LED教室燈自動開關(guān)及自適應(yīng)調(diào)光系統(tǒng)

1、LED教室燈自動開關(guān)及自適應(yīng)調(diào)光系統(tǒng) 摘要：隨著LED燈的開展，對其功能的探索也如火如荼的進行著。本文利用圖像傳感器和光敏電阻，通過單片機的控制來實現(xiàn)對LED教室燈的自動開關(guān)和自動調(diào)光功能。系統(tǒng)采用光敏電阻檢測環(huán)境亮度，利用了CMOS圖像傳感器人進入前后圖像的變化來實現(xiàn)自動開關(guān)的功能，采用溫度傳感器DS18B20檢測LED 的溫度，傳感器檢測到的信號經(jīng)過預(yù)處理傳給單片機，經(jīng)單片機處理后控制LED 燈的開關(guān)和亮度。 關(guān)鍵詞：CMOS圖像傳感器 LED調(diào)光 溫度傳感器DS18B20中文分類號：分類號1；分類號2LED the classroom light automatic switch and

2、 adaptive adjustable optical-intensity system Abstract: with the development of LED lights, to explore its function also in full swing. In this paper, using image sensor and photosensitive resistance, through single chip microcomputer to realize the control of automatic switch to LED the classroom l

3、ight and automatic dimming function. System using photosensitive resistance testing environment brightness, use the CMOS image sensor entered before and after the change of the image to realize the function of automatic switch, the temperature sensor DS18B20 temperature, measurement of LED sensor de

4、tects the signal after pretreatment to the single-chip microcomputer, by single-chip microcomputer control switch and brightness of LED lights. Key words：CMOS image sensors LED light-dimmer temperature sensor DS18B20 CLASSNO:Classification number 1; Classification number 21 引言1.1 LED自動開關(guān) 我國是一個資源緊缺的國

5、家，但在日常的生活中，人們并沒有意識到這一點。高效的照明技術(shù)得到人們的廣泛關(guān)注。LED以其高效率、低功耗、低電壓驅(qū)動、使用壽命長等優(yōu)點，被越來越多的應(yīng)用在各種照明場合，在可預(yù)見的將來可能完全取代傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈照明，給照明產(chǎn)業(yè)帶來革命性的變化。以室內(nèi)照明為例，在很多公共場合中都采用手動開關(guān)，經(jīng)常出現(xiàn)沒有及時關(guān)燈的現(xiàn)象，從而造成能源的浪費，也會縮短燈具的使用壽命。針對這一現(xiàn)象，有必要研究一種智能開關(guān)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用智能傳感器COMS圖像傳感器來檢測是否有人在教室學(xué)習(xí)來控制燈的開關(guān)，以保持不浪費資源。1.2 LED自適應(yīng)調(diào)光LED與白熾燈相比有一個顯著的不同點，LED的發(fā)光亮度與流過LED正向

6、電流的大小根本上成正比例關(guān)系。利用它的這個特點，通過光傳感器測量周圍的環(huán)境亮度，根據(jù)測量值改變LED的發(fā)光亮度，實現(xiàn)維持周圍環(huán)境亮度在某個水平，構(gòu)建出讓人們心情愉快的工作場合。這樣不僅營造出具有恒定亮度的舒適環(huán)境，而且能夠充分利用自然照明，大大節(jié)約能源。因此，對LED自適應(yīng)調(diào)光技術(shù)的研究顯得格外地重要。2 智能控制系統(tǒng)系統(tǒng)采用光敏電阻檢測環(huán)境亮度，CMOS圖像傳感器檢測人進入前后圖片變化，溫度檢測模LEDLED驅(qū)動單片機溫度檢測模塊塊檢測LED 的溫度，傳感器檢測到的信號經(jīng)過預(yù)處理傳給單片機，經(jīng)單片機處理后控制LED 燈的開關(guān)和亮度。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。熱釋電紅外傳感器COMS圖像傳感器環(huán)境

7、亮度檢測模塊 圖1 系統(tǒng)整體模塊本系統(tǒng)把教室分為不同的區(qū)域，假設(shè)有四個區(qū)域。 有人亮無人仍然滅 無人仍然滅無人仍然滅首先由COMS圖像傳感器儲存教室不同區(qū)域無人時的圖片到數(shù)據(jù)庫，假設(shè)當有人進入時，熱釋電紅外傳感器檢測，圖像傳感器工作，得到當時的相片，然后在數(shù)據(jù)庫比照分析。光照系統(tǒng)滿足，圖片變化，通過單片機控制，LED驅(qū)動，從而區(qū)的燈翻開，而其他區(qū)域的燈因為無人進入，故仍處于關(guān)閉狀態(tài)，到達節(jié)能的效果。當LED亮后，根據(jù)教室的光照情況，通過環(huán)境亮度檢測模塊來自動調(diào)節(jié)LED的亮度，使學(xué)生能在舒適的光照條件下學(xué)習(xí)。當學(xué)生離開時，圖片變化處理，檢測到無人，一段時間后自動熄滅。3 硬件系統(tǒng)輸出放大器3.1

