智能照明系統(tǒng)

1、智能照明系統(tǒng)指導(dǎo)教師：張愛平 參賽隊(duì)員：劉東，李超，傅猛猛 摘要：鑒于傳統(tǒng)照明系統(tǒng)存在的缺陷以及不必要的電能浪費(fèi)，我們小組研制了可以根據(jù)照明場(chǎng)所的光照強(qiáng)度實(shí)時(shí)控制LED燈的亮度的照明裝置，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)對(duì)各種情況下的照明需要以及電能的節(jié)約。經(jīng)過實(shí)際的設(shè)計(jì)與測(cè)量，得到了很好的實(shí)驗(yàn)效果。 關(guān)鍵詞：LED;光照智能調(diào)節(jié);PWM信號(hào);雙路供電1 引 言現(xiàn)代社會(huì)對(duì)節(jié)能的需求與日俱增，節(jié)能的要求拓展到了工業(yè)能源、交通能源等等各個(gè)領(lǐng)域。其中，照明的節(jié)能也是當(dāng)今節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域的主題之一。此外，太陽能作為能量巨大的可再生資源稱為當(dāng)今可再生資源利用方面的主流之一，太陽能電池以其價(jià)格相對(duì)低廉、原理相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)得到了普及，

2、是應(yīng)用于照明的最有實(shí)用性的能源。以我們學(xué)校為例，太陽能已經(jīng)應(yīng)用到校園的每一個(gè)角落。LED具有發(fā)光效率高、功耗低、壽命長(zhǎng)、環(huán)保等很多其它傳統(tǒng)照明光源無法比擬的優(yōu)勢(shì)，已被廣泛應(yīng)用于廣告照明、信號(hào)燈、景觀燈等照明領(lǐng)域。其中，白光LED即具備了LED的優(yōu)點(diǎn)，又具有照度大、光線色溫適中等特點(diǎn)，被認(rèn)為是取代白熾燈、熒光燈的最具潛力的照明光源。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，自動(dòng)化裝置以及自動(dòng)化理念被運(yùn)用到家電、汽車、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、建筑等多個(gè)領(lǐng)域。在傳統(tǒng)照明系統(tǒng)中，存在著如下缺點(diǎn)：第一，在黎明（傍晚）時(shí)分，自然光已經(jīng)很強(qiáng)（很弱），但是路燈依然處于工作（關(guān)閉）狀態(tài)，造成了電能的浪費(fèi)；第二，在一些突發(fā)情況下（驟然陰

3、天等），由于路燈工作人員未能及時(shí)通斷路燈，給百姓的出行造成不便。而智能照明系統(tǒng)本著智能、節(jié)能的理念，通過光信號(hào)采集和處理、PWM信號(hào)脈沖調(diào)制、LED驅(qū)動(dòng)，克服了傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了智能控制與節(jié)能LED的完美結(jié)合。2 實(shí)驗(yàn)原理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理概述本設(shè)計(jì)是集電源降壓、LED驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)調(diào)光模塊于一體的大功率白光LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的核心元件是LED驅(qū)動(dòng)芯片DD311。根據(jù)DD311的電壓輸入特性，設(shè)計(jì)了基于降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器AP1501-12的降壓電路將太陽能電池輸出的電壓進(jìn)行降壓，同時(shí)系統(tǒng)還配備了雙電源系統(tǒng)，備用電源以24v繼電器實(shí)現(xiàn)了24V電源與220V市電之間的轉(zhuǎn)換。另外，利用DD31

4、1所提供的一個(gè)可輸入PWM信號(hào)的輸入端，設(shè)計(jì)了以PWM控制器TL494為核心的自動(dòng)調(diào)光電路，該電路采用光敏電阻作為傳感元件，通過采樣電路使輸入TL494的控制電壓發(fā)生改變，從而改變TL494輸出給DD311的PWM信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)LED亮度的功能。這個(gè)基于TL494的控制電路是本設(shè)計(jì)自動(dòng)調(diào)光電路的后級(jí)電路，它主要負(fù)責(zé)精確調(diào)整LED亮度。此外，本設(shè)計(jì)還利用電壓比較器和繼電器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)光電路的前級(jí)控制，它的作用是在室內(nèi)照度較大時(shí)，使后級(jí)調(diào)光電路停止工作，具有節(jié)能和保護(hù)的作用。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總原理圖如下圖。3實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中采用了16顆LED，REXT為參考電流輸入端，輸出電流是參考

5、電流的100倍，計(jì)算公式如下：ILED (A 100 × ( Vbias VREXT = 100×IREF (A) 則其所需的電流為： Iled=Il×Nl=350MA×4=1.4A每個(gè)DD311的參考電流為3.5MA，因此參考電阻為： Rext=Vrext/Iref=12V/3.5mA=3428 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖如下： 本設(shè)計(jì)采用調(diào)節(jié)脈寬的方式對(duì)LED 進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)，脈寬控制信號(hào)由TL494 的輸出端直接輸入給DD311 的使能端。在本設(shè)計(jì)中，自動(dòng)調(diào)節(jié)電路被分為了前后兩級(jí)，前級(jí)是基于電壓比較器的控制電路，它的作用是在室內(nèi)自然照度大于200LUX時(shí)使后級(jí)調(diào)光電

