LED智能控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計

惠州市技師學院 夏 威 吳傳興 何培森

LED智能控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計

惠州市技師學院 夏 威 吳傳興 何培森

LED是一種將電能直接轉換為光能的多元化合物半導體器件。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。LED器件的響應時間短，體積小，使用方便，對工作條件要求低，抗沖擊、抗震性能強。本文將研究LED照明產(chǎn)品的智能控制系統(tǒng)一體化技術，并通過優(yōu)化設計，形成具有較高競爭力的產(chǎn)品。

LED；智能控制系統(tǒng)；優(yōu)化設計

LED是一種將電能直接轉換為光能的多元化合物半導體器件。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。LED器件的響應時間短，體積小，使用方便，對工作條件要求低，抗沖擊、抗震性能強。LED發(fā)光效率目前已達到160lm/W,理論可達200lm/W，LED照明的普及，有利于解決全球能源危機。長達10萬小時以上的壽命，可以減少LED產(chǎn)品的維護工作量。目前LED照明已在射燈、路燈、廣告等應用領域得到了推廣，未來將在普通照明領域發(fā)揮巨大作用。

LED光源被稱為第四代照明技術，與傳統(tǒng)的照明技術相比，LED照明技術更加高效節(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，效率轉換率達到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，并通過優(yōu)化設計，形成具有較高競爭力的產(chǎn)品。

1 國內(nèi)外同類產(chǎn)品和技術情況

LED照明產(chǎn)品按照驅動電壓的高低可以分成高壓驅動和低壓驅動，高壓驅動的產(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。低壓驅動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)品具有結構簡單，燈光顏色鮮艷，效果豐富多彩的特點，因而被廣泛應用與廣場照明、戶外景觀照明、舞臺照明等場合。

低壓電源驅動的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驅動五個環(huán)節(jié)，每經(jīng)過一個環(huán)節(jié)，電能都有部分損失，低壓大電流長線驅動的線損耗較大，因而低壓驅動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，同時由于外置開關電源，布線復雜。

高壓驅動的LED照明產(chǎn)品電源的驅動途徑只需要經(jīng)過高壓電纜、功率因素校正、LED驅動共3個環(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動中，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光源的應用領域越來越廣泛，目前的照明系統(tǒng)及設計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越來越多被應用在微型光學系統(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)散角大等光學特性表現(xiàn)顯著，對于照明系統(tǒng)的設計要求高。

2)目前的單片LED的亮度水平相對較低，LED陣列結構在照明系統(tǒng)中的應用越來越多。至今LED陣列的設計方法多采用軟件仿真或實測法得出不同陣列參數(shù)下的照度分布。再決定是否改變陣列參數(shù)直到其符合設計指標。這種不斷的驗證式設計往往費時費力，也不大可能得到最優(yōu)的照明系統(tǒng)。

當前國內(nèi)的LED驅動技術主要停留在點亮LED的層次，未能在效率和調光上作更深一層的優(yōu)化。國外的LED驅動技術也缺乏智能化的調光功能。本文在LED燈具設計中采用高壓驅動方案實現(xiàn)功率變化，并進行恒流處理后驅動LED發(fā)光，同時在LED燈具里設計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 設計方案

智能照明是今年LED行業(yè)熱得發(fā)燙的一個詞語，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，專家認為，LED具有微電子、半導體的屬性，LED智能照明被認為是增加半導體照明附加值的重要增長點，它涉及眾多技術領域，集中了傳感器和控制技術、信息和通訊技術，不僅是照明節(jié)能的有效方式，而且也將與智能家居、智能建筑有機地融合。

智能LED照明系統(tǒng)就是對LED燈光進行統(tǒng)一管理，實現(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)的硬件設計了主機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驅動電源，實現(xiàn)了上位機、主機系統(tǒng)和從機系統(tǒng)組成的智能LED照明系統(tǒng)。另外，設計了主機系統(tǒng)和從機系統(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、關燈和調光命令處理模塊。本方案的系統(tǒng)組成如圖1所示。

1)上位機

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，通過無線方式對主機系統(tǒng)進行控制。操作者可以通過上位機控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)照明系統(tǒng)的智能控制。

