LED智能控制系统的优化设计

2016-03-12惠州市技师学院吴传兴何培森

电子世界 2016年23期

惠州市技师学院夏威吴传兴何培森

LED智能控制系统的优化设计

惠州市技师学院夏威吴传兴何培森

LED是一种将电能直接转换为光能的多元化合物半导体器件。作为绿色照明光源，具有发光效率高、耗电量少、使用寿命长、可靠性高和安全性好等优点。LED器件的响应时间短，体积小，使用方便，对工作条件要求低，抗冲击、抗震性能强。本文将研究LED照明产品的智能控制系统一体化技术，并通过优化设计，形成具有较高竞争力的产品。

LED；智能控制系统；优化设计

LED是一种将电能直接转换为光能的多元化合物半导体器件。作为绿色照明光源，具有发光效率高、耗电量少、使用寿命长、可靠性高和安全性好等优点。LED器件的响应时间短，体积小，使用方便，对工作条件要求低，抗冲击、抗震性能强。LED发光效率目前已达到160lm/W,理论可达200lm/W，LED照明的普及，有利于解决全球能源危机。长达10万小时以上的寿命，可以减少LED产品的维护工作量。目前LED照明已在射灯、路灯、广告等应用领域得到了推广，未来将在普通照明领域发挥巨大作用。

LED光源被称为第四代照明技术，与传统的照明技术相比，LED照明技术更加高效节能。白炽灯的光效为12-24lm/W,荧光粉的光效为50-70lm/W。按照一般光效定义相比，LED发光效率不算最突出，但是由于其发光光谱集中于可见光区域，效率转换率达到90%。在同样照明效果下，LED耗电量是白炽灯的1/8。单颗LED灯的电压在3.3V左右，与荧光灯相比，安全性更好。

本文将研究LED照明产品的智能控制系统一体化技术，并通过优化设计，形成具有较高竞争力的产品。

1 国内外同类产品和技术情况

LED照明产品按照驱动电压的高低可以分成高压驱动和低压驱动，高压驱动的产品一般使用在固定亮度的单色照明LED灯具上，特别是高亮度白色照明产品可用于代替现有的荧光灯管。低压驱动方式用于控制多色或全彩色照明产品。由于RGB三原色全彩色LED照明产品具有结构简单，灯光颜色鲜艳，效果丰富多彩的特点，因而被广泛应用与广场照明、户外景观照明、舞台照明等场合。

低压电源驱动的LED照明产品，这类产品需要经过高压电缆、功率因素校正、电源低压变换、低压电缆和LED驱动五个环节，每经过一个环节，电能都有部分损失，低压大电流长线驱动的线损耗较大，因而低压驱动LED照明产品的电能使用效率一般很低，造成了电能的极大浪费，同时由于外置开关电源，布线复杂。

高压驱动的LED照明产品电源的驱动途径只需要经过高压电缆、功率因素校正、LED驱动共3个环节，经过的环节少，电能损失也大大减小，并且在高压工作条件下的小电流的长线驱动中，线损耗要小很多，高压LED照明产品的电能使用效率可达80%以上，大大提高了电能效率，但这类产品由于需要灯具内部安装开关电源，所以灯具体积较大。

随着LED亮度的不断提高，LED光源的应用领域越来越广泛，目前的照明系统及设计方法逐渐暴露出一些问题和局限性。主要表现在以下方面：

1)高亮度LED越来越多被应用在微型光学系统中，如微型投影系统，这就要求有微型化的照明光学系统与之匹配。在这些微型照明系统中，LED作为面光源，发散角大等光学特性表现显著，对于照明系统的设计要求高。

2)目前的单片LED的亮度水平相对较低，LED阵列结构在照明系统中的应用越来越多。至今LED阵列的设计方法多采用软件仿真或实测法得出不同阵列参数下的照度分布。再决定是否改变阵列参数直到其符合设计指标。这种不断的验证式设计往往费时费力，也不大可能得到最优的照明系统。

当前国内的LED驱动技术主要停留在点亮LED的层次，未能在效率和调光上作更深一层的优化。国外的LED驱动技术也缺乏智能化的调光功能。本文在LED灯具设计中采用高压驱动方案实现功率变化，并进行恒流处理后驱动LED发光，同时在LED灯具里设计并集成低功耗的逻辑控制部件，开发出集功率变换和集散控制技术为一体的LED照明产品，对于提高LED产品电能效率和LED产品的竞争力具有极大的意义。

2 设计方案

智能照明是今年LED行业热得发烫的一个词语，不少具有前瞻意识的企业也开始积极布局智能照明。今年，飞利浦推出智控LED灯泡Hue，小米也推出Yeelight智能灯泡。对此，专家认为，LED具有微电子、半导体的属性，LED智能照明被认为是增加半导体照明附加值的重要增长点，它涉及众多技术领域，集中了传感器和控制技术、信息和通讯技术，不仅是照明节能的有效方式，而且也将与智能家居、智能建筑有机地融合。

