一种基于非成像光学的校园LED节能路灯设计

周韬 刘晋 杨朋 张顺如

【摘 要】本文利用非成像光学设计方法，设计了一种新型的基于LED光源的均匀照明系统。并采用STC89C52RC单片机为主控芯片，设计出了既有时间控制又可以依据自然光辐射、人体红外光辐射的双重控制的LED路灯。

【关键词】LED；光学设计；控制电路

中图分类号： TM923.34 文献标识码： A 文章编号：2095-2457（2018）05-0181-004

【Abstract】In this paper，a new uniform lighting system based on LED light source is designed by. non-imaging optical design method.The STC89C52RC single chip microcomputer is used as the main control chip，a LED street lamp controlled by time， natural light radiation and infrared radiation of human body was designed.

【Key words】LED； Optical design；Control circuit

0 前言

校园路灯控制系统已在我国广泛应用，而传统的校园路灯控制为“人工控制”、“时控”或“光控”等单一的控制方式[1]。单一控制的方式会造成一定的能源浪费。因此，本次设计根据校园路灯使用的实际情况，采用照明时间上的控制、及光电传感器对人体红外光的感应，设计出一种具有高节能且能够实现高品质照明的时控及光控的双重控制模式的校园智能LED节能路灯。

1 基于非成像光学的LED均匀照明的光学系统设计

本次设计的两个光学系统应用于LED路灯照明中，这两个光学系统的设计目标分别为均匀的矩形光斑和圆形光斑。设计采用的主要思路是：首先从单个LED光源出发，分析单个LED光源的位置排列及倾角的大小；然后就单个LED光源进行二次光学设计（矩形、圆形光斑）；最后将设计好的单个LED模型导入整个照明系统中进行模拟验证。从光分布来看，LED二次光学设计（非成像光学）首先要进行的是出光角度重新设计，其次是光强分布应做到均匀[2]。

具体要求如下：（1）均匀度：不超过10%，即最大光通量和最小光通量之差要小于10%；（2）光能利用率：在保证均匀度的前提下不得低于60%，越高越好。

1.1 单个LED非成像矩形均匀光斑照明的光学系统仿真模拟及效果分析

将设计好的透镜3D模型导入光学仿真软件中，设计符合条件的光源，这一光源必须与所用的光源特性吻合。在软件中设定符合条件（光束角、光源几何大小）的单个光源，将透镜置于单个LED光源前，设定透镜的折射率及尺寸，模拟追迹的光线数为200000条，模拟过程如下图1所示。图1是矩形均匀光斑单个透镜的光线追迹图。

模拟结果如下，下图2是矩形均匀光斑单个透镜的模拟照度分布图，由图可知，LED光源在经过设计的单个透镜后能够得到一个均匀的矩形光斑，设计结果符合均匀性要求。下图3是矩形均匀光斑单个透镜的模拟剖面分布图，可以较准确地评估矩形光斑区域的尺寸，设计结果符合设计目标。下图给出了接收面照度在X和Y方向的分布，可知两个方向均可达到75%以上的均匀度。

1.2 单个LED非成像圆形均匀光斑照明的光学系统仿真模拟及效果分析

将设计好的透镜3D模型导入光学仿真软件中，设计符合条件的光源，这一光源必须与所用的光源特性吻合。在软件中设定符合条件（光束角、光源几何大小）的单个光源，将透镜置于单个LED光源前，设定透镜的折射率及尺寸，模拟追迹的光线数为200000条，模拟过程如下图4所示。图4是矩形均匀光斑单个透镜的光线追迹图。

模拟结果如下，下图5是圆形均匀光斑单个透镜的模拟照度分布图，由图可知，LED光源在经过设计的单个透镜后能够得到一个均匀的圓形光斑，设计结果符合均匀性要求。下图6是圆形均匀光斑单个透镜的模拟剖面分布图，可以较准确地评估圆形光斑区域的尺寸，设计结果符合设计目标。下图给出了接收面照度在X和Y方向的分布，可知两个方向均可达到75%以上的均匀度。

1.3 光学系统仿真结果分析

根据上述仿真结果分析，被照面照度基本呈矩形或圆形分布，照度均匀分布。其照度均匀度均达到了75%以上，使得LED路灯获得了较高的光能利用率、照度均匀性和更优化的设计空间。另外被照面的照度分布不是严格的矩形或圆形分布，这个误差主要是光学系统的初始模型设置和多参数优化过程中引入的。所以该自由曲面透镜符合光学系统设计要求。

