节能型智能公共设施照明系统设计

胡 清，杜月云

(商丘职业技术学院，河南 商丘 476000)

节能型智能公共设施照明系统设计

胡 清，杜月云

(商丘职业技术学院，河南 商丘 476000)

利用人体红外热释电传感器和光照度传感器产生信号，通过单片机处理，以PWM方式对LED灯进行调光，提出了一套用于公共设施节能智能照明系统设计方案.经测试，该控制系统功耗低、结构简单、可靠性稳定性高，可广泛用于教室、办公场所等公共设施的室内外照明.

智能控制；人体红外；STC15F2K60S2单片机；PWM调光；LED照明

随着全球能源持续性紧张，新能源设备的开发与利用越来越受到世界各国的重视.LED是一种能发光的半导体器件，与以前沿用的白炽灯、节能灯等相比，具有体积小、能耗低、亮度高、寿命长、稳定性好、制作材料无污染等优点.如今，LED灯的应用已经从原来的指示灯广泛延伸到国防、科技等领域设备当中，尤其是在生活等领域LED灯得到了广泛的应用[1]24-39,[2]15-26.

在公共设施和现代大型建筑中出现室内无人或自然光强度高的情况下，室内灯光仍处于最大亮度的打开状态，造成照明能源浪费的现象.本项目是根据室内自然光的强弱进行控制和“人来灯亮，人走灯灭”的原则设计一款智能公共设施照明系统，可以根据需要自动开启照明系统并调节其亮度；在保证必要照明的同时，缩短了灯具的工作时间，减少了能源浪费，延长了灯具的使用寿命.

1 节能智能照明系统总体概述

系统工作原理：通过光照度传感模块检测到当自然光照度低于某一设定值，且人体红外传感模块检测到有人进入室内时，启动系统工作，并由智能控制MCU将输入的光照信号和红外信号进行模数处理，以PWM方式通过LED降压恒流源驱动芯片PT4115控制点亮多个LED灯.系统总体设计如图1所示.

图1 系统总体设计图

2 节能智能照明系统硬件结构设计

2.1 MCU设计

系统核心芯片采用宏晶公司的低功耗高性能的STC15F2K60S2单片机[3]71-80，该芯片采用增强型8051内核，1个(时钟)机器周期，执行速度比标准的8051快8～12倍，主要性能为：

1)内部集成60KB Flash程序存储器、1KB数据Flash、2048字节的SRAM

2)至多拥有42个I/O口，可设置4种工作模式，每个I/O口的驱动能力均可达20 mA

3)3个16位定时/计数器

4)3通道(捕获/比较)单元，还可用于实现3路D/A或3个定时器或3个外部中断

5)2个全双工异步通信口(UART)和1个高速同步通信口(SPI)

6)8通道的10位ADC

7)内置高可靠复位电路和硬件看门狗电路(WDT)

8)内部集成高精度R/C时钟，无须外加晶振时钟电路

2.2 环境光度检测模块

本文对光照度传感器ql5528、APDS-9008、BH1750进行了对比：ql5528是光敏电阻传感器，利用光的强度与阻值成反比的规律，通过检测电压得到光照度参数；BH1750是半导体制造商ROHM为适应小型精密家电背景灯要求而开发出的具有优良光谱灵敏度特性的16位串行输出的单片数字照度传感器，BH1750与主控制器之间的通讯使用标准的I2C通讯协议；APDS-9008是一款低成本小型化表面贴装环境亮度传感器，可以应用在广泛的便携式电子产品背光控制上，根据光照度参数直接输出电流信号.根据本项目的精度要求和核心芯片的内部资源，选用了APDS-9008作为环境光度检测模块.本系统采用+5 V电源给芯片供电，通过IOUT引脚输出模拟电流信号，送给单片机STC15F2K60S2的P1.0引脚，进行AD处理得到数字信号，具体电路如图2所示.

图2 APDS-9008 光照度传感器电路

2.3 人体红外检测模块

本系统人体红外检测模块采用的是HC-SR501热释电传感器，通过检测是否有人存在，控制照明系统的启用和断开，并对室内的灯光场景进行自动调节[4]49-52.基于红外线技术的自动控制模块HC-SR501采用778探头设计，工作电压较低，具备高可靠性和灵敏度，被广泛应用于自动控制产品中，特点如下：

1)工作电压较宽：DC5V～20 V

2)具有感应封锁时间0.2 s，延时时间可调(0.3～18 s)

3)辐射照面覆盖了特殊的菲泥尔滤光片，提高了仅对人体的红外辐射敏感度

4)具有温度补偿结构

5)全自动感应模式：当有人进入到感应区时输出高电平，当人离开感应区后自动延时后输出低电平

6)感应范围：小于120°锥角，7 m以内

7)工作温度：-15°～+70°

该模块有3个引脚：VCC接+5v、GND接地、OUT接STC15F2K60S2的一个I/O口，如图3所示.

