LED与自然光智能耦合照明系统的设计与应用

李继超，李宗涛

（1.菏泽学院 山东 菏泽 247015；2.南京理工大学 江苏 南京 210094）

20世纪70年代能源危机后，能源和环境问题举世瞩目，建筑物如何节约照明用电，引起国际照明界的高度重视。当前，世界各国照明行业的科技工作者在照明领域所做的工作，主要集中在两个方面：一是节能；二是提高照明质量[1]。现阶段研究的热点照明系统是LED照明系统和光纤照明系统。

LED照明系统由于节能、环保、光效好[2]，被广泛用于建筑物照明。光纤照明系统能直接把自然光引入室内照明，在超低能耗的情况下能取得较高的照明质量[3]，但是在太阳光照较弱的阴天、夜晚无法发挥照明功能效，因此系统需与其它照明方式结合使用。

为了吸取LED照明系统和光纤照明系统的优点，弥补各自的缺点，本文要介绍一种智能照明系统的设计方法，它融合了LED和光纤照明系统，取得了比单一LED照明系统更为节能和比单一光纤照明系统更稳定的效果，同时还能实时监测和调节室内亮度以达到最佳照明效果。其设计思路是利用STC89C52芯片作为控制核心，对LED照明系统和光纤照明系统实现耦合控制。 另外，本文给出了一种结构简单且能对循日模块精确定位的设计方法（“射影检测定位”法）。

1 系统组成

智能照明系统是以STC89C52单片机为核心，主要模块有高精度循日采光模块、光纤采光照明模块、LED照明阵列、亮度检测模块、光伏组件、蓄电池。其结构如图1所示，主要的工作流程为：

1）由STC89C52控制中心控制循日模块使太阳光直射采光器件和光伏组件；

2）光纤把采集到的自然光传输到室内进行照明，此时光伏组件把太阳能转化为电能储存在蓄电池中对控制中心供电；

3）亮度检测模块检测到光纤照明系统输出照度低于正常值时，控制中心就会发出信号让均匀分布在室内LED阵列其中某一列LED灯发光，以维持室内最佳亮度，等到光纤照明系统输出照度为0Lux时，此时全部LED灯发光补充室内亮度。反之，当光纤照明系统输出亮度逐渐升高时，LED灯阵列会由全亮向全灭转变。

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

2 主要硬件设计

2.1 STC89C52控制中心

控制中心以一片Atmel公司的STC89C52芯片为核心，接受循日模块上“射影检测定位”传感器传递的信号后，通过对信号处理使循日模块的两个步进电机动作，从而保证光纤采光模块和光伏组件接受最大光照强度。控制中心还能接受亮度检测模块的信号以控制LED阵列照明模块的工作情况。同时，控制中心中应用的单片机系统由STC89C52RC芯片、供电电路、复位电路、晶振电路4部分组成，控制中心的原理图如图2所示。

2.2 循日模块

循日模块采用了独创的“射影检测定位”法来完成追日过程。“摄影检测定位”法采用双遮阳板与双光电传感器配合作用，精确定位太阳与循日模块的相对位置。其控制原理是：晴天时：如图3所示，如果第一遮阳板3的阴影没有遮住第一光电传感器4，说明太阳能利用装置2在水平方向上没有达到太阳直射，控制模块接收到此时第一光电传感器4传递的信号后会控制执行模块1水平方向上的电机转动，直到第一遮阳板3的阴影完全遮住第一光电传感器4，水平方向上的电机才停止转动，使太阳能利用装置在水平方向上达到太阳直射；如果第二遮阳板5的阴影没有遮住第二光电传感器6，说明太阳能利用装置2在俯仰方向上没有达到太阳直射，控制模块接收到此时第二光电传感器6传递的信号后会控制执行模块1俯仰方向上的电机转动，直到第二遮阳板5的阴影完全遮住第二光电传感器6，俯仰方向上的电机才停止转动，使太阳能利用装置在俯仰方向上达到太阳直射。

图2 控制中心Fig.2 Control center

图3 “射影检测定位”示意图Fig.3 Schematic diagram of“Projective detection and location”