2)主機系統(tǒng)

主機系統(tǒng)由多個主機單元組成，每個主機單元可控制一個區(qū)域內(nèi)的多個LED照明設備。

3)從機系統(tǒng)

從機系統(tǒng)由從機單元與LED驅動電源組成，從機單元在接收、處理命令后對驅動進行燈光明暗調節(jié)控制，從而根據(jù)不同的命令完成光照的場景設置。

2.1 總線技術設計

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

系統(tǒng)使用改進型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，使硬件設計相對簡化。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)段用于裝載調光數(shù)據(jù)。幀校驗中，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段的數(shù)值。改進型HDLC協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式如下所示。

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

2.2 硬件設計

2.2.1 從機單元硬件設計

從機單元主要由微處理器、通信接口、電源組成。結構框圖如圖2所示。從機單元通過通信接口接收主機單元發(fā)出的命令，由微控制器對命令與調光等數(shù)據(jù)進行處理，輸出控制LED驅動電路進行開關、調光的各種信號。

圖2 從機系統(tǒng)框圖

圖3 從機微控制器電路圖

1)微處理器設計

微處理器是從機單元的核心，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個帶有方向單獨控制的I/O引腳，2個模擬比較強模塊，3個定時計算器，增強型捕捉、比較和PWM模塊，增強型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，與從機系統(tǒng)的通信接口相連，實現(xiàn)主機系統(tǒng)與從機系統(tǒng)之間的命令傳輸。PWM為單片機的PWM信號輸出引腳，與LED驅動的PT4115芯片的DIM引腳相連，實現(xiàn)燈光的明暗控制。

2)調光LED驅動電路設計

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。驅動電路采用隔離的反激式結構，即采用隔離式、有雙繞組BUCK-BOOST轉換器，可起到隔離保護的作用，反激式電路結構簡單，所用單元數(shù)量少。調光LED驅動電路由反激式電路、功率因素校正電路、PWM調光電路及驅動輸出四個部分組成。

2.2.2 主機單元硬件設計

主機系統(tǒng)由多個主機單元組成，每個主機單元由多個模塊組成，無線模塊完成與上位機的信息接收與發(fā)送，微控制器將接收到的信息進行處理，通信接口將微控制器的輸出信號轉換后與從機單元進行通信，亮度檢測模塊根據(jù)實現(xiàn)環(huán)境光照度的檢測并將相應信息送給微控制器，紅外熱釋電模塊對室內(nèi)是否有人存在進行檢測并將相應的信息送給微控制器，撥碼開關用于手動設定主機單元的地址。主機單元結構如圖4所示。

圖4 主機單元結構圖

主機單元需要提供的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三端穩(wěn)壓集成電路，內(nèi)部具有過流過熱等保護電路，使用可靠且價格實惠。

1)無線通信模塊

上位機與主機單元之間的信息傳遞是利用網(wǎng)絡進行無線通訊實現(xiàn)的。這種技術有功耗低、距離近、成本低、容量大和安全性高等優(yōu)點，屬于個人區(qū)域網(wǎng)絡和無線個人區(qū)域網(wǎng)絡的范疇，WPAN可為較近距離內(nèi)的多個設備建立無線連接，實現(xiàn)互相通訊甚至接入LAN或因特網(wǎng)。

在設計中，為了方便模塊在主機單元上的插拔操作，設置了插座用于模塊與單片機相連。

2)亮度檢測模塊

系統(tǒng)需要實現(xiàn)自動調光的功能，則系統(tǒng)需要獲得所處環(huán)境中的光照強度，調光后需要達到的理想光照強度，通過亮度檢測模塊來實現(xiàn)。

單片機將采樣獲得的環(huán)境光照強度與與光照期望值進行比較，當環(huán)境光照強度小于系統(tǒng)的光照強度期望值時，主機單元會通過系統(tǒng)總線給出光照增強指令，通過增亮或減亮這兩個方向的節(jié)約用電，減少功耗，使得我們再工作或學習的時候，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會向周圍環(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)境輻射能量改變時會產(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、價格低廉等優(yōu)點。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。芯片的輸出可驅動可控硅或繼電器。