图3 人体红外热释电传感器电路图

图3中BISS0001是一款以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关，性能可靠，能自动快速开启各类光源，适用于室内的敏感区域，本系统还增加了一个用于电路保护的稳压管7133-1.

2.4 LED调光模块

LED调光方式主要有线性调光、PWM 调光、和可控硅调光3种.PWM调光是通过数字编码的方式调制方波的占空比，从而实现对输出电流的控制，占空比的大小与电流输出强弱关系如图4所示.通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码[5]51-54,[6]30-33.只要带宽足够，任何模拟值都可以使用 PWM 进行编码.

图4 PWM调光波型

系统采用PowerTech公司生产的降压恒流源芯片PT4115作为核心器件，利用PWM方式进行调光.该芯片工作在连续电感电流导通模式，可用来驱动一颗或多颗串联LED,电路图如图5所示.

图5 LED调光驱动电路图

PT4115和电流采样电阻Rs电感L以及续流二极管D5形成一个自震荡的连续电感电流模式恒流源LED控制器.

LED的最大平均电流由链接在VIN和CSN两端的电阻Rs决定，计算如公式(1)：

由上式看出，只要合理设置采样电阻Rs，就能控制流过LED电路的电流值大小.

将微处理器输出的PWM信号送给PT4115的DIM引脚，当DIM引脚VP低于0.3V时，关断LED电流；若VP介于0.5V～2.5V之间，电流值的计算如公式(2)所示；VP介于2.5V～5V之间，LED电流值的计算如公式(3)所示.

本系统采用了3个1W的白光灯珠串联构成发光电路，+12V电源给VIN供电，通过LED串的最大电流为350mA，Rs为0.27Ω.PWM的调光频率应在100Hz～20KHz之间，当频率低于100Hz时LED会出现闪烁现象，因此选用PWM的调光频率为5KHz.

3 节能智能照明系统软件设计及测试

系统以中断的方式对光照度传感器进行定时检测，获得当前光强度信息，并由单片机对信息进行AD转换，将模拟信号转换成数字信号.HC-SR501人体红外热释电传感器用于检测室内环境，若室内有人则输出高电平，同时将测得的光照度值进行10位数模转换，经单片机处理后以PWM方式输出到PT4115的DIM引脚，智能控制室内LED灯的亮度.软件设计流程图如图6所示.

图6 软件设计流程图

分别在室内有人和无人及光照度不同的条件下，进行系统测试，获得不同的LED亮度数据，经过对比，证明该系统能够很好地完成智能控制LED灯的目的.

4 结语

设计完成的节能型智能公共设施照明系统具有低功耗、高可靠性、高性价比、结构简单、便于实施等特点，特别适用于学校教室、办公室等公共场所，完全能够达到“人来灯亮，人走灯灭”的设计要求，从而达到最大限度的节约能源的目的，具有较高的实用价值.

[1] 程晓亮.楼宇智能LED控制系统的研究[D].天津:天津职业技术师范大学，2014．

[2] 梁人杰.智能照明控制技术发展现状与未来展望[J].照明工程学报，2014( 02)．

[3] 贾冬颖,王 巍.基于STC单片机LED智能照明系统的设计[J].照明工程学报,2010，21(02).

[4] 周志敏,纪爱华.LED驱动电路设计要点与电路实例[M].北京:化学工业出版社，2012.

[5] 骆 华，黄勇坚，刘 伟，等.基于ZigBee和STM32的室内智能照明系统的设计[J].电子技术，2014(12)．

[6] 夏 丽.智能LED照明系统设计[D].西安:西安电子科技大学，2014.

[责任编辑 梧桐雨]

A Design of Energy-Saving Intelligent Lighting System Used for Public Facilities

HU Qing, DU Yueyun

(ShangqiuPolytechnic,Shangqiu476000,China)

The paper put forward a set of design used for public facilities and energy saving of intelligent lighting system to dim light leds in PWM way using the human body infrared pyroelectric sensor and light sensor signal through the MCU processing. After the test, the control system is of low power consumption, simple structure, reliability, high stability; therefore, it can be widely used in classrooms, offices and other public facilities, indoor and outdoor lighting.

intelligent control; human infrared; STC15F2K60S2; PWM Dimming; LED lighting

2016-12-19

胡 清(1977- )，女，河南商丘人，商丘职业技术学院讲师，硕士，主要从事智能控制、电子信息、精密仪器研究。

TM921.5；TM923

A

1671-8127(2017)04-0080-04