6、路不工作，以減少功耗，同時(shí)延長(zhǎng)后級(jí)調(diào)光電路核心元件TL494的使用壽命。后級(jí)是基于TL494芯片的PWM 調(diào)光電路，它的作用是在室內(nèi)自然照度為120LUX 以下時(shí)，精確調(diào)節(jié)LED的亮度。 后級(jí)調(diào)光電路中TL494 是為開關(guān)電源設(shè)計(jì)的固定頻率脈沖寬度調(diào)節(jié)器，它可以產(chǎn)生設(shè)計(jì)者期望頻率的脈沖，并可以對(duì)脈寬在0%至100%的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，在保證LED 閃爍頻率不應(yīng)過低的情況下，TL494 不需太高的工作頻率。本設(shè)計(jì)選用0.01UF 的電容及50K 的電阻，設(shè)定頻率為：Fosc1.1/RT CT1.1/0.01UF50K=2.2KHZ。在本設(shè)計(jì)中，它不用做動(dòng)態(tài)的脈寬調(diào)節(jié)端，而是用以設(shè)定一個(gè)靜態(tài)的脈寬范

7、圍。TL494 產(chǎn)生的脈沖最大占空比可達(dá)98%，因此LED 的調(diào)光范圍很大。從曲線中可知， 在自然照度為10Lux 以下時(shí)，光敏電阻阻值的變化忽然加劇，從而使采樣電壓的變化隨之加劇，但此時(shí)占空比的變化卻不大，保持在90%以上。通過實(shí)驗(yàn)得知，占空比的變化范圍范圍在20%之內(nèi)時(shí)，LED 的亮度無明顯變化。因此，可以認(rèn)為L(zhǎng)ED 在照度接近20Lux時(shí)基本達(dá)到全亮。在前級(jí)控制電路中控制繼電器吸合的臨界工作點(diǎn)是由光敏電阻阻值決定。通過公式計(jì)算出分壓電阻的阻值:(12*Rx）/(Rx+3500)=5v公式中，算式結(jié)果5V 是LM339的參考電壓。當(dāng)光敏電阻的阻值發(fā)生變化時(shí)，采樣電壓便會(huì)隨之變化。LM339

8、的工作原理圖如下： 它的作用是用來控制5v繼電器的通斷，接通時(shí)DD311以及整個(gè)后級(jí)調(diào)光電路才可通電并正常工作。LM339 的輸出端是一個(gè)三極管的集電極，該三極管的發(fā)射極接地。需要注意的是，其集電集可以承受的電流必須小于20MA，但繼電器線圈所需要的工作電流為32MA，因此必須同時(shí)使用兩個(gè)比較器，并將這三個(gè)比較器的輸出并聯(lián)在一起來加大輸出電流。每個(gè)輸出的電流用一個(gè)上拉電阻設(shè)置為16MA，該上拉電阻與12V電壓串連至三極管的集電極，這樣在輸出管截止時(shí)，輸出電流的值為三個(gè)輸出端電流之和。每個(gè)輸出端電流計(jì)算公式如下：12/（Rx+120)=0.016式中，將繼電器的內(nèi)阻作為負(fù)載電阻進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)檢測(cè)，

9、繼電器的內(nèi)阻為120計(jì)算Rx=630。所以將630的電阻作為上拉電阻阻值即可使輸出端電流為16MA. 4.系統(tǒng)調(diào)試及問題問題一：使用單片機(jī)的電路控制實(shí)現(xiàn)的效果不明顯，未能達(dá)到目標(biāo)。解決方案：使用非單片機(jī)連接電路，效果明顯。問題二：LED驅(qū)動(dòng)部分電路與TL494 降壓電路結(jié)合后無法正常工作,LED不亮。解決方案：AP1501與DD311都需要接地，而在實(shí)驗(yàn)時(shí)用到的電源箱沒有共地，導(dǎo)致了DD311斷路。將電源共地后問題解除。問題三：前級(jí)控制電路中，LM339輸出端上拉電阻過熱。解決方案：LM339的輸出端是一個(gè)三極管，其集電極的最大工作電流為20MA，而輸出繼電器所需的工作電流為50MA。設(shè)計(jì)中上

10、拉電壓為12V，而設(shè)計(jì)初期選用的上拉電阻過?。?20），上拉電阻的功率較大，從而導(dǎo)致過熱。將LM339的四個(gè)輸出端并用后，即達(dá)到了輸出電流的標(biāo)準(zhǔn)，又避免了電阻過熱。問題四：由TL494提供LM339的工作電壓5V不穩(wěn)定解決方案：從外部直接給入5v參考電壓，電壓穩(wěn)定。 系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果： a: LED燈亮度 b:自然光亮度5. 后期展望 據(jù)相關(guān)資料表明，大連市在今后三年內(nèi)城市路燈全部由LED燈取代。LED的廣泛使用，將使LED登上未來照明的主導(dǎo)地位。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于路燈照明，在手機(jī)背景燈、家用照明燈等方面也可發(fā)揮巨大的作用。本實(shí)驗(yàn)的智能照明系統(tǒng)不僅已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)LED燈的實(shí)時(shí)調(diào)控，預(yù)留出的PWM口也為未來加入單片機(jī)或其他設(shè)備，增強(qiáng)系統(tǒng)的各大功能提供了完美的保障。6.參考文獻(xiàn)1 劉劍.建筑電氣工程CAD 設(shè)計(jì)與常見問題M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社， 2006，1-72 點(diǎn)晶科技股份有限公司.DD311 技術(shù)手冊(cè)Z.20063 摩托羅拉公司.TL494 技術(shù)手冊(cè)Z.19964 Intersil 公司.LM339 技術(shù)手冊(cè)Z.1999