一種基于非成像光學的校園LED節能路燈設計

周韜 劉晉 楊朋 張順如

【摘 要】本文利用非成像光學設計方法，設計了一種新型的基于LED光源的均勻照明系統。并采用STC89C52RC單片機為主控芯片，設計出了既有時間控制又可以依據自然光輻射、人體紅外光輻射的雙重控制的LED路燈。

【關鍵詞】LED；光學設計；控制電路

中圖分類號： TM923.34 文獻標識碼： A 文章編號：2095-2457（2018）05-0181-004

【Abstract】In this paper，a new uniform lighting system based on LED light source is designed by. non-imaging optical design method.The STC89C52RC single chip microcomputer is used as the main control chip，a LED street lamp controlled by time， natural light radiation and infrared radiation of human body was designed.

【Key words】LED； Optical design；Control circuit

0 前言

校園路燈控制系統已在我國廣泛應用，而傳統的校園路燈控制為“人工控制”、“時控”或“光控”等單一的控制方式[1]。單一控制的方式會造成一定的能源浪費。因此，本次設計根據校園路燈使用的實際情況，采用照明時間上的控制、及光電傳感器對人體紅外光的感應，設計出一種具有高節能且能夠實現高品質照明的時控及光控的雙重控制模式的校園智能LED節能路燈。

1 基于非成像光學的LED均勻照明的光學系統設計

本次設計的兩個光學系統應用于LED路燈照明中，這兩個光學系統的設計目標分別為均勻的矩形光斑和圓形光斑。設計采用的主要思路是：首先從單個LED光源出發，分析單個LED光源的位置排列及傾角的大小；然后就單個LED光源進行二次光學設計（矩形、圓形光斑）；最后將設計好的單個LED模型導入整個照明系統中進行模擬驗證。從光分布來看，LED二次光學設計（非成像光學）首先要進行的是出光角度重新設計，其次是光強分布應做到均勻[2]。

具體要求如下：（1）均勻度：不超過10%，即最大光通量和最小光通量之差要小于10%；（2）光能利用率：在保證均勻度的前提下不得低于60%，越高越好。

1.1 單個LED非成像矩形均勻光斑照明的光學系統仿真模擬及效果分析

將設計好的透鏡3D模型導入光學仿真軟件中，設計符合條件的光源，這一光源必須與所用的光源特性吻合。在軟件中設定符合條件（光束角、光源幾何大小）的單個光源，將透鏡置于單個LED光源前，設定透鏡的折射率及尺寸，模擬追跡的光線數為200000條，模擬過程如下圖1所示。圖1是矩形均勻光斑單個透鏡的光線追跡圖。

模擬結果如下，下圖2是矩形均勻光斑單個透鏡的模擬照度分布圖，由圖可知，LED光源在經過設計的單個透鏡后能夠得到一個均勻的矩形光斑，設計結果符合均勻性要求。下圖3是矩形均勻光斑單個透鏡的模擬剖面分布圖，可以較準確地評估矩形光斑區域的尺寸，設計結果符合設計目標。下圖給出了接收面照度在X和Y方向的分布，可知兩個方向均可達到75%以上的均勻度。

1.2 單個LED非成像圓形均勻光斑照明的光學系統仿真模擬及效果分析

將設計好的透鏡3D模型導入光學仿真軟件中，設計符合條件的光源，這一光源必須與所用的光源特性吻合。在軟件中設定符合條件（光束角、光源幾何大小）的單個光源，將透鏡置于單個LED光源前，設定透鏡的折射率及尺寸，模擬追跡的光線數為200000條，模擬過程如下圖4所示。圖4是矩形均勻光斑單個透鏡的光線追跡圖。

模擬結果如下，下圖5是圓形均勻光斑單個透鏡的模擬照度分布圖，由圖可知，LED光源在經過設計的單個透鏡后能夠得到一個均勻的圓形光斑，設計結果符合均勻性要求。下圖6是圓形均勻光斑單個透鏡的模擬剖面分布圖，可以較準確地評估圓形光斑區域的尺寸，設計結果符合設計目標。下圖給出了接收面照度在X和Y方向的分布，可知兩個方向均可達到75%以上的均勻度。

1.3 光學系統仿真結果分析

根據上述仿真結果分析，被照面照度基本呈矩形或圓形分布，照度均勻分布。其照度均勻度均達到了75%以上，使得LED路燈獲得了較高的光能利用率、照度均勻性和更優化的設計空間。另外被照面的照度分布不是嚴格的矩形或圓形分布，這個誤差主要是光學系統的初始模型設置和多參數優化過程中引入的。所以該自由曲面透鏡符合光學系統設計要求。

