低成本LED智能照明系统的设计

李　秘，丁时栋，李贵柯，赵柏秦，吴南健(中国科学院半导体研究所，北京100083)

低成本LED智能照明系统的设计

李秘，丁时栋，李贵柯，赵柏秦，吴南健
(中国科学院半导体研究所，北京100083)

提出了一套LED智能照明系统的设计方案，给出了系统的设计思路和具体电路的实现方法。人体红外感应模块和环境亮度感应采集环境信号，通过LED驱动电路、开关控制电路和调光控制电路共同控制LED灯珠的状态。控制系统采用低成本纯模拟电路设计，非基于单片机的控制方案。测试结果表明，系统长时间运行稳定，照明效果良好，高效节能，省电70％以上，在室内照明和室外景观中都有一定的应用前景。

智能照明；LED；线性调光

目前各类照明灯具大多采用手动开关控制，未能及时关灯的情况频频发生，造成了很多不必要的电能浪费。针对这种现象，“人来灯亮，人走灯灭”的照明控制应运而生。但对于很多应用场所，即使局部无人，也不希望灯全部熄灭，例如路灯、走廊灯、停车场以及有人加班的大开间办公室等。所以“人来灯变亮，人离开灯根据需要变暗”既可以有效地降低能耗，又能保证被照明场所的安全性和舒适性，才是真正的智能照明。

目前各种智能照明控制产品市场火热，科锐、飞利浦和欧司朗等国际大型企业争相投入研发智能照明系统，国内也有一些公司推出了各种智能照明产品。不过市场上这类产品大多数是属于集中控制的，适合于大系统范围的整体控制，但单灯控制不是很灵活，这会限制产品的应用场合。针对以上问题，本文设计了一套低成本、高性能的LED智能照明系统，每一盏灯均可感应人体的红外信号和外界光强信号，“人来灯亮，人走微亮”地控制LED灯，可以显著减少耗电量，满足智能楼宇、停车场等照明节能的需求。

1 智能照明系统方案设计

图1　LED智能照明系统原理框图

本系统主控部分采用纯模拟电路设计，而非高校中主流的单片机控制方案[2]，出于成本和性能的综合考虑，本文从简单实用的角度提出该电路设计方案。

该系统主要由三部分组成：传感器部分、控制部分和LED灯珠阵列，如图1所示。其中，传感器部分包括人体红外感应模块和环境光强感应模块，实现对环境的智能感应；控制部分包括LED驱动电路、开关控制电路和调光控制电路三部分，用来实现对LED灯的开关及亮度调节控制。

开关控制电路起到主开关的作用，根据室内光线的强弱来控制LED灯珠阵列的点亮和熄灭。调光控制电路采集人体红外感应模块传来的信息，对LED灯进行线性调光，动态地实现LED灯珠最亮(100％亮度)和LED灯珠微亮(15％亮度)两种状态的切换。本文提到的亮度百分比，是指当时的输出功率与

1.2.1 pH的测定 称取10.0 g制备好的土壤，置于50 mL的高脚烧杯中，加入25 mL无二氧化碳水。将容器密封后于磁力搅拌器上搅拌5 min，静置1 h后，用校正好的pH计进行测定。

2 系统设计

2.1传感器部分

传感器部分包括人体红外感应部分和环境亮度感应部分，实现对移动物体和环境亮度的感应，为后续的控制部分提供数据支持。

2.1.1人体红外感应模块

人体红外感应模块主要包括三个关键元件：菲涅尔透镜、人体红外传感器和信号处理芯片。

菲涅尔透镜选用折射式、半球形的菲涅尔透镜，主要作用是将警戒区内的空间划分为若干个暗区和明区，使进入警戒区的移动物体以温度变化的形式在热释电红外传感器(PIR)上产生变化的热释红外信号，这样PIR就能产生变化的电信号[3]。

选择常用的热释电传感器作为人体红外传感器，可以识别运动的物体，对于人体发出的红外线尤为敏感，是目前最为流行的人体检测元件之一。

信号处理芯片选用BISS001，它是一款传感信号处理芯片，配以热释电红外传感器和少量外界元器件构成被动式红外开关，外围硬件连接如图2所示。BISS001采用两级放大，第一级对传感信号预处理，将信号放大，然后耦合给运算放大器，进行第二级放大，最终输出高低电平的PIR-OUT信号。输入信号消失后，BISS001芯片输出信号可以保持一定的延时时间不变，时间范围为1～200 s，本文选择的延时时间是45 s。

图2　人体红外感应模块硬件电路

2.1.2环境亮度感应模块

环境亮度感应模块主要是用来感应外部光线的强弱，以免造成不必要的浪费。感光元件采用光敏电阻，光敏电阻的电阻值随入射光的强弱变化而变化，光越强电阻值越小，光越弱电阻值越大。如图3所示，R12和R13的分压电路设置参考电压，R11和Rg的分压电路产生比较器LM393的输入信号，当外部光线比较强时，LM393输出低电平；当外部光线比较弱时，LM393输出高电平。