智能LED照明系统就是对LED灯光进行统一管理，实现节能、高效的多样化控制。本方案从照明协议入手，对系统的硬件设计了主机单元和星际单元的硬件电路，包括微控制器、无线电通讯模块、红外热释电检测模块、亮度检测电路及LED驱动电源，实现了上位机、主机系统和从机系统组成的智能LED照明系统。另外，设计了主机系统和从机系统的软件，包括无线通信命令的接收、HDLC命令的发送/接收、开灯、关灯和调光命令处理模块。本方案的系统组成如图1所示。

1)上位机

智能LED照明系统采用集中管理的方式，即以ARM11为核心的上位机，通过无线方式对主机系统进行控制。操作者可以通过上位机控制系统，从而实现照明系统的智能控制。

2)主机系统

主机系统由多个主机单元组成，每个主机单元可控制一个区域内的多个LED照明设备。

3)从机系统

从机系统由从机单元与LED驱动电源组成，从机单元在接收、处理命令后对驱动进行灯光明暗调节控制，从而根据不同的命令完成光照的场景设置。

2.1 总线技术设计

本次系统设计基于RS-485现场总线的LED夜景照明控制系统。通过优化设计，提升了夜景照明设计的水准，延长了灯具的使用寿命；由于该系统的模块构件具有通用性，对中小型企业具有较好的经济实用性。

系统使用改进型HDLC协议，每帧数据仍由6段数据组成，分别是帧头、地址段、命令段、数据段、帧校段及帧尾，每段数据采用固定长度，范围为0-255，这样可省于使用HDLC协议需要由硬件完成的“0”位插入与删除技术，使硬件设计相对简化。帧头数值固定为OX7E，帧尾数值固定为OX7B。根据系统的要求，在命令段中使用不同的数据代表各种控制命令。数据段用于装载调光数据。帧校验中，将地址段、命令段与数据段数值累加的和作为帧校验段的数值。改进型HDLC协议数据帧格式如下所示。

（OX7E）目标地址命令数据帧校验帧尾（OX7B）帧头

2.2 硬件设计

2.2.1 从机单元硬件设计

从机单元主要由微处理器、通信接口、电源组成。结构框图如图2所示。从机单元通过通信接口接收主机单元发出的命令，由微控制器对命令与调光等数据进行处理，输出控制LED驱动电路进行开关、调光的各种信号。

图2 从机系统框图

图3 从机微控制器电路图

1)微处理器设计

微处理器是从机单元的核心，集成了很多功能部件，高耐用性闪存EEPROM单元（128字节），256字节的RAM，15个带有方向单独控制的I/O引脚，2个模拟比较强模块，3个定时计算器，增强型捕捉、比较和PWM模块，增强型USART模块，大大减少了周边器件。

本方案的微控制器采用PIC16F628单片机芯片。系统频率为4MHZ,VDD接电压5V的VCC2，为芯片供电，C12滤波。RX与TX配置为异步通信的输入与输出引脚，与从机系统的通信接口相连，实现主机系统与从机系统之间的命令传输。PWM为单片机的PWM信号输出引脚，与LED驱动的PT4115芯片的DIM引脚相连，实现灯光的明暗控制。

2)调光LED驱动电路设计

采用电源和功率因素校正，PFC芯片可对离线电源的输入电流波形进行整形，使它匹配输入电源波形，从而使从电源吸收的有功功率最大化。驱动电路采用隔离的反激式结构，即采用隔离式、有双绕组BUCK-BOOST转换器，可起到隔离保护的作用，反激式电路结构简单，所用单元数量少。调光LED驱动电路由反激式电路、功率因素校正电路、PWM调光电路及驱动输出四个部分组成。

2.2.2 主机单元硬件设计

主机系统由多个主机单元组成，每个主机单元由多个模块组成，无线模块完成与上位机的信息接收与发送，微控制器将接收到的信息进行处理，通信接口将微控制器的输出信号转换后与从机单元进行通信，亮度检测模块根据实现环境光照度的检测并将相应信息送给微控制器，红外热释电模块对室内是否有人存在进行检测并将相应的信息送给微控制器，拨码开关用于手动设定主机单元的地址。主机单元结构如图4所示。

图4 主机单元结构图

主机单元需要提供的5V电源的有微控制器模块电源以及通信接口模块电源，无线通信模块需要电源3.3V.此部分电源采用一个三端稳压集成电路，内部具有过流过热等保护电路，使用可靠且价格实惠。

1)无线通信模块

上位机与主机单元之间的信息传递是利用网络进行无线通讯实现的。这种技术有功耗低、距离近、成本低、容量大和安全性高等优点，属于个人区域网络和无线个人区域网络的范畴，WPAN可为较近距离内的多个设备建立无线连接，实现互相通讯甚至接入LAN或因特网。

在设计中，为了方便模块在主机单元上的插拔操作，设置了插座用于模块与单片机相连。

2)亮度检测模块

系统需要实现自动调光的功能，则系统需要获得所处环境中的光照强度，调光后需要达到的理想光照强度，通过亮度检测模块来实现。

单片机将采样获得的环境光照强度与与光照期望值进行比较，当环境光照强度小于系统的光照强度期望值时，主机单元会通过系统总线给出光照增强指令，通过增亮或减亮这两个方向的节约用电，减少功耗，使得我们再工作或学习的时候，获得更好的舒适感。

