智能照明系統(tǒng)

1、智能照明系統(tǒng)指導教師：張愛平參賽隊員：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,我們小組研制了可以根據照明場所的光照強度實時限制 LED燈的亮度的照明裝置,實現(xiàn)了應對 各種情況下的照明需要以及電能的節(jié)約. 經過實際的設計與測量,得到了很好的 實驗效果.關鍵詞：LED;光照智能調節(jié);PWM信號;雙路供電1引言現(xiàn)代社會對節(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 等等各個領域.其中,照明的節(jié)能也是當今節(jié)能環(huán)保領域的主題之一.止匕外,太 陽能作為能量巨大的可再生資源稱為當今可再生資源利用方面的主流之一,太陽能電池以其價格相對低廉、原理相對簡單等特點得到了普

2、及,是應用于照明的最 有實用性的能源.以我們學校為例,太陽能已經應用到校園的每一個角落.LED具有發(fā)光效率高、功耗低、壽命長、環(huán)保等很多其它傳統(tǒng)照明光源無法 比較的優(yōu)勢,已被廣泛應用于廣告照明、信號燈、景觀燈等照明領域.其中,白 光LED即具備了 LED的優(yōu)點,又具有照度大、光線色溫適中等特點,被認為是取 代白熾燈、熒光燈的最具潛力的照明光源.隨著科學技術的不斷進步,自動化裝置以及自動化理念被運用到家電、 汽車、 工業(yè)、農業(yè)、商業(yè)、建筑等多個領域.在傳統(tǒng)照明系統(tǒng)中,存在著如下缺點：第 一,在黎明黃昏時分,自然光已經很強很弱,但是路燈依然處于工作關 閉狀態(tài),造成了電能的浪費；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,通過光信號采集和處理、PWM1號脈沖調制、LED驅動,克服了傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的缺點,實現(xiàn)了智能限制與節(jié)能LED的完美結合.2實驗原理 系統(tǒng)設計及工作原理概述本設計是集電源降壓、LED驅動、自動調光模塊于一體的大功率白光 LED驅 動系統(tǒng),該系統(tǒng)的核心元件是LED驅動芯片DD311根據DD311的電壓輸入特性,設計了基于降壓型開關穩(wěn)壓器 AP1501-12的降壓電路將太陽能電池輸出的電壓 進行降壓,同時系統(tǒng)還配備了雙電源系統(tǒng),備用電源以 24v繼電器實現(xiàn)了 24V 電源與220V市電之間的轉換

4、.另外,利用 DD311所提供的一個可輸入PWM1號 的輸入端,設計了以PWMI制器TL494為核心的自動調光電路,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的限制電壓發(fā)生改變,從而改變 TL494輸出給DD311的PWM&號,以實現(xiàn)調節(jié)LED亮度的功能.這個基于TL494 的限制電路是本設計自動調光電路的后級電路,它主要負責精確調整LED亮度.此外,本設計還利用電壓比較器和繼電器相結合,實現(xiàn)了自動調光電路的前級控制,它的作用是在室內照度較大時,使后級調光電路停止工作,具有節(jié)能和保護 的作用.本設計系統(tǒng)的總原理圖如下列圖.3實驗系統(tǒng)的設計本設計中采用了 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DD31的參考電流為3.5MA,因此參考電阻為：Rext=VrexWref=12V/3.5mA=3428 Q實驗設計圖如下本設計采用調節(jié)脈寬的方式對LED進行亮度調節(jié),脈寬限制信號由TL494的 輸出端直接輸入給DD311的使能端.在本設計中,自動調節(jié)電路被分為了前后兩 級,前級是基于電壓比較器的限制電路,它的作用是在室內自然照度大于200LUX 時使后級調光

6、電路不工作,以減少功耗,同時延長后級調光電路核心元件TL494的使用壽命.后級是基于TL494®片的PWMM光電路,它的作用是在室內自然照 度為120LUX以下時,精確調節(jié)LED勺亮度.后級調光電路中TL494是為開關電源設計的固定頻率脈沖寬度調節(jié)器, 它可以 產生設計者期望頻率的脈沖,并可以對脈寬在0腕100%勺范圍內進行調節(jié),在保 證LED閃爍頻率不應過低的情況下,TL494不需太高的工作頻率.本設計選用0.01UF的電容及50K的電阻,設定頻率為： Fosc=1.1/RT ?CW 1.1/0.01UF ? 50K=2.2KHZ在本設計中,它不用做動態(tài)的脈寬調節(jié)端, 而是用以設定

7、一個靜態(tài) 的脈寬范圍.TL494產生的脈沖最大占空比可達98%因此LED的調光范圍很大.從曲線中可知,在自然照度為10Lux以下時,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, 但此時占空比的變化卻不大,保持在90犯上. 通過實驗得知,占空比的變化范圍范圍在 20%之內時,LED的亮度無明顯變化. 因此,可以認為LED在照度接近20Lux時根本到達全亮.在前級限制電路中限制 繼電器吸合的臨界工作點是由光敏電阻阻值決定.通過公式計算出分壓電阻的阻值:(12*Rx ) /(Rx+3500)=5v公式中,算式結果5V是LM339勺參考電壓.當光敏電 阻的阻值發(fā)生變化時,采樣電壓便會隨之

8、變化.LM339勺工作原理圖如下：它的作用是用來限制5V繼電器的通斷,接通時DD31超及整個后級調光電路才 可通電并正常工作.LM339的輸出端是一個三極管的集電極,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因此必須同時使用兩個比較器,并將這三個比較器的輸 出并聯(lián)在一起來加大輸出電流.每個輸出的電流用一個上拉電阻設置為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,輸出電流的 值為三個輸出端電流之和.每個輸出端電流計算公式如下：12/ (Rx+120)=0.016 式中,將繼電器的內阻作為負載電

9、阻進行計算,經檢測,繼電器的內阻為120計算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)調試及問題問題一：使用單片機的電路限制實現(xiàn)的效果不明顯,未能到達目標.解決方案：使用非單片機連接電路,效果明顯.問題二：LED;區(qū)動局部電路與TL494降壓電路結合后無法正常工作,LED不亮. 解決方案：AP150仃DD31都需要接地,而在實驗時用到的電源箱沒有共地,導 致了 DD31斷路.將電源共地后問題解除.問題三：前級限制電路中,LM339ft出端上拉電阻過熱.解決方案：LM339勺輸出 端是一個三極管,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設計中上拉電壓為12V,而設計初期選用白上拉電阻過小(320Q),上拉電阻的功率較大,從而導致過熱.將 LM339勺四個輸出端并用后,即到達了 輸出電流的標準,又防止了電阻過熱.問題四：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)測量結果：01234567Time (min)a: LED燈亮度自然光亮度5 .后期展望據相關資料說明,大連市在今后三年內城市路燈全部由LED丁取代.LED勺廣泛 使用,將使LEES上未來照明的主導地位.實驗設計的限制系統(tǒng)不僅可以應用于 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.本實驗的智能照明系統(tǒng)不僅已經實現(xiàn)了對LED!的實時調控,預留出的PWM也為未來參加單 片機或其他設備,增強系統(tǒng)的各大功能提供了完美的保證.6 .參考文獻1劉劍.建筑電氣工程CAD設計與常見問題M.北京：機械工業(yè)出版社,2006 , 1-72點晶科技股份.DD311技術手冊Z.20063摩托羅拉公司.TL494技術手冊Z.19964 Intersil 公司.LM339 技術手