智能LED灯控制系统

刘　辉

(吉林建筑大学城建学院 电气信息工程系， 吉林 长春　130111)



智能LED灯控制系统

刘辉

(吉林建筑大学城建学院 电气信息工程系， 吉林 长春130111)

摘要：以ARM为控制器，红外热释电传感器为控制信号，根据环境光线的亮度控制LED灯以及亮度。适用于学校教室、实验室等人员相对静止的场所。

关键词：红外热释电； ARM； LED

0引言

现在被广泛使用的红外热释电感应灯都是使用在走廊、楼梯等人员走动的地方。而用在教室、实验室等人员相对静止的地方，仅简单使用红外热释电传感器就有一定的局限性。文中介绍了使用红外热释电传感器和ARM配合，实现相对静止的人体检测的方法。所以，这种方法适用于学校的教室、实验室这样的地方。要实现光线比较暗的时候，检测是否有人进入或者停留在教室、实验室，进而点亮LED灯，就要有光线传感器(光电二极管)感应光线的强弱，并且使用红外热释电传感器配合ARM控制，检测是否有人。由于红外热释电传感器只对变化的红外信号敏感，对恒定的红外信号没有输出，文中介绍了红外热释电传感器对运动的人体产生变化信号的方法和静止人体产生变化信号的方法。根据传感器的输出信号对LED灯的点亮与熄灭进行控制。这种智能LED控制系统可以很好地实现有人的时候(无论人是否移动)点亮LED灯，人离开的时候关闭LED灯，节约电能非常适用于教室、实验室这样的地方，因此，具有较强的实用性和新颖性。

1红外热释电传感器的工作原理[1-2]

红外热释电传感器只对运动的人体敏感，像教室、实验室这样人员相对静止的地方，如果简单的使用红外热释电传感器检测是否有人，进而控制LED灯的亮灭就有些困难。文中介绍了用红外热释电传感器配合ARM来实现相对静止的人体检测方法。

热释电传感器的敏感元件是用热释电人体材料制成的，先把热释电材料制成很小的薄片，再在薄片上镀上电极，构成两个串联的、有极性的小电容，将极性相反的两个敏感元做在同一晶片上，是为了抑制由于环境和自身温度变化而引起的热释电的干扰[1]。而热释电红外传感器在使用的时候前面要安装透镜，通过透镜的外来红外线辐射只汇聚在一个敏感元上，以增强接收信号。热释电红外传感器的特点是它只在由于外界辐射而引起的温度变化时，才给出一个相应的电信号。当温度变化趋于稳定后，就再没有信号输出，所以说热释电信号与它的本身温度变化率成正比，或者说热释电红外传感器只对运动的人体敏感，应用于移动的人体检测。

热释电人体传感器只有配合菲涅尔透镜使用，才能发挥最大作用。不加菲涅尔透镜时，该探测器的探测距离可能只有2 m；配合菲涅尔透镜，探测距离可以达到10 m，甚至更远。菲涅尔透镜是用超密度的热塑性聚乙烯制成的，安装在传感器前面，红外线信号可以比较多的通过菲涅尔透镜。菲涅尔透镜实际上是一个透镜组，当光线通过透镜单元，在其反面则形成明暗相间的可见区和盲区。每个透镜单元只有一个很小的视场角，视场角内为可见区，之外为盲区。相邻的两个透镜单元的视场既不连续，更不交叠，却都相隔盲区。当人在这一监视范围中运动时，顺次进入某一可见区，然后又走出可见区，进入盲区，热释电传感器对运动的人体一会儿看到，一会儿又看不到，再过一会又看到，然后又看不到[3]。于是人体的红外热辐射不断的改变热释电传感器的温度，使它输出一个又一个相应的信号。输出信号的频率大约为0.1~10 Hz，这一频率范围由菲涅尔透镜、人体运动速度和热释电传感器本身的特性决定的。菲涅尔透镜不仅形成可见区和盲区，而且还有聚焦作用，正是因为有焦距作用，才使其探测距离大为提高[4]。其焦距一般为25 mm，还有半球面形状的菲涅尔透镜，其焦距约为11 mm。一般把透镜固定在传感器正前方25 mm处(25 mm焦距)或者11 mm处(11 mm焦距)。透镜的焦距正好对准传感器敏感元的中心，这样使传感器的检测最为灵敏。

红外热释电传感器选用RE200B，它的主要参数[4]如下：

工作波长：5~14 μm;

灵敏度：3 300 V/W;

比探测率：1.5×108cm· Hz1/2· W-1。

热释电红外传感器配合菲涅尔透镜，直接安放在教室或实验室的顶部。因为当人到教室以后，如果坐在桌边看书，人基本上不动，传感器很难检测到，这时候就需要想办法使静止的人被检测到。有两个办法使静止的人在红外热释电传感器输出端产生信号。第一个办法是在透镜和传感器之间安装一个类似风扇的东西，当风扇转动的时候，用风扇叶把恒定的人体热辐射斩波以后，辐射到传感器敏感元上，产生变化的信号。第二个办法是让热释电传感器以一定的速度旋转一个角度，这个办法与人在地面上走动一样，使人体的热辐射在传感器上产生变化的信号，从而检测到静止的人体。然而第一个办法有时候会有问题，因为如果人坐在菲涅尔透镜的盲区，就不能在传感器产生变化的信号。而第二个办法只要人在传感器的探测范围内，就可以使静止的人和传感器之间产生相对的移动，使传感器输出信号。可见，第二个办法可以很好地解决静止的人体检测的难题。