8、 COMS圖像傳感器及熱釋電紅外傳感器垂直移位寄存器控制電路水平移位存放器COMS圖像傳感器列陣靈敏放大器 時序電路 圖2 COMS圖像傳感器框圖 CMOS 英文全名 Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互補性氧化金屬半導(dǎo)體，CMOS的材質(zhì)主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導(dǎo)體，使其在CMOS上共存著帶N帶 電 和 P帶 + 電級的半導(dǎo)體，這兩個互補效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理晶片紀錄和解讀成影像。 CMOS傳感器的主要應(yīng)用也是圖像的采集，也要求能夠適應(yīng)更寬的光照范圍。因此也必須采用非線性的處理方法和自動調(diào)整曝光時間與自動增益等處理方法。結(jié)果與CCD

9、相機一樣損失了光電轉(zhuǎn)換的線性，正因為此項，它也受限于灰度的測量。CMOS圖像傳感器的突出優(yōu)點在于輸出特性，它可以局部輸出任意區(qū)域范圍內(nèi)的圖像并非所有CMOS傳感器都具有這個功能，如果生產(chǎn)廠家沒有給您提供這個特性在跟蹤、尋的、搜索及室外拍照等的應(yīng)用前景非常之好。也是CCD傳感器所無法辦到的。CMOS 應(yīng)用半導(dǎo)體工業(yè)常用的 MOS工藝，可以一次整合全部周邊設(shè)施于單晶片中，節(jié)省加工晶片所需負擔的本錢和效率的損失；相對地 CCD 采用電荷傳遞的方式輸出，必須另開傳輸通道，如果通道中有一個像素故障Fail，就會導(dǎo)致一整排的信號壅塞，無法傳遞，因此CCD的效率比CMOS低，加上另開傳輸通道和外加 ADC

10、等周邊，CCD的制造本錢相對高于CMOS。光譜響應(yīng)受半導(dǎo)體材料限制，同種硅材料的光譜響應(yīng)根本一致，與CCD的光譜響應(yīng)根本一致。由于CCD圖像傳感器的制造工藝與 CMOS集成電路的制造工藝兼容 ,所以用于CCD圖像傳感器作光電轉(zhuǎn)換陣列時 ,除敏感元件陣列外 ,攝像頭所必須的其他電路 ,都只能制作在其余的集成電路芯片上。正因為如此 ,與CCD攝像頭相比 ,CMOS攝像頭具有功耗低、集成度高、價格低廉、體積小和使用方便等優(yōu)點。熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場效應(yīng)管，其目的在于完成阻抗變換。由于熱電元輸出的是電荷信號，并不能直接使用，因而需要用電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓形式。故引入的N溝道結(jié)型場效應(yīng)管應(yīng)接成共漏

11、形式來完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由傳感探測元、干預(yù)濾光片和場效應(yīng)管匹配器三局部組成。設(shè)計時應(yīng)將高熱電材料制成一定厚度的薄片，并在它的兩面鍍上金屬電極，然后加電對其進行極化，這樣便制成了熱釋電探測元。由于加電極化的電壓是有極性的，因此極化后的探測元也是有正、負極性的。該傳感器將兩個極性相反、特性一致的探測元串接在一起，目的是消除因環(huán)境和自身變化引起的干擾。它利用兩個極性相反、大小相等的干擾信號在內(nèi)部相互抵消的原理來使傳感器得到補償。對于輻射至傳感器的紅外輻射，熱釋電傳感器通過安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個探測元上，從而使傳感器輸出電壓信號。制造熱釋電紅外探測元的高熱電材料是一

12、種廣譜材料，它的探測波長范圍為0.2-20um。為了對某一波長范圍的紅外輻射有較高的敏度，該傳感器在窗口上加裝了一塊干預(yù)濾波片。這種濾波片除了允許某些波長范圍的紅外輻射通過外，還能將燈光、陽光和其它紅外輻射拒之門外。 圖3 熱釋電內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖數(shù)據(jù)庫比擬驅(qū)動熱釋電紅外傳感器COMS圖像傳感器基準電源電源 圖4 整個圖像檢測及處理模塊人體都有恒定的體溫，一般在37 ，會發(fā)出特定波長10 m 左右的紅外線。人體輻射的紅外光線經(jīng)過菲涅耳透鏡聚集在PIR 的2 塊探測元上，當人體移動時，紅外輻射強度發(fā)生變化，探測元外表的電荷強度發(fā)生變化，經(jīng)內(nèi)部場效應(yīng)管放大就有信號輸出。3.2 DS18B20溫度傳感器硬件