3)红外热释电检测模块

由PIR传感器和芯片组成。人们在处于正常温度时会向周围环境中红外辐射一定波长的红外线，在非接触性情况下，PIR热释电红外传感器在环境辐射能量改变时会产生电荷变化，本身不发出任何类型的辐射，具有隐蔽性好、器件功耗小、价格低廉等优点。芯片功能图如图5所示。

图5 热释电模块芯片功能图

图5中CDS为硫化镉传感器，CDS接内部施密特触发器，在白天，CDS组织低，施密特反向器输出为低，抑制输出；天色变暗后，施密特反向器输出为高，允许输出。芯片的输出可驱动可控硅或继电器。

工作时，PIR感应信号经内部运放两级放大后，经窗口电压比较判断，如果有触发信号产生，运放输出高电平，计时检测电路开始计时，进入延时状态，在计满一定时间后，跳变输出高电平。只有当计时输出，过零检测同时为高电平，才会有正脉冲输出，并控制后端的可控硅或继电器。

2.2.3 上位机系统设计

上位机采用ARM11架构的RISC处理器做开发板。开发板拥有强大的内部资源和视频处理能力，可稳定运行在667MHZ主频以上。集成了多种高端接口，如符合视频信号、摄像头、USB、SD卡、液晶屏等。

上位机对室内的照明区域进行分区管理，通过控制不同区域的灯光亮度实现室内照明的各种照明模式。上位机的液晶屏用于显示调光界面。界面采用跨平台的C++图形用户界面应用程序Qt进行编写，QT完全面向对象，容易扩展。具有丰富的API、大两的开发文档，可允许真正的组件编程。本设计通过个人电脑上的虚拟机完成程序的编写，并通过交叉编译系统移植到ARM中，完成显示功能。

3 本设计特色和创新点

本方案的设计主要有以下几点：

1)系统基于总线控制，采用232接口，接口协议采用标准协议；

2)可实现场地控制功能，预先根据需求设定各种场景下各区域的光照度，方便用户的需要；

3)恒照度控制，实现设置好室内照明标准，系统可以根据外部情况，自动调整灯具的照明亮度，节约资源，提高舒适度；

4)定时控制，当检测室内无人时，系统可自动关机；

5)上位机操作界面友好，控制方面。

本方案的LED智能控制系统充分的吸取其他智能系统的优点，并且进一步经过优化设计，具备集成化、通用性、成本低寿命长等优点，可满足不同用户对于需求的多样性，可设计个性化的LED照明产品。经济效益和社会效益都将得到体现。

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夏威，工学硕士，电子讲师、维修电工高级技师，获国家发明专利一项，国家实用新型专利一项，主编和参编教材多本，现任惠州市技师学院电子工程系专业教师。

吴传兴，工学学士，电子工程师、电子装接工高级技师，获国家实用新型专利二项，主编和参编教材多本，现任惠州市技师学院电子工程系专业教师。

何培森，物理高级讲师，家用电子产品维修工高级技师，惠州市技师学院电子工程系主任。出版全省、全国统编教材3本，国家中等职业教育改革示范校教材5本，在《家电维修》等杂志发表论文多篇。现担任华南理工大学电子与信息学院“硕士研究生校外指导教师”、广东省职业技能鉴定指导中心“广东省企业技能人才评价专家”、广东省人力资源和社会保障厅“技工院校教学质量督导员”。是“国家半导体照明工程研发及产业联盟”会员，参与半导体照明专业课题研究与课程资源库的建设工作。

图7 遥信输入电路

5 抗干扰设计

电网环境是一个具有各种干扰源的强干扰环境，历来特别重视运行设备的抗干扰能力。在实现了装置的软硬件功能开发的情况下，装置的抗干扰能力就成了研发成败的关键。装置的抗干扰设计，主要应注重以下几个方面：1)元器件的选型。在一些关件元器件的选型时，应优先考虑隔离指标和抗干扰等级。具体如光隔、继电器、交流电源、DCDC模块、电压和电流传感器等的隔离指标；交流电源、DCDC模块的抗干扰指标和纹波等级；所用IC如RS485通信芯片，单片机和ARM处理器芯片等能否在强干扰的工业环境中长期稳定的工作。2)电路设计。在电路设计中加入抗干扰的器件元素，如在电源输出端加消减干扰的TVS管、电容、磁珠等，在强电输入端串接磁环，加高压电容等。在软硬件中加入看门狗的设计。将与外的接口电路如通信、遥信、遥控、脉冲量和电源输入都与ARM、单片机等系统电路隔离开。[7]3)电路布板设计。在电路布板设计中应注意强弱电走线、区域分开，注意强弱电走线之间的爬电距离，一般1MM可隔离1千伏.在实在没有足够间距的地方可做挖空处理。还要注意元件的布局和信号线的走线，一般单片机和ARM处理器的总线不宜引出过长，应就近走线等。