2 基于非成像光學的校園LED節能路燈的硬件電路設計

本設計將采用單片機作為主控芯片，外界信息采集采用熱釋電紅外傳感器、硅光電池等光電傳感器，并用ADC進行模數轉換，采用時鐘芯片來提供時間參考。要實現的功能如下：

（1）具備光控時控等功能；

（2）無論白天黑夜，只要外界光強暗到一定的程度路燈就立即工作；

（3）外界光強由明到暗或由暗到明時，路燈光強隨著外界光強的變化由弱到強或由強到弱；

（4）晚上8點到12點正常工作，午夜12點到凌晨5點熄滅；

（5）在午夜12點到凌晨5點路燈熄滅時，當有人路過時路燈工作，當無人路過時路燈保持熄滅。

設計的系統總方案如下圖7所示：

本設計采用ADC0809的查詢方式進行AD轉換。電路圖如下圖8所示：

如上圖9所示，采用同相輸入比例運算電路放大硅光電池所輸出的電壓，放大倍數計算公式為：

在本設計中R12的值為38KΩ，R11的值為2KΩ所以根據上面的公式可得該電路放大倍數為20倍。將放大后的輸出電壓接到ADC0809的IN0引腳上進行AD轉換。

本設計中采用HT7533穩壓器將5V電壓降到3.3V為EG4002和熱釋電紅外傳感器供電，EG4002紅外熱釋電處理芯片的應用電路圖如下圖10所示。

當外界光強減弱時，光敏電阻的阻值增大，從而導致第一個三極管的基極電壓增大。當外界光強降到某個特定值時，光敏電阻的阻值也增大到某個特定值使基極電壓達到開啟電壓，從而使三極管導通驅動繼電器工作。此時，電路總開關開啟。同理，當外界光強增強時，由于光敏電阻的阻值降低導致基極電壓低于開啟電壓三極管不導通，從而使繼電器不工作電路總開關斷開。電路如圖11所示：

LED控制電路如下圖12所示：

DS1302的應用電路如下圖13所示：

3 軟件設計

3.1 主函數的設計

主函數內主要包括系統初始化，ADC采樣以及各功能函數的引用。首先是配置內部定時器T0和TI裝載高八位和低八位并打開中斷，再引用時鐘芯片DS1302的初始化函數，然后開啟ADC0809通道0的AD轉換采樣硅光電池電壓，再讀取時鐘芯片里面的時間，根據AD值和時間計算出LED的亮度。計算完成后開啟ADC0809通道1的AD轉換開始采樣熱釋電的電壓，同樣讀取時間數據，然后根據時間數據和AD值判斷LED燈是否打開。在完成后又回到第一次AD轉換開始第二次循環。主函數設計流程圖如下圖14所示。

3.2 DS1302時鐘函數的設計

本模塊主要分為讀寫兩個子模塊，寫入DS1302初始時間值，讀出實時時間值。先對DS1302的RST和SCLK引腳置0，然后對RST置1啟動數據傳輸。在延時2us后將SCLK置0，用for循環寫入8個二進制位數據寫入寫命令字，延時2us后再次拉低SCLK用for循環寫入時間值的8個二進制位數據，等待數據寫入完成后將SCLK和RST分別置1置0禁止數據傳輸。根據寫入命令字的不同對寄存器的不同位進行操作。時鐘寫函數流程圖如上圖15所示，時鐘讀函數流程圖如下圖16所示。

3.3 AD轉換函數的設計

本函數主要是用于開啟ADC轉換并讀取ADC的數據。通過對ADC0809的A、B和C引腳置位選通8路模擬輸入中的一路，然后對ST引腳置0后再置1最后置0開啟ADC的轉換，接著用while循環語句等待轉換的完成，當轉換完成后將OE引腳置高電平打開數據輸出的允許位，最后單片機通過讀取P3口的狀態來獲取ADC的數據。ADC轉換函數設計流程圖如上圖17所示。

4 結論

首先根據光學系統仿真結果分析，可知本次設計的兩個光學系統都實現了光學系統設計的目標及要求。它們的照度均勻度都達到了75%以上，符合預期設計的照度均勻度要求，完成了目標平面與光源在合適距離下目標平面上照度的均勻分布。其次，此設計將實現在傍晚或黎明時依據自然光的明暗來控制路燈相應的亮度；午夜12點至凌晨5點路燈熄滅，午夜至黎明的時間段內若有人經過則自動短時間亮起路燈以進行照明的功能。

【參考文獻】

[1]錢宏，張華，黃宗福，等.基于多傳感器的智能路燈控制器設計[J].中國科技信息，2014（7）：138-140.

[2]楊朋，諶雄文，周韜，等.一種基于LED的均勻矩形光斑透鏡設計[J].科技視界，2016（25）：228-229+100.

[3]Da Bo Dong.Design of Intelligent System for LED Lighting Based on PWM[J].Advanced Materials Research.2013（765）：2567-2570.