2 基于非成像光学的校园LED节能路灯的硬件电路设计

本设计将采用单片机作为主控芯片，外界信息采集采用热释电红外传感器、硅光电池等光电传感器，并用ADC进行模数转换，采用时钟芯片来提供时间参考。要实现的功能如下：

（1）具备光控时控等功能；

（2）无论白天黑夜，只要外界光强暗到一定的程度路灯就立即工作；

（3）外界光强由明到暗或由暗到明时，路灯光强随着外界光强的变化由弱到强或由强到弱；

（4）晚上8点到12点正常工作，午夜12点到凌晨5点熄灭；

（5）在午夜12点到凌晨5点路灯熄灭时，当有人路过时路灯工作，当无人路过时路灯保持熄灭。

设计的系统总方案如下图7所示：

本设计采用ADC0809的查询方式进行AD转换。电路图如下图8所示：

如上图9所示，采用同相输入比例运算电路放大硅光电池所输出的电压，放大倍数计算公式为：

在本设计中R12的值为38KΩ，R11的值为2KΩ所以根据上面的公式可得该电路放大倍数为20倍。将放大后的输出电压接到ADC0809的IN0引脚上进行AD转换。

本设计中采用HT7533穩压器将5V电压降到3.3V为EG4002和热释电红外传感器供电，EG4002红外热释电处理芯片的应用电路图如下图10所示。

当外界光强减弱时，光敏电阻的阻值增大，从而导致第一个三极管的基极电压增大。当外界光强降到某个特定值时，光敏电阻的阻值也增大到某个特定值使基极电压达到开启电压，从而使三极管导通驱动继电器工作。此时，电路总开关开启。同理，当外界光强增强时，由于光敏电阻的阻值降低导致基极电压低于开启电压三极管不导通，从而使继电器不工作电路总开关断开。电路如图11所示：

LED控制电路如下图12所示：

DS1302的应用电路如下图13所示：

3 软件设计

3.1 主函数的设计

主函数内主要包括系统初始化，ADC采样以及各功能函数的引用。首先是配置内部定时器T0和TI装载高八位和低八位并打开中断，再引用时钟芯片DS1302的初始化函数，然后开启ADC0809通道0的AD转换采样硅光电池电压，再读取时钟芯片里面的时间，根据AD值和时间计算出LED的亮度。计算完成后开启ADC0809通道1的AD转换开始采样热释电的电压，同样读取时间数据，然后根据时间数据和AD值判断LED灯是否打开。在完成后又回到第一次AD转换开始第二次循环。主函数设计流程图如下图14所示。

3.2 DS1302时钟函数的设计

本模块主要分为读写两个子模块，写入DS1302初始时间值，读出实时时间值。先对DS1302的RST和SCLK引脚置0，然后对RST置1启动数据传输。在延时2us后将SCLK置0，用for循环写入8个二进制位数据写入写命令字，延时2us后再次拉低SCLK用for循环写入时间值的8个二进制位数据，等待数据写入完成后将SCLK和RST分别置1置0禁止数据传输。根据写入命令字的不同对寄存器的不同位进行操作。时钟写函数流程图如上图15所示，时钟读函数流程图如下图16所示。

3.3 AD转换函数的设计

本函数主要是用于开启ADC转换并读取ADC的数据。通过对ADC0809的A、B和C引脚置位选通8路模拟输入中的一路，然后对ST引脚置0后再置1最后置0开启ADC的转换，接着用while循环语句等待转换的完成，当转换完成后将OE引脚置高电平打开数据输出的允许位，最后单片机通过读取P3口的状态来获取ADC的数据。ADC转换函数设计流程图如上图17所示。

4 结论

首先根据光学系统仿真结果分析，可知本次设计的两个光学系统都实现了光学系统设计的目标及要求。它们的照度均匀度都达到了75%以上，符合预期设计的照度均匀度要求，完成了目标平面与光源在合适距离下目标平面上照度的均匀分布。其次，此设计将实现在傍晚或黎明时依据自然光的明暗来控制路灯相应的亮度；午夜12点至凌晨5点路灯熄灭，午夜至黎明的时间段内若有人经过则自动短时间亮起路灯以进行照明的功能。

【参考文献】

[1]钱宏，张华，黄宗福，等.基于多传感器的智能路灯控制器设计[J].中国科技信息，2014（7）：138-140.

[2]杨朋，谌雄文，周韬，等.一种基于LED的均匀矩形光斑透镜设计[J].科技视界，2016（25）：228-229+100.

[3]Da Bo Dong.Design of Intelligent System for LED Lighting Based on PWM[J].Advanced Materials Research.2013（765）：2567-2570.