一种微波感应LED照明控制系统的设计

汪 洋,张家龙,张震宇

(浙江科技学院 自动化与电气工程学院,杭州 310023)

一种微波感应LED照明控制系统的设计

汪 洋,张家龙,张震宇

(浙江科技学院 自动化与电气工程学院,杭州 310023)

针对当前LED照明控制灵活性不足的现状,设计了一种基于微波感应的LED照明控制系统,其感应距离等工作参数可根据实际使用需要通过无线远程设置。介绍该系统的整体硬件构成及其工作原理,系统由设置端、LED照明控制器及LED照明灯具等构成,设置端和LED照明控制器之间利用无线通信完成参数设置。给出并分析主要的功能电路,包括电源电路、微波传感器、LED驱动控制电路、无线射频模块及单片机等;阐述控制软件的设计要点和思路，并且通过实验验证了系统的有效性。

LED照明控制;微波感应;单片机;无线射频

LED具有节能、环保和长寿命等优点,近年来在照明领域得到了越来越多的应用[1-2]。设计LED照明控制系统时加入人体感应传感器,能检测出是否有人靠近,从而使LED的照明控制更为灵活,更好地满足实际使用之需。当前,在LED照明控制系统中应用较多的人体传感器主要是热释电传感器和微波传感器[3-5]。对于热释电传感器,由于其工作原理是基于环境与人体的温差而输出信号[6],因此,当LED环境温度和人体温度接近时,传感器探测灵敏度明显下降,甚至出现短时失灵,技术缺陷明显。微波传感器通过发射微波信号并接收反射信号,能有效地探知是否有人靠近[7],不受温度影响,因而较好地解决了热释电传感器所存在的问题。但是，当前绝大部分微波感应LED照明控制系统存在以下缺点:一是传感器的输出信号为数字式。当有人进入感应范围时,传感器输出“1”,无人时则输出“0”,这意味着不能在实际使用过程中根据需要调节感应距离,实用性不足。二是传感器的输出信号为模拟式,感应距离等工作参数不能人为设置。由于工作参数不能设置,若用户想根据实际使用需要改变感应距离、LED点亮维持时间等工作参数时,这种方式的便利性不足的问题则凸显。

为解决上述问题,提升LED照明控制系统的实用性和灵活性,笔者研究设计了一种基于微波感应的LED照明控制系统。应用该系统,LED照明的感应距离等工作参数可通过设置端进行无线设置。相比于同类产品,其功能上得到了一定的提升,实用性也得到了增强。

1 系统硬件构成及工作原理

系统包括设置端、LED照明控制器及LED照明灯具3部分,系统的整体硬件构成如图1所示。其中,设置端由1台计算机和1个无线射频模块A构成,该模块型号为APC220,通过1个USB转串口电路,连接到计算机的USB接口。APC220为高度集成的收发一体式无线射频模块[8],其工作电压为5 V,工作频段范围为418～455 MHz,当波特率设置为9 600 b/s时,在空旷地的可靠传输距离可达近1 000 m。与此相对应,LED照明控制器也包括一个型号为APC220的无线射频模块B,它与LED照明控制器内的主控单片机通过串口连接,模块A与B配置身份数据为一一对应。用户操作计算机软件界面(可直接使用“串口助手”软件),通过无线射频方式向LED照明控制器发出工作参数的设置命令,LED照明控制器收到命令并经校验、核对后,即把待设置的数据写入单片机内部的EEPROM,做到掉电不丢失,然后反馈设置成功信息给设置端,计算机软件收到此反馈后,表明设置成功。否则,重新设置。若设置成功,接下来LED照明灯具即按前述设置开始工作,当人进入微波传感器的感应范围时,LED灯具按无级调光方式逐步点亮,并根据设置值保持一定的时间后熄灭,以实现节能。

图1 系统整体硬件构成示意图Fig.1 The schematic diagram of the overall hardware composition for the system

2 LED照明控制器硬件设计

图2 LED照明控制器硬件构成示意图Fig.2 The schematic diagram of the hardware composition for the LED lighting controller

LED照明控制器在硬件上由电源电路、微波传感器、LED驱动控制电路、无线射频模块B及单片机等构成,如图2所示。其中,LED照明灯具连接到LED驱动控制电路的输出端。

电源电路将220 V交流市电转换成微波传感器、无线射频模块B及单片机等所需的电压等级,并提供合适的输出功率。单片机作为该控制器的中央处理单元,具有2种工作模式:一是设置模式，单片机通过实时监听串口,根据无线通信协议读取并存储无线射频模块B接收到的工作参数设置命令数据,将这些数据写入单片机内部的EEPROM,当设置完毕后,LED照明控制器即从下一次循环开始按照新设置的工作参数正常工作;二是正常模式，当有人靠近时,随着人的移动,微波传感器将输出变化的模拟电压,单片机通过内部的ADC,在设定的采样周期内连续、多次读取微波传感器输出的模拟电压值,根据软件设定的判断条件输出控制信号给LED驱动控制电路,使LED照明灯具达到无级调光、点亮及熄灭等多种控制效果。

