应用于展会照明的LED智能控制系统*

莫忠 王小辉 刘志宇 卫红 曹一鸣 黄作宏

（1.广州市光机电技术研究院 2.广州辉鸿灯光器材有限公司）

0 引言

LED作为一种固态冷光源，是继白炽灯、荧光灯、高强度放电灯之后的第四代新光源，是一种典型的绿色照明方式，与传统光源相比，具有节能、环保、寿命长、体积小、安全可靠、响应速度快等诸多优点。目前 LED已经在城市景观装饰、交通信号与商业广告领域广泛应用[1-5]，并逐步开始应用于路灯照明、展会照明、舞台灯光等领域。现代会展业作为一种行业联系的纽带、城市展示的窗口、经济增长的引擎，在现代经济发展中发挥着重要作用，更是未来重要支柱产业之一，展会照明在全球及国内的灯光照明行业中占有重要的市场份额[6-7]。

作为新兴的光源，LED会展照明灯相对于传统会展灯（石英灯、金卤灯），具有寿命长、无红外紫外辐射、调光控制容易等优势；并且更加节能环保。目前达到同样的照明效果，LED的耗电量大约是白炽灯的1/10，荧光灯的1/2[8]。针对会展业灯光照明安全、节能、智能和会展特定光域等需求，本文设计了一款适用于高端展览、博物馆、文物及艺术品展览等现代展会照明的 LED智能控制系统[8-12]。系统采用 LED成像灯的二次光学设计和RGBW/Y五色混色机理，实现多种色彩精准变换混色、光线色彩均匀聚光和光域形状调节，有效解决LED成像灯的出光均匀性、配光角度、眩光和偏色等问题；进一步优化 LED的节能效果，节约电力资源，符合现代会展照明智能化、节能化和舒适化的发展趋势。

1 控制系统设计

LED智能控制系统总体结构如图1所示。根据会展区域人员活动情况，确定动静探测器（红外感应装置）的位置及数量，并利用动静探测器收集人员活动信号，将收集到的信号进行处理后传送给MSP430单片机[1,9]；然后由光敏模块检测光强信息并传送给单片机；单片机根据处理结果输出相应的脉冲宽度调制（PWM）信号，传送给LED驱动电路，从而控制LED可调变焦成像灯，实现照明范围内感应开关及渐亮渐暗功能。

图1 LED智能控制系统总体结构

2 光学设计

2.1 光斑、光域、远近光切换二次光学设计

LED智能控制系统采用不同比例的 RGBW(Y)（红、绿、蓝、白（或黄））五色 LED组成阵列高亮度的二次光源，外部辅助一种特殊复合椭球体反光杯的全反射式二次光学组件，对全反射式 LED模组内外部透镜进行二次光学设计，可收集从 LED芯片发出的全部180°的光，并重新分配到指定的区域；再经过多层台阶的复眼柔光透镜，使光线在透射处透散射单元（六边形透散射单元的尺寸较小并复眼式紧密排列，具有很好的折射和反射效果）表面的同时，经过多次的折射和散射，并在圆面和圆环面的表面相互反射，多层台阶的复眼柔光透镜如图2所示，其中数字代表透镜编号。

图2 多层台阶的复眼柔光透镜

外部光斑、光域、远近光切换二次光学镜头组，在外部镜头加装光域调节光阑板，可根据不同的展品形状进行光域形状调节。全反射准直透镜与60°角泛光透镜光线图如图3所示。

图3 全反射准直透镜与60°角泛光透镜光线图

这样的配光设计使LED灯头光强的远场角度呈现合理的分布，使光斑的中间和边缘比较均匀（市面上LED光斑中间比较亮，周围逐渐变暗，容易造成眩光）。透镜还可以实现截光，消除眩光。同时，使成像灯混色更加完美，增加视觉的舒适效果，实现更好的光学混色效果。

外部光斑、光域、远近光切换二次光学镜头组主要针对会展照明安全性和复杂的光程光域要求设计，LED成像灯及光组件结构如图4所示。

图4 LED成像灯及光组件结构

2.2 五色混色变换

RGBW(Y)混色可实现多种色彩精准变换混色，光线色彩均匀聚光，解决了原有RGB混色，LED灯交叉混色不均匀、有偏色的问题。RGBW(Y)混色法采用引入黄光及在二次配光透镜的内穴镀制色温滤光膜的方案，解决了LED灯具本身色温较高的问题。

