智能照明系統(tǒng)

1、智能照明系統(tǒng)指導(dǎo)教師：張愛(ài)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)限制 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(guò)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.止匕外,太 陽(yáng)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(yáng)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

2、及,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(yáng)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(wú)法 比較的優(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,在黎明黃昏時(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

3、下驟然陰天等,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(guò)光信號(hào)采集和處理、PWM1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)了智能限制與節(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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 AP1501-12的降壓電路將太陽(yáng)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

4、.另外,利用 DD311所提供的一個(gè)可輸入PWM1號(hào) 的輸入端,設(shè)計(jì)了以PWMI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(guò)采樣電路使輸入TL494的限制電壓發(fā)生改變,從而改變 TL494輸出給DD311的PWM&號(hào),以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)LED亮度的功能.這個(gè)基于TL494 的限制電路是本設(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)的總原理圖如下列圖.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

5、 REXT；參考電流輸入端,輸出電流是參考電流的100 倍,計(jì)算公式如下：ILED (A 100 X ( Vbias VREXT = 100XIREF (A) 那么其所需的電流為：Iled=IlXNl=350MA< 4=1.4A每個(gè)DD31的參考電流為3.5MA,因此參考電阻為：Rext=VrexWref=12V/3.5mA=3428 Q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),脈寬限制信號(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限制電路,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

6、電路不工作,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®片的PWMM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勺亮度.后級(jí)調(diào)光電路中TL494是為開(kāi)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腕100%勺范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié),在保 證LED閃爍頻率不應(yīng)過(guò)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： Fosc=1.1/RT ?CW 1.1/0.01UF ? 50K=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

7、一個(gè)靜態(tài) 的脈寬范圍.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突然加劇,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犯上. 通過(guò)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(wú)明顯變化. 因此,可以認(rèn)為L(zhǎng)ED在照度接近20Lux時(shí)根本到達(dá)全亮.在前級(jí)限制電路中限制 繼電器吸合的臨界工作點(diǎn)是由光敏電阻阻值決定.通過(guò)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勺參考電壓.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

8、變化.LM339勺工作原理圖如下：它的作用是用來(lái)限制5V繼電器的通斷,接通時(shí)DD31超及整個(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(lái)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12Vt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

9、阻進(jìn)行計(jì)算,經(jīng)檢測(cè),繼電器的內(nèi)阻為120計(jì)算Rx=630Q.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(wèn)題問(wèn)題一：使用單片機(jī)的電路限制實(shí)現(xiàn)的效果不明顯,未能到達(dá)目標(biāo).解決方案：使用非單片機(jī)連接電路,效果明顯.問(wèn)題二：LED;區(qū)動(dòng)局部電路與TL494降壓電路結(jié)合后無(wú)法正常工作,LED不亮. 解決方案：AP150仃DD31都需要接地,而在實(shí)驗(yàn)時(shí)用到的電源箱沒(méi)有共地,導(dǎo) 致了 DD31斷路.將電源共地后問(wèn)題解除.問(wèn)題三：前級(jí)限制電路中,LM339ft出端上拉電阻過(guò)熱.解決方案：LM339勺輸出 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

10、工作電 流為50MA設(shè)計(jì)中上拉電壓為12V,而設(shè)計(jì)初期選用白上拉電阻過(guò)小(320Q),上拉電阻的功率較大,從而導(dǎo)致過(guò)熱.將 LM339勺四個(gè)輸出端并用后,即到達(dá)了 輸出電流的標(biāo)準(zhǔn),又防止了電阻過(guò)熱.問(wèn)題四：由TL494®供LM339勺工作電壓55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：01234567Time (min)a: LED燈亮度自然光亮度5 .后期展望據(jù)相關(guān)資料說(shuō)明,大連市在今后三年內(nèi)城市路燈全部由LED丁取代.LED勺廣泛 使用,將使LEES上未來(lái)照明的主導(dǎo)地位.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的限制系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于 路燈照明,在 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!的實(shí)時(shí)調(diào)控,預(yù)留出的PWM也為未來(lái)參加單 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證.6 .參考文獻(xiàn)1劉劍.建筑電氣工程CAD設(shè)計(jì)與常見(jiàn)問(wèn)題M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006 , 1-72點(diǎn)晶科技股份.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