2.3 亮度检测模块

亮度检测模块主要功能是检测光纤灯的输出照度，并把亮度值传递给STC89C52芯片进行处理。检测电路主要由光电传感器、电阻、电位器以及LM393芯片组成。当光电传感器接受的光照强度大于设定值时，LM393芯片-INT管脚电位低于+IN管脚电位，此时，LM393芯片OUT管脚输出高电平；当光电传感器接受的光照强度小于设定值时，LM393芯片-INT管脚电位高于+IN管脚电位，此时，LM393芯片OUT管脚输出低电平。LM393芯片-INT管脚和+IN管脚分别与单片机的P2.0和P2.1口相连。亮度检测电路如图4所示。

图4 光电传感器检测电路Fig.4 Photoelectric sensor detection circuit

2.4 LED照明阵列

LED照明阵列由小功率超高亮度的白光LED灯组成，其主要技术参数为:功率不大于0.1 W，工作电压在3～4 V之间，工作电流在20～50 mA范围内，输出光通量在15 000～20 000 mcd左右。为了获得较为理想的亮度和照明范围将多颗LED灯按照等距离的直线排列方式来形成的直线发光光源，然后将多列并联形成LED阵列且均匀的横向分布在照明空间[4]。LED阵列的外围驱动电路采用开关电源驱动电路[5]，LED阵列的每一列均由STC89C52单片机通过继电器来控制此列的通电与否。LED阵列的工作原理为：当光纤照明模块输出的亮度降低时，亮度检测模块会检测光纤灯亮度处于某个亮度分级等级（作者设计时把光纤灯输出照度等级分为0～300 Lux、300～500 Lux和500 Lux以上3个等级）而给控制中心发出信号，然后控制中心会控制相应继电器常开触点闭合或断开，使某一列LED灯工作与否，以维持室内亮度。控制规律为：当光纤灯输出照度300～500 Lux时第1和n+1列亮，其它列灭（作者在设计时共4列，第1和4列亮，2和3列灭）；当光纤灯输出照度0～300 Lux时第2和n列亮 （第2和3列亮），此时LED阵列全部发光；当光纤灯输出照度500 Lux以上时，LED阵列全灭。LED照明阵列电路简图如图5所示。

图5 LED照明阵列电路简图Fig.5 LED array illuminator circuit diagram

2.5 光纤采光照明模块

本照明系统的光纤采光照明模块的功能是：采集太阳光，并传入室内照明。本系统的光纤采光照明模块是遵照目前较为完善的设计方法设计而成[6－7]，本文不再赘述。

3 程序设计

程序的设计主要是实现循日模块、亮度检测模块和LED照明阵列三模块功能的整合，以实现LED与光纤照明的耦合及照明场所亮度的自动调节。程序流程简图如图6所示。

当程序初始化后循日模块的射影定位检测传感器检测太阳光照度，其照度＞0Lux的情况设为白天，反之为黑夜。当判断为黑夜时，程序进入亮度检测部分；当判断为白天时，程序控制循日模块的电机工作，使太阳直射循日模块[8]。程序到亮度检测部分后，亮度检测模块检测光纤灯输出照度，然后把测量值同亮度分级等级比较，在对应控制LED阵列的工作情况。然后程序进入下一个循环。

图6 程序流程简图Fig.6 The program flow diagram

4 实验测试

在实验条件为50 m2的封闭房间、照明要求为照度大于等于500 Lux的情况下由本系统 （采光面积为4.25 m2，LED阵列为4列、功率为39.2 W）和8只40 W日光灯连续测试48小时得到以下数据，如表1所示。

表1 测试数据Tab.1 The test data

以上数据表明，本系统比目前主流的日光灯照明具有明显的节能优势。结合本系统融合了LED和自然光照明技术，所以在照明质量上要远超日光灯照明。

5 结 论

本系统的设计很好的融合了LED和自然光照明，并且实现了一种全新的结构简单、精度高循日模块的设计。本系统经过测试也取得了预期的结果。

本系统不足之处在于设计不是过于严密，受实验条件限制数据不是过于精确，所以有待于改进，以发挥它的优越性。

如果本系统得以开发并广泛应用，这无疑是人类照明系统的一次重大改革，对人类的生活将长生巨大的、深远的影响。本系统可广泛引用于工厂、办公楼、学校、大型商场及家居，养殖场等所有白天需要照明的室内区域。同时，也是我们实现建筑节能减排，促进可持续发展的一项非常值得关注并值得发展的新兴应用术。

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