将红、绿、蓝、白（黄）LED灯珠按梅花状矩阵排列方式串+并联起来，以均匀间隔排列在光源板上，使 LED灯珠的光线在导光空间内相互均匀交叉，消除传统方形排列相邻 LED产生的阴影区域。梅花形LED灯珠矩阵排列方式如图5所示，其中21～24分别为红、绿、蓝、黄，25为白。

图5 梅花形LED灯珠矩阵排列方式

3 控制系统关键部分实现

3.1 感应开关及渐亮渐暗设计

智能化驱动的灵敏调光方案，采用动静探测器和光传感器作为信号采集模块，MSP430单片机作为微控制器，单通道LED恒流驱动器DD312驱动LED发光，并通过PWM脉宽调制来控制LED芯片渐亮渐暗发光特性。动静探测器和光传感器布置示意图如图6所示。

动静探测通过新型热释电红外传感器（表面罩一个菲涅耳透镜，用来提高探测灵敏度）检测人体放射的微弱红外线能量，判断区域内人员活动情况，即有人进入探测区域时，传感器产生一个交变红外辐射信号，并输出一个微弱的电压信号；再通过信息处理模块将传感器输出的电压信号通过滤波、放大、整形后输出脉冲信号。

图6 动静探测器和光传感器布置示意图

光敏检测单元由光敏电阻和三极管组成的背景光检测电路。当背景光强度强时，光敏电阻阻值减小，三极管处在非工作状态，三极管的集电极输出低电平；当背景光强度较弱时，光敏电阻阻值增大，三极管处在工作状态，三极管的集电极输出高电平。光传感器芯片通过I2C总线与单片机连接。

MSP430单片机通过接收红外探测器和光敏检测模块的输出信号，判断区域内人员存在情况和光照条件，最终形成矩形脉冲以控制PWM信号。脉宽调制式开关型稳压电路在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整一个周期固定的方波占空比。当调整PWM 的占空比时，会引起电压电流的改变，LED的明暗状态也会随之发生相应的变化（占空比不断升高，耗电量不断增大，LED灯也就越亮）。感应开关的设计，在满足相关照明和观众舒适度要求的同时，大幅度节约电能，并预防了光污染对展品的伤害。

3.2 软件设计

LED智能控制系统软件分为照明控制总程序、现场信息采集程序等。系统初始化后，首先通过红外传感器对所辖区域内的人员活动情况进行检测，区域内无人时PWM控制输出占空比为0（灯熄灭）；有人情况下，由光敏模块检测光强信息，MSP430判断展区光强能否满足照度（设定值）的现状，根据传感器采集到的信号，传送给单片机，通过PWM控制输出占空比逐渐增大（逐渐减小）实现灯的亮度逐渐变亮（逐渐变暗）。软件流程图如图7所示。

图7 软件流程图

4 实验结果

本文选取小型会展区域，对比 LED灯具和传统日光灯的节电效果。实验中预先设定2个光照等级，红外传感器对所辖区域内有人时对应普通照明，即PWM 控制输出占空比为 80%；无人时熄灭，对应PWM控制输出占空比为0%。全天工作8小时，选取全天普通照明和智能调控照明对比2种灯具的耗电量，结果如表1所示。

表1 耗电量对比

由表1可见，全天普通照明的情况下，LED较日光灯节电约50%；在引入LED智能控制系统后，可根据展会区域人员活动情况及光强进行照度调控，节电效果更加明显。传统单一的手动控制开关，不具备调光功能，工作期间照度基本保持一致，造成资源浪费。同时，系统实现多色混色，色温在2500 K～ 10000 K可调，光斑均匀，轮廓清晰，无RGB杂光，展会LED成像灯照明效果如图8所示。

图8 展会照明的LED成像灯效果图

5 结论

本文采用热释电红外传感器、MSP430单片机、单通道大功率LED恒流驱动器DD312，应用PWM调光原理构建了LED智能控制系统，并通过实验分析了系统的节电效果。该系统根据展会区域内的人员活动情况及实际光照度进行照明智能控制；LED成像灯的二次光学设计和RGBW/Y五色混色，有效解决LED成像灯的出光均匀性、配光角度、眩光和偏色等问题；实现了会展照明智能化、节能化和舒适化，有着广阔的社会和商业前景。

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