工作時，PIR感應信號經(jīng)內(nèi)部運放兩級放大后，經(jīng)窗口電壓比較判斷，如果有觸發(fā)信號產(chǎn)生，運放輸出高電平，計時檢測電路開始計時，進入延時狀態(tài)，在計滿一定時間后，跳變輸出高電平。只有當計時輸出，過零檢測同時為高電平，才會有正脈沖輸出，并控制后端的可控硅或繼電器。

2.2.3 上位機系統(tǒng)設計

上位機采用ARM11架構的RISC處理器做開發(fā)板。開發(fā)板擁有強大的內(nèi)部資源和視頻處理能力，可穩(wěn)定運行在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。

上位機對室內(nèi)的照明區(qū)域進行分區(qū)管理，通過控制不同區(qū)域的燈光亮度實現(xiàn)室內(nèi)照明的各種照明模式。上位機的液晶屏用于顯示調光界面。界面采用跨平臺的C++圖形用戶界面應用程序Qt進行編寫，QT完全面向對象，容易擴展。具有豐富的API、大兩的開發(fā)文檔，可允許真正的組件編程。本設計通過個人電腦上的虛擬機完成程序的編寫，并通過交叉編譯系統(tǒng)移植到ARM中，完成顯示功能。

3 本設計特色和創(chuàng)新點

本方案的設計主要有以下幾點：

1)系統(tǒng)基于總線控制，采用232接口，接口協(xié)議采用標準協(xié)議；

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

3)恒照度控制，實現(xiàn)設置好室內(nèi)照明標準，系統(tǒng)可以根據(jù)外部情況，自動調整燈具的照明亮度，節(jié)約資源，提高舒適度；

4)定時控制，當檢測室內(nèi)無人時，系統(tǒng)可自動關機；

5)上位機操作界面友好，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，并且進一步經(jīng)過優(yōu)化設計，具備集成化、通用性、成本低壽命長等優(yōu)點，可滿足不同用戶對于需求的多樣性，可設計個性化的LED照明產(chǎn)品。經(jīng)濟效益和社會效益都將得到體現(xiàn)。

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

吳傳興，工學學士，電子工程師、電子裝接工高級技師，獲國家實用新型專利二項，主編和參編教材多本，現(xiàn)任惠州市技師學院電子工程系專業(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。現(xiàn)擔任華南理工大學電子與信息學院“碩士研究生校外指導教師”、廣東省職業(yè)技能鑒定指導中心“廣東省企業(yè)技能人才評價專家”、廣東省人力資源和社會保障廳“技工院校教學質量督導員”。是“國家半導體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”會員，參與半導體照明專業(yè)課題研究與課程資源庫的建設工作。

圖7 遙信輸入電路

5 抗干擾設計

電網(wǎng)環(huán)境是一個具有各種干擾源的強干擾環(huán)境，歷來特別重視運行設備的抗干擾能力。在實現(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)成敗的關鍵。裝置的抗干擾設計，主要應注重以下幾個方面：1)元器件的選型。在一些關件元器件的選型時，應優(yōu)先考慮隔離指標和抗干擾等級。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；交流電源、DCDC模塊的抗干擾指標和紋波等級；所用IC如RS485通信芯片，單片機和ARM處理器芯片等能否在強干擾的工業(yè)環(huán)境中長期穩(wěn)定的工作。2)電路設計。在電路設計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計。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、單片機等系統(tǒng)電路隔離開。[7]3)電路布板設計。在電路布板設計中應注意強弱電走線、區(qū)域分開，注意強弱電走線之間的爬電距離，一般1MM可隔離1千伏.在實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，一般單片機和ARM處理器的總線不宜引出過長，應就近走線等。

6 結束語

本文闡述了智能電網(wǎng)用專變采集終端的硬件設計總體要求，給出了硬件電路總體框圖，詳細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計和裝置抗干擾設計應注意的幾個方面。采用該方案設計實現(xiàn)專變采集終端，硬件成本低廉,自動化成度高,運行安全可靠和優(yōu)質經(jīng)濟,有較高的實用價值。

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