說明教室/實驗室內的亮度偏低(低于500 Lx)。如果檢測電壓較低，就在點亮LED時，根據檢測電壓的高低自動調整LED的電流，從而適應環境光線的亮度。走廊的亮度檢測電路電壓低于0.3 V(光照度低于100 Lx)，檢測到有人走過時，才控制LED點亮，因為不在走廊看書，亮度可以低些。亮度控制通過ARM的D/A輸出電壓值，控制流過LED的電流，從而控制LED的亮度，亮度檢測電路要經過高輸入阻抗緩沖電路才能進入ARM的D/A。

LED燈的點亮與熄滅[8]由ARM的IO口控制繼電器來實現。其電路圖如圖3所示。

3結語

以ARM和紅外熱釋電傳感器相結合，可以有效檢測教室和實驗室是否有人(無論人是否走動)，并結合光電二極管對環境光線的檢測，對LED燈的點亮與熄滅以及LED燈的亮度進行智能控制。以ARM和紅外熱釋電傳感器相結合，進行是否有人的檢測，這種方法具有很強的新穎性和實用性。

圖3　IO口控制繼電器工作原理圖

參考文獻：

[1]孫喬，楊衛，于海洋，等.基于動態下使用熱釋電傳感器的新型目標探測方法的研究[J].計算機測量與控制，2011(11)：2649-2651.

[2]張興周,蘇運東.熱釋電紅外傳感器原理及其應用[J].內江科技，2010(12)：116，160

[3]趙玉林.基于單片機的微波防盜報警器[D]：[碩士學位論文].煙臺：煙臺大學，2011.

[4]NIPPON CERAMIC Co. Ltd.Pyroelectric Infrared Sensor DATA sheet[Z].http://www.nicera.ph/images/PDF/pyro_catalog.pdf.

[5]宮麗男，呂洪武，王宏志.基于ARM9的嵌入式Web服務器的設計[J].長春工業大學學報：自然科學版，2009，30(3)：323-326.

[6]梁文翰，賈文超.太陽能路燈模糊控制器[J].長春工業大學學報：自然科學版,2012,33(2)：146-150.

[7]巢時斌.大功率LED路燈直流供電管理系統研究[D]：[碩士學位論文].廣州：華南理工大學,2012.

[8]張昊程.LED調光方案及其驅動器設計[D]：[碩士學位論文].西安：西安電子科技大學,2012.

Intelligent LED control system

LIU Hui

(Department of Electrical and Information Engineering, The City College of Jilin Jianzhu University, Changchun 130111, China)

Abstract：With ARM as controller, pyroelectric infrared sensor as trigger, LED on/off and brightness can be adjusted according to environment light. The mode is suitable to the classroom or laboratory.

Key words：pyroelectric infrared； ARM； LED.

作者簡介：劉輝(1980-)，女，漢族，河北河間人，吉林建筑大學城建學院講師,碩士，主要從事嵌入式系統及圖像處理研究,E-mail:834015016@qq.com.

基金項目：吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目(吉教科合字[2014]第597號)

收稿日期：2014-10-13

中圖分類號：TM 923

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1374(2015)01-0053-04

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2015.1.11