【优质文档】基于单片机的交流LED智能照明系统设计精.pdf

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1、基于单片机的交流LED智能照明系统设计 时间： 2012-08-02 09:39:29 来源： 现代电子技术 作者：孔维成，李悦，刘 璞，舒 德泉 摘要：以热释电红外探测器、光亮度及声控传感器做为照明区域的感知器件，进行 信号采集，将采集信号通过转换电路转换后传到STC12C56 28AD 单片机，经单片 机处理后的控制信号控制驱动电路。根据AC LED 电路的特点，驱动电路以双向 可控硅做为核心器件进行设计，系统可实现AC LED 照明的智能开启及亮度调 节。经实际电路测试，电路工作稳定可靠，达到了设计要求。 关键词： AC LED；智能化；传感器；单片机；驱动电路 LED 光源具有省电，耗

2、电量小，发光效率高、寿命长等优点。与传统的白炽 灯、荧光灯相比，有效的节约了能耗。被认为是21 世纪的绿色照明光源。目前的 LED 光源是低电压 (VF=236 V，大电流 (IF=2001 500 mA 工作的半导体器 件，必须提供合适的直流才能正常发光，由于我们日常使用的是220 V 的高压交流 电，所以必须使用降压的技术获得较低的电压，常用的是变压器或开关电源降压， 然后将交流变成直流，再变成直流恒流源，才能促使LED 光源发光。因此，直流 驱动 LED 光源的系统方案必然是变压器+整流(或开关电源 +恒流源。这 2种方案系 统都会有 1530的电量损耗，如果用交流直接驱动LED 光源发

3、光，系统效率 将很轻松地达到 90以上。目前，公共建筑的照明灯具大多仍采用手动开关，其 故障率高，只适应于白炽灯，不适合于LED 灯及其它照明设施的使用，下面我们 介绍一套基于传感器、微控器控制的AC 直接驱动 LED 照明系统的设计方案。 1 AC LED 光源的工作原理 AC LED 光源的工作原理如图1(a所示， LED 输入、输出电压波形如图1(b所 示。将一堆 LED 微小晶粒采用交错的矩阵式排列工艺分为5 串，AC LED 晶粒串 组成类似一个整流桥，整流桥的两端分别联接交流电源，另两端联接LED 晶粒， 交流的正半周用实线箭头表示电流流动方向，有3 串 LED 晶粒发光；负半周用

4、虚 线箭头表示电流流动方向，又有3 串 LED 品粒发光； 4 个桥臂上的 LED 轮番发 光，中间一串 LED 晶粒因共用而一直在发光。在50 Hz的交流中会以每秒50 次的 频率交替点亮。整流桥获得的是脉动直流，LED 的发光也是闪动的， LED 有断电 余辉续光的特性，余辉可保持几十微秒，因人眼对流动光点记忆是有惰性的，结果 人对 LED 光源的发光 +余辉的工作的解读是连续在发光。桥臂上的LED 有一半时 间在工作，有一半时间在休息，因而发热得以减少2040，因此 AC LED 的 使用寿命较 DC LED 长。即使中间一串LED 故障，通常也是击穿短路故障，击穿 后电阻很小，仍然不影

5、响桥臂上LED 发光，只是灯的亮度稍微降低些。所以，这 种设计技术是合理成熟的。AC LED 成熟的产品如首尔半导体的AC110 V 的 AX3201，工作电流为 40 mA；AC220 V 的 AX3221 及 AX3231，工作电流为 20 mA 被广泛用于照明。相比于DC LED 大大降低了能耗。 2 一般 AC LED 的照明应用电路 AC LED 的典型应用电原理图如图2 所示，它十分简单，在AC LED 两端分别串 入正温度系数热敏电阻PTC，和限流电阻 R1、R2、R3，接上 110 V 或 220 V 交流 即可进入照明工作。 LED 在大批量生产时，其阻抗有一定的离散性，AC

6、 LED 光源生产商在出厂时对 批量生产的产品按阻抗分档，客户在使用时可按LED 光源厂家提供的分档表查用 相应阻值的限流电阻。 3 智能 AC LED 照明系统硬件设计 系统工作原理框图如图3 所示，由热红外传感器件、强光传感器件、声控传感器 件做为感知系统，传感器信号经AD 转换后传到主控器件 (CPUSTC12C5628AD，经主控器件处理后将控制信号加到DA 转换电路，控制 信号经放大电路放大后加到由可控硅组成的驱动电路上，由可控硅驱动电路来控制 AC LED 灯的开启和关断及明亮程度。 31 被动式热释电红外探测器 该探测器有 3 个关键元件：菲涅尔滤光晶片，它通过截止波长812m