图3　环境亮度感应模块电路

2.2控制部分

本系统的控制部分包括LED驱动电路、开关控制电路和调光控制电路三部分，是整个系统的核心电路。

2.2.1LED驱动电路

LED的驱动方式可分为恒流式和恒压式。由于恒压驱动电路会使LED亮度受整流而来的电压变化影响，因此，本系统选用更理想的恒流驱动电路来驱动LED。本系统选用常用的LED驱动芯片[4]为 LED驱动电路的核心，如图 4所示。COMP管脚由连接RC补偿网络到地来控制占空比，并且形成了闭环反馈控制。OUT管脚输出一定占空比的PWM脉冲波，控制MOS管的导通与截止，这个占空比的大小决定了输出电压的大小。LED驱动电路设计灵活，可实现5～30 W功率范围内LED灯的控制。

图4　LED驱动电路原理

芯片的DIM管脚提供线性调光功能。当DIM PIN的电压介于0.3～3 V之间，运行在线性调光的范围，可以线性调整LED的电流以调整LED的亮度。本文中利用DIM端口调节微亮的亮度百分比(理论上可以实现0～100％的亮度)。当DIM脚的电压大于3 V时，运行在一般状态，此时电流由CS脚设定LED电流，芯片的CS脚和GND脚之间有个恒定的电压差0.2 V，这样就可以通过一个Sensor电阻设定电流。

2.2.2开关控制电路

在LED驱动电路中，在负载端地(LED-)和整流输出端地(GND)之间设置一个开关控制电路，可以很方便地实现LED驱动电路回路闭合和断开，见图4。因为LED驱动电路采用的是非隔离控制方式，所以只有负载地 (LED-)和整流输出地(GND)连接在一起，才可能形成回路，控制LED灯珠阵列的点亮和熄灭。

本文设计的开关控制电路，设计巧妙，简单实用，可应用在一定范围的中小功率的模拟电路和数字电路中，起到开关的作用。本文是利用环境亮度感应模块输出的信号控制负载输出地(LED-)和整流输出地(GND)是否导通。本文所设计的开关控制电路采用光信号控制，其电路原理如图5所示。

开关控制电路原理如下：Vk是低电平时，三极管Q3截止，三极管Q4导通，Q5截止，LED-端和GND端断开，不能形成回路，LED灯珠阵列不亮；Vk是高电平时，Q3导通，Q4截止，此时Vgs等于稳压二极管D6的电压，所以只要稳压二极管的电压大于Q5的导通电压[5]，负载输出地(LED-)和整流输出地(GND)就可以连接在一起，形成回路，将LED灯珠阵列点亮。

2.2.3调光控制电路

LED主要有PWM调光、线性调光和可控硅调光三种调光方式，本文采用线性调光。TL431和PC817结合是实现开关电源稳压反馈经典的方案，本模块正是利用这个原理对LED进行调光。TL431是一个有良好热稳定性能的三端可调分流基准源，在本模块设计中的主要作用是为光电耦合器PC817和人体红外感应模块提供基准电压。PC817是常用的线性光电耦合器，可以实现“电-光-电”的转换。PC817不但可以起到反馈作用还能达到隔离的效果，对保证系统的安全性和可靠性十分重要。

原理如下：人体红外感应模块输出的信号PIR-OUT传递给光电耦合器PC817，PC817内置的发光二极管将电信号转化为光信号，而内置的光敏三极管再将发光二极管的光信号转化为电流信号，从而实现隔离的作用。通过电阻 (图6中的R22)，把电流信号转变为电压信号，反馈到LED驱动器的DIM端，从而实现对LED调光，电路原理如图6所示。LED灯珠阵列微亮这个状态的亮度(目前是15％的亮度)是用这个电阻(R22)设置的，设置适合的电阻值就可以得到需要的亮度。

图5　开关控制电路原理

图6　调光控制电路原理

2.2.4系统的节能控制策略

节能控制策略的设计思路是：系统的传感部分和控制部分协调工作，共同完成智能控制。传感部分采集光强信号，如果是光线较强时，系统判定为白天，控制部分将总开关断开，整个系统不工作；当光强较暗时，系统判定为黑天，控制部分将总开关闭合，系统开始进入工作状态：红外传感器检测感应区内是否有人，若没有移动的人和物体，LED灯珠阵列保持微亮(15％的亮度)，一旦检测到移动的人或物体，LED灯珠阵列切换到最亮(100％的亮度)。45 s的时间内没检测到移动的人或物体，转入15％的亮度，一旦检测到人，切换到100％的亮度。系统在黑天或光线弱的情况下循环反复地监测感应区内移动的人或物体，实时控制LED的状态。设计思路流程见图7。