2应用ARM控制LED灯原理[5]

2.1　原理简介

LED控制系统[6-7]接通电源，ARM根据环境光线的亮度，如果环境光线比较亮，ARM屏蔽红外热释电传感器信号，关闭LED灯。当光线比较暗的时候，ARM检测是否有红外热释电信号，如果有信号输出，说明有人进入房间，ARM控制LED灯点亮。并且根据环境的亮度自动调节LED的亮度，环境光线较暗的时候，控制LED灯，使其电流增大，增加LED的亮度，如果光线较亮，则控制LED灯，使其电流小些，LED就暗一些。当红外热释电信号消失时，经过一小段时间的延时(延时时间由ARM程序控制)，如果这段时间还没有红外热释电信号输出，则ARM控制红外热释电探头转动一个小角度(15°即可)，转动以后再转回原位，如果红外热释电传感器有信号输出，则说明房间里有人，继续控制LED灯点亮，如果没有信号输出，说明人已经离开房间，就关闭LED灯，如此循环控制。

红外热释电传感器放大器采用带通放大器，放大器的中心频率为1 Hz左右，放大器的带宽对灵敏度和可靠性有很大影响。带宽窄、噪声小，则误测率低；带宽高、噪声大，则误测率高。但对快速、慢速移动响应好。

2.2　实现电路图

红外热释电传感器放大电路和比较器输出电路如图1所示。

图1　红外热释电传感器放大电路和比较器输出电路

图中放大器电路采用LM324通用运算放大器，LM324是4运放。由U1A和U1B组成的中心频率为1 Hz的带通放大器，对热释电传感器信号进行放大，只要U1B的输出信号幅值大于约0.7 V，就可以使U1C或U1D输出高电平(U1C和U1D组成窗口比较器)，这个电平经过R14和R16分压以后，输入到ARM。ARM是+3.3 V电源供电，其输入电压最好不要超过3.3 V，LM324是+5 V供电，输出电压最高为+3.8 V左右，所以经过R14和R16分压输入到ARM，这样可以使ARM比较可靠地识别是否有检测到人的信号。由ARM控制LED灯的点亮时间和亮度。

ARM选用意法半导体生产的STM32L051系列，这个系列的ARM处理器内部含有A/D，D/A。可以用来采集环境光线的强弱，并且用D/A控制LED的亮度，而且它的价格比较便宜，批量生产价格较低。

光亮度检测电路如图2所示。

图2　光亮度检测电路

电阻两端的电压作为光强度检测信号，送到ARM的A/D转换引脚来测量光线强度。

光电检测二极管受到光照后，其反相电流增大，bpw21的光谱灵敏度为10 nA/Lx，当环境光照度为500 Lx时，电阻两端的电压约为1.5 V，如果要求看书时眼睛不疲劳，室内的照度应该在1 000~2 000 Lx之间，最低不应低于500 Lx，即放在教室/实验室内的光强度电路不应低于1.5 V。如果检测到电阻两端电压低于1.5 V，说明教室/实验室内的亮度偏低(低于500 Lx)。如果检测电压较低，就在点亮LED时，根据检测电压的高低自动调整LED的电流，从而适应环境光线的亮度。走廊的亮度检测电路电压低于0.3 V(光照度低于100 Lx)，检测到有人走过时，才控制LED点亮，因为不在走廊看书，亮度可以低些。亮度控制通过ARM的D/A输出电压值，控制流过LED的电流，从而控制LED的亮度，亮度检测电路要经过高输入阻抗缓冲电路才能进入ARM的D/A。

LED灯的点亮与熄灭[8]由ARM的IO口控制继电器来实现。其电路图如图3所示。

3结语

以ARM和红外热释电传感器相结合，可以有效检测教室和实验室是否有人(无论人是否走动)，并结合光电二极管对环境光线的检测，对LED灯的点亮与熄灭以及LED灯的亮度进行智能控制。以ARM和红外热释电传感器相结合，进行是否有人的检测，这种方法具有很强的新颖性和实用性。

图3　IO口控制继电器工作原理图

参考文献：

[1]孙乔，杨卫，于海洋，等.基于动态下使用热释电传感器的新型目标探测方法的研究[J].计算机测量与控制，2011(11)：2649-2651.

[2]张兴周,苏运东.热释电红外传感器原理及其应用[J].内江科技，2010(12)：116，160

[3]赵玉林.基于单片机的微波防盗报警器[D]：[硕士学位论文].烟台：烟台大学，2011.

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

[5]宫丽男，吕洪武，王宏志.基于ARM9的嵌入式Web服务器的设计[J].长春工业大学学报：自然科学版，2009，30(3)：323-326.

[6]梁文翰，贾文超.太阳能路灯模糊控制器[J].长春工业大学学报：自然科学版,2012,33(2)：146-150.

[7]巢时斌.大功率LED路灯直流供电管理系统研究[D]：[硕士学位论文].广州：华南理工大学,2012.

[8]张昊程.LED调光方案及其驱动器设计[D]：[硕士学位论文].西安：西安电子科技大学,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.

作者简介：刘辉(1980-)，女，汉族，河北河间人，吉林建筑大学城建学院讲师,硕士，主要从事嵌入式系统及图像处理研究,E-mail:834015016@qq.com.

基金项目：吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目(吉教科合字[2014]第597号)

收稿日期：2014-10-13

中图分类号：TM 923

文献标志码：A

文章编号：1674-1374(2015)01-0053-04

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