13、連接及介紹DS1820數(shù)字溫度計以9位數(shù)字量的形式反映器件的溫度值。DS1820通過一個單線接口發(fā)送或接收信息，因此在中央微處理器和DS1820之間僅需一條連接線加上地線。用于讀寫和溫度轉(zhuǎn)換的電源可以從數(shù)據(jù)線本身獲得，無需外部電源。為每個DS1820都有一個獨特的片序列號，所以多只DS1820可以同時連在一根單線總線上，這樣就可以把溫度傳感器放在許不同的地方。這一特性在HVAC環(huán)境控制、探測建筑物、儀器或機器的溫度以及過程監(jiān)測和控制等方面非常有用。圖的方框圖示出了DS1820的主要部件。DS1820有三個主要數(shù)字部件：164位激光ROM，2溫度傳感器，3非易失性溫度報警觸發(fā)器TH和TL。器件用

14、如下方式從單線通訊線上汲取能量：在信號線處于高電平期間把能量儲存在內(nèi)部電容里，在信號線處于低電平期間消耗電容上的電能工作直到高電平到來再給寄生電源電容充電。DS1820也可用外部5V電源供電。 圖5 DS18B20模塊圖 DS1820依靠一個單線端口通訊。在單線端口條件下，必須先建立ROM操作協(xié)議，才能進行存儲器和控制操作。因此，控制器必須首先提供下面5個ROM操作命令之一：1讀ROM，2匹配ROM，3搜索ROM，4跳過ROM，5報警搜索。這些命令對每個器件的激光ROM局部進行操作，在單線總線上掛有多個器件時，可以區(qū)分出單個器件，同時可以向總線控制器指明有多少器件或是什么型號的器件。成功執(zhí)行完

15、一條ROM操作序列后，即可進行存儲器和控制操作，控制器可以提供6條存儲器和控制操作指令中的任一條。一條控制操作命令指示DS1820完成一次溫度測量。測量結(jié)果放在DS1820的暫存器里，用一條讀暫存器內(nèi)容的存儲器操作命令可以把暫存器中數(shù)據(jù)讀出。溫度報警觸發(fā)器TH和TL各由一個EEPROM字節(jié)構(gòu)成。如果沒有對DS1820使用報警搜索命令，這些存放器可以作為一般用途的用戶存儲器使用?？梢杂靡粭l存儲器操作命令對TH和TL進行寫入，對這些存放器的讀出需要通過暫存器。所有數(shù)據(jù)都是以最低有效位在前的方式進行讀寫。 圖6  DS18B20硬件圖3.3 環(huán)境亮度檢測模塊 光敏電阻是利用半導(dǎo)體

16、光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種特殊電阻器，對光線十分敏感，這里用它來檢測環(huán)境亮度。光敏電阻作為光電式傳感器的一種，它具有靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬、體積小、重量輕、機械強度高、耐沖擊、耐振動、抗過載能力強和壽命長等特點。所以選擇光敏電阻采集光照信號，并且把不同的光照強度轉(zhuǎn)化為不同的電阻值。把光敏電阻串聯(lián)在直流電路中即可把不同的電阻值轉(zhuǎn)化為不同的電壓值。 它的電阻值能隨著外界光照強弱的變化而變化。它在無光照射時，呈高阻狀態(tài)，當周圍光線變?nèi)鯐r，引起光敏電阻組織增加，使加在電容兩端的分壓上升，進而使可控硅的導(dǎo)通角增加，打到增大照明燈兩端電壓的目的。反之，假設(shè)周圍的光線變亮，那么RG的阻值降低，導(dǎo)致可控硅的導(dǎo)通角

17、變小，照明燈兩端電壓也同時下降，使燈光變暗，從而實現(xiàn)對燈光照度的控制。 圖7光敏電阻調(diào)光電路3.4 LED驅(qū)動模塊系統(tǒng)采用PT4115 驅(qū)動LED.PT4115 芯片外圍電路簡單，輸出電壓范圍很寬，從8 30 V，最大輸出電流1. 2 A，復(fù)用引腳DIM 可以進行LED 開關(guān)、模擬調(diào)光、PWM 調(diào)光。驅(qū)動電路如下所示。PT4115 采用PWM調(diào)光，當DIM引腳電壓低于0.3V 時關(guān)斷LED電流，高于2. 5 V時開啟LED電流。PWM調(diào)光的根本原理是保持LED正向?qū)娏骱愣?，而通過控制電流導(dǎo)通和關(guān)斷的時間比例，即控制每個周期電流導(dǎo)通的時間。通過PWM調(diào)光，LED的輸出電流可以從0%到100%變化。PWM 調(diào)光相對于傳統(tǒng)的線性調(diào)光，不影響LED的光效。PWM 調(diào)光的優(yōu)勢是LED正向?qū)ǖ碾娏饕恢笔呛愣ǖ?，LED的色度就不會像模擬調(diào)光那樣會變化。PWM調(diào)光可以在精