7、的滤光 晶片，起带通滤波器的作用，使环境的干扰受到明显的控制；菲涅尔透镜起聚焦作 用，即将热释电红外信号折射(反射在热释电红外传感器上，第二个作用是将警戒 区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式存热释 电红外传感器上产生变化的热释红外信号，这样热释电红外传感器就能产生变化的 电信号，热释电红外传感器将透过滤光晶片的红外辐射能量的变化转换成电信号， 完成热电转换，系统内固化的软件对所采集的数据进行运算加工，由控制系统内的 控制软件通过控制逻辑决定是否发出开灯信号。 32 环境亮度传感器 此传感模块的核心器件是光敏电阻。光敏电阻的光谱响应峰值比较接近人视觉敏 感区的波长

8、。并且当明照强度减弱时，它的响应时间相对增加，装置在光照强度变 化时，输出状态保持相对稳定。所以在多种光电探测器中选择了光敏电阻，考虑到 光敏电阻对温度变化较为敏感，偏置电路中的电阻可以采用与探测元件温度系数相 近的光敏电阻，以防止工作点漂移。 33 声控传感器 声控传感器部分由声控传感器、音频放大器、选频电路、延时开启电路和可控硅 电路组成，利用声音的相对比较，判断是否启动控制电路的开启，使用调节器可以 调节给定声控传感器的初始值，声控传感器不断把外界声音的强度与给定强度比 较，超过给定强度时，向主机发送“ 有声音 ” 信号，否则发送 “ 没有声音 ” 信号。 34 智能控制电路 控制系统采

9、用 STC12C5628AD 单片机，该单片机为单时钟机器周期(IT，高速 低功耗超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速 度快 812 倍，内部集成 MAX810 专用复位电路 4 路 PWM，8路高速 10位 AD 转换，广泛用于电机控制，强干扰场合。中国照明网技术论文 智能照明选择这个 型号的单片机主要考虑到具有PWM 和 AD 转换的作用，使得外围电路得到了大大 的简化，同时产生的PWM 信号可直接与驱动电路相连，降低了系统的成本。中国 照明网技术论文 智能照明系统根据国家标准民用建筑照明设计标准(GBJI3390， 我们控制室内亮度在200lx 左右。本设

10、计设置了3 套传感系统和严密的软件控制， 其工作方法如下所述。 首先通过被动热释电红外探测器和环境噪声探测判断是否有人，并探测环境亮 度。如果没人，所有LED 灯均不开，如果有人，分成两种情况：若需要照明的环 境的照度大于 200 lx 时，LED 照明灯具处于关闭状态；若需要照明的环境的照度 小于 200 lx 时，LED 灯均处于开启状态；根据声音的大小判断是否需要开启。 35 AC LED 驱动电路 AC LED 驱动电路，采用以双向可控硅为核心器件的触发电路，由单片机输出信 号经 DA 转换后，通过运算放大器放大，然后接通双向可控硅电路，由双向可控 硅电路接通 ACLED 照明电路。并

11、根据单片机输出信号的大小，控制可控硅的导通 角，由可控硅电路的导通程度来决定AC LED 照明灯的开启和关闭及照明亮度的 控制。 4 系统软件设计 程序采用模块化设计思想，以主程序为核心设置功能模块子程序，简化了设计结 构。运行过程中通过主程序调用各功能模块子程序，因为灯具控制实时要求不高， 循环控制即可满足要求。该系统的软件主要完成以下功能：信号输入模块实现相应 传感器信号输入单片机数据通道，在控制系统软件中，分别将红外探测器信号与声 控传感器信号经过整流放大数字化后处理成开关的布尔型数据，然后相或，经过整 流放大的环境补光，光强度探测系统产生的信号与前两路信号处理后产生的输出进 行与运算，

12、由此产生决定灯具开关的开关信号。 5 设计结果的验证 在设计过程中，先对各单元电路进行实验、测试和调整，然后，对整体电路进行 调整和测试，通过对系统的整体测试，电路工作安全稳定，工作可靠。达到了设计 要求，实现了智能照明的目的。由于省去了DC LED 交直流转换的环节，通过测 试系统效率可达 93以上。 6 结束语 AC LED 智能照明系统为人们日常生活照明提供了方便，避免了由于频繁开关导 致的电路故障， AC LED 照明不像 DC LED 灯具那样加一个交直流交换器，这样既 降低了成本，又提高了系统效能，达到了节能的目的。也避免了LED 光源本身没 坏，交直流转换器先坏掉的窘境。因此，AC LED 照明可广泛用于建筑物室内照明 及路灯照明。