2.1 电源电路

图3 电源电路图Fig.3 The schematic circuit of power supply

由于控制器要求小体积,该系统选用了HLK-PM01作为电源电路核心,据此设计的电源电路如图3所示。HLK-PM01是一种高度集成的超薄型、超小型AC-DC转换模块[9],支持的交流电压输入范围为90～264 V,输出电压为5 V，功率为3 W,还具有低纹波、低噪声等优点,性价比较高,符合本系统使用的需求。为进一步确保安全性和输出电压的稳定性[10-12],在市电输入端设计了熔断器F1及压敏电阻7D471K,在输出端设计了滤波电容C1。

2.2 微波传感器电路

微波传感器的工作原理基于多普勒效应,该系统使用的微波工作频率为10.525 GHz,微波传感器发射出小功率微波信号,并接收人体反射回来的信号。当人体在信号范围内发生轻微移动时,其反射的微波频率将产生改变,从而在输出端产生变化的模拟电压[13-14]。设计的微波传感器电路如图4所示,微波发生器P7的输出信号OUT经2级LM358运放电路的放大后,得到模拟电压信号IF,将IF送入单片机的ADC0通道进行AD转换,即可判断出是否有人靠近。

图4 微波传感器电路图Fig.4 The schematic circuit of microwave sensor

2.3 LED驱动控制电路

该系统所用的LED照明灯具规格为48 V/80 W,选用了台湾明纬实业集团有限公司出品的HLG-80H-48作为灯具的配套驱动器[15]。该驱动器的输出电压为48 V，额定输出功率为81.6 W,内部设计有调光电路,并提供了外部调光接口,该驱动器的工作原理如图5所示。

据此设计了如图6所示的LED驱动控制电路,单片机的I/O脚RELAY输出控制信号到PC817光耦,然后通过三极管Q1驱动继电器线圈,令继电器触点K1动作,使得220 V市电火线220～L与Driver_In_L(图6中的Driver_In_L与图5中的L连接)接通或断开。由于单片机上电复位时RELAY输出高电平,因此使用了继电器的常开触点来通、断电路,这样可确保上电时LED灯具为熄灭状态。

图5 LED驱动器工作原理示意图Fig.5 The working principle diagram of LED driver

图6 LED驱动控制电路图Fig.6 The schematic circuit of LED drive and control

在驱动器接通市电火线的情况下,按照驱动器规格书的说明,在DIM+、DIM-之间接入一个51 kΩ的电阻R4,由单片机的硬件PWM脚DIM输出一个频率为1 kHz的PWM信号,占空比可调,经PC817光耦隔离后,这样DIM+、DIM-之间可生成一个调光信号,从而实现LED灯具调光,占空比越大,LED灯具亮度越高,当占空比达100%(即DIM脚恒为高)时,DIM+、DIM-之间开路,亮度达到最高(即100%亮度)。

图7 单片机原理图Fig.7 The schematic diagram of MCU

2.4 单片机

该系统使用STC15W402AS单片机作为主控中心,单片机内置丰富的功能资源[16],以适合本系统使用的需要。单片机电路如图7所示,该系统除了用P1.3引脚作为继电器驱动控制脚外,还使用了单片机的CMP0引脚作为调光控制脚,此引脚可通过程序配置直接输出PWM信号,使用方便;使用了1路内部高速10位A/D转换器,图中IF为微波传感器输出的模拟电压信号,将其接入单片机的ADC0通道进行转换;使用了1个UART串口连接APC220模块,其中EN、AUX、SET等为APC220模块的相关配置引脚,单片机和APC220模块的串口通信格式为(9600,N,8,1)。

3 系统软件设计

该系统在使用之前,先通过APC220专用配置软件设置模块A、B的相关参数,主要包括串口通信波特率、无线传输速率及身份数据等,将模块A与B设置为一一对应。

LED照明控制器单片机软件采用C51语言进行设计,在Keil开发环境中进行调试,LED照明控制器具有2种工作模式,即设置模式和正常模式。程序可分为串口中断服务程序和主程序两部分。

3.1 串口中断服务程序

设置模式由串口中断服务程序实现。若串口读取到来自设置端的数据,即进入串口中断服务程序,首先判断该数据是否为启动设置命令,若是,则令LED灯具熄灭;同时回复应答数据给设置端,然后等待设置端发送工作参数设置命令数据过来,接收并保存,写入单片机内部指定的EEPROM地址单元,并再次回复应答数据给设置端。接下来等待设置端发送结束设置命令过来,收到后中断程序返回,退出设置模式。下次再设置时,软件将重写相应的EEPROM地址单元,实现设置值的刷新。