图7　系统的节能控制策略设计流程

3 实验结果及分析

3.1测试结果与分析

LED灯珠阵列的排列结构，直接决定LED驱动电路的输出电压和电流。LED灯珠阵列一般采用先并后串的混联结构，并联的灯珠电压相等，串联的灯珠电流相等[6]。本实验选用封装是3014的灯珠，4并24串，驱动电流为60 mA×4=240 mA，发光功率约18 W。根据计算好的参数，调整好电路的参数，最亮状态的亮度(100％亮度)因由负载的功率决定，已经确定。通过改变DIM端口电压值，改变输出负载功率，就可以调节微亮状态时LED灯珠的亮度。测试结果如下：白天时(光线较强)，LED灯不亮，输出功率是0；黑天时(光强小于5 Lux时)，测试结果如表1所示。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? D I M ? ???/V ? ?? ? ??/ V ? ? ? ? ? ? / m A 0 . 0 9 　6 1 . 2 　2 0 . 1 9 　6 3 . 0 　1 0 1 . 4 2 　6 9 . 5 　1 0 4 0 . 5 9 　6 5 . 9 　4 3 0 . 3 0 　6 4 . 3 　2 0 1 . 0 9 　6 8 . 4 　8 0 2 . 0 0 　7 1 . 6 　1 5 3 ? ? ( ? ? ??5 L ux ) 2 . 4 8 　7 3 . 1 　1 9 1 3 . 0 2 　7 5 . 1 　2 4 7 3 . 4 8 　7 5 . 1 　2 4 7 5 . 0 1 　7 5 . 1 　2 4 7 4 . 5 7 　7 5 . 1 　2 4 7 4 . 0 2 　7 5 . 1 　2 4 7

测试结果显示，当DIM端口电压大于等于3.03 V，负载功率保持不变，LED灯珠阵列已经达到最亮(100％亮度)，输出负载电压是75.1 V，输出负载电流是247 mA，负载功率约18.5 W。图8是根据测试结果计算出来的DIM端口电压与LED灯珠微亮的亮度关系曲线。

当DIM端口电压越来越低，功率越来越低，LED的亮度越来越低。LED灯在亮度下降的过程中无频闪，过渡稳定。在晚上一般不需要全灭的状态，因为人体红外感应能够检测的距离是2～4 m，超出此范围无法检测到人，所以需要一个微亮的状态，起到一定的照明效果。

图8　DIM端口电压与LED灯珠亮度关系曲线

3.2系统节省的电能

如果一天中19：30～05：30这10 h中LED灯100％亮度(按18 W计算)一直保持，则每天用电180 Wh，年用电量65.7 kWh。假设这10 h中LED灯100％亮度只保持1 h，其余9 h保持微亮的亮度，表2列出了微亮的亮度百分比，对应可以节省的电量和节省电量的百分比。表2中的数据只是一个LED灯的数据，如果LED灯的数量是数千、数万个，将会节省大量的电能资源。

?????????????????? ??/％ ????/kWh ????/％ 30(5.4 W) 　41.4 　63 50(9 W) 　29.5 　45 15(2.7 W) 　50.2 　76 5(0.9 W) 　56.2 　85

4 结束语

本文设计了一种低成本的LED智能照明系统，经过实验验证，此系统可以长时间稳定工作，实现了“人来灯亮，人走微亮”的功能，15％的微量亮度时省电可以达到70％以上，5％的微量亮度时省电可以达到80％以上，达到了较好的照明效果和省电效果。而且本系统结构简单，成本低廉，可广泛应用于矿井、廊道、地下停车场等场合，达到绿色照明与节能照明合一的效果。

[1]贾冬颖,王巍.基于STC单片机LED智能照明系统的设计[J].照明工程学报,2010,21(2):71-80.

[2]马小军.智能照明控制系统[M].南京:东南大学出版社,2009: 280-300.

[3]赵玲,朱安庆.智能LED节能照明系统的设计[J].半导体技术, 2008,33(2):137-140.

[4]程增艳,王军,朱秀林.LED路灯驱动电源的设计[J].电子设计工程,2010,18(6):188-190.

[5]童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].4版.北京:高等教育出版社,2007:120-132.

[6]周志敏,周纪海.LED驱动设计要点与电路实例[M].北京:化学工业出版社,2012:49-52.

Low-cost intelligent system for LED lighting

LI Mi,DING Shi-dong,LI Gui-ke,ZHAO Bai-qin,WU Nan-jian
(Institute of Semiconductors,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100083,China)

A LED intelligent lighting system was introduced,the ideas of the system and specific circuit implementations were given.The signals of pyroelectric sensor and photosensitive resistance were used to control LED by switch circuit,dimming circuit and LED drive circuit simultaneously.The system was designed using low-cost pure analog circuit instead oftraditional MCU.The experimental results show that the system has merits of high stability,and high quality.Furthermore,the system had high energy saving of more than70％,so the system had some applications indoors and outdoors.

intelligent lighting;LED;linear dimming

TM 923

A

1002-087 X(2016)01-0173-04

2015-06-12

李秘(1987—)，男，北京市人，硕士研究生，主要研究方向为物联网、能量收集、嵌入式系统。最亮时的功率比，可以根据应用场合的需求进行灵活调节。切换时亮度平缓过渡以避免对人眼的刺激。