根据上述设置过程,该系统规定设置端和LED照明控制器之间的无线通信协议见表1。

表1 通信协议表Table 1 The table of communication protocol

表1中的参数Dist、Time的类型均为unsigned char,Dist的范围为0x28～0x80,数值越大,表示感应距离越近;Time范围为0x3c～0xb4,数值越大,表示维持时间越长,若令Time等于0xff,则表示将LED灯具设为常亮。

根据上述通信协议,设置模式时的程序流程如图8所示。

图8 串口中断服务程序流程图Fig.8 The flowchart of UART ISR

3.2 主程序

正常模式由主程序实现。主程序在完成必要的初始化(主要包括令LED灯具为熄灭状态,以及串口、AD转换格式及PWM频率等的初始配置)工作后,进入总循环。首先在1 s内完成200次AD采样转换,筛选出此200个转换结果数据的最大值Dmax、最小值Dmin,并计算出两者的差值ΔD,将ΔD与设置过程中收到、已存于EEPROM指定单元的触发门槛值Dset(即设置时的Dist值)进行比较,若ΔD>Dset,则开始无级调光,否则不响应。在无级调光过程中,在5 s内将PWM信号的占空比ρ从1%调节到100%,每次调节增量为1%。调光完成后LED灯具达到100%亮度,然后令LED灯具按设置过程中收到且已存于EEPROM指定内的维持时间值保持点亮状态,维持时间到后,LED灯具熄灭,主程序流程如图9所示。

有必要说明的是,在主程序循环执行的过程中,不管当前运行到哪一步,一旦串口收到启动设置命令,主程序即保护现场,开始执行串口中断服务程序(即进入设置模式),直至设置过程成功结束,然后恢复现场,接着往下执行,待下一次循环开始后,按新设置的参数正常工作。

4 实验测试与结论

表2 感应距离实验测试结果

Table 2 The table of test results of induction distance

Dist设置值实测感应距离(近似值)0x800～3m0x7a4m0x6b5m0x556m0x497m0x3c8m0x28>8m

在实验室对该系统进行了全面的测试,设置过程简单、方便,无线通信准确、可靠,实验中均设置1次即成功。设置的Time值与秒表对照结果一致,当设置为0x3c时,LED点亮维持时间为60 s,其余类推。

当微波传感器与人之间的距离在一个较小的范围内时,其ΔD值始终保持为一个较为稳定的饱和值(在0x84～0x88之间),当把Dist值设为0x80时,感应距离经实测近似在0～3 m内。逐渐减小Dist值,感应距离则相应地变远,但由于ΔD值并不随距离而作线性变化,因此,设置的Dist值与感应距离之间的关系也非线性。关于感应距离的具体实验结果见表2,需指出的是,由于微波信号固有的传播特点,表2中测得的距离均为近似值。

当微波传感器与人之间距离在8 m及以下时,只要人体作出轻微移动,系统即可快速地响应,且无误触发现象出现。但当距离超出8 m后,误触发现象开始偶有出现,分析其原因,可能是由于环境因素造成微波传感器的输出电压波动,从而使得控制器作出反应。要解决此问题,后期需进一步开展数据处理方面的研究,设计合理的滤波算法,以更好地满足实际使用的需要。

5 结 语

本研究以微波传感器为基础,使用电子电路、LED驱动器及单片机等设计了LED照明控制器,并采用无线射频通信的方式来设置相关工作参数,成功实现了一套完整的LED照明控制系统。实验整体上达到了预期的效果,相比于传统的用拨位开关设置的方式,有着更强的灵活性和实用性,比如当LED照明控制器安装在高处等不便人们达到的地方时,该系统的便捷性优势明显。

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Design of a LED lighting control system based on microwave induction

WANG Yang, ZHANG Jialong, ZHANG Zhenyu
(School of Automation and Electrical Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, Zhejiang, China)

In response to the situation that most of the current LED lighting control systems lack flexibilities, a LED lighting control system based on microwave induction is designed, with its working parameters including the induction distance remotely set by wireless communication as actually needed. Firstly,the article briefly introduces the hardware constitution and the working principle of the system, which is composed of a setting device, a LED lighting controller and a LED lamp, with the setting process accomplished through wireless communication between the setting device and the LED lighting controller.Secondly,the article presents and analyzes the main functional circuits, which consist of power supply circuit, microwave induction sensor, LED drive and control circuit, RF module and MCU. Then, the article elaborates on key design elements of control software.Finally,implementation of relevant experiments gives rise to a conclusion that the system is effective.

LED lighting control; microwave induction; MCU; radio frequency

10.3969/j.issn.1671-8798.2017.01.004

2016-12-23

张震宇(1976— ),男,浙江省兰溪人,副教授,硕士,硕士生导师,主要从事测量与控制、无线通信、物联网等方面的研究和应用工作。E-mail:zhangzhenyu@zust.edu.cn。

TP273.5;TM923.34

A

1671-8798(2017)01-0017-07