智能照明系统

智能照明系统
指导教师：张爱平
参赛队员：刘东，李超，傅猛猛
摘要：鉴于传统照明系统存在的缺陷以及不必要的电能浪费，我们小组研制了可以根据照明场所的光照强度实时控制LED灯的亮度的照明装置，实现了应对各种情况下的照明需要以及电能的节约。

经过实际的设计与测量，得到了很好的实验效果。

关键词：LED;光照智能调节;PWM信号;双路供电
1 引言
现代社会对节能的需求与日俱增，节能的要求拓展到了工业能源、交通能源等等各个领域。

其中，照明的节能也是当今节能环保领域的主题之一。

此外，太阳能作为能量巨大的可再生资源称为当今可再生资源利用方面的主流之一，太阳能电池以其价格相对低廉、原理相对简单等特点得到了普及，是应用于照明的最有实用性的能源。

以我们学校为例，太阳能已经应用到校园的每一个角落。

LED具有发光效率高、功耗低、寿命长、环保等很多其它传统照明光源无法比拟的优势，已被广泛应用于广告照明、信号灯、景观灯等照明领域。

其中，白光LED即具备了LED的优点，又具有照度大、光线色温适中等特点，被认为是取代白炽灯、荧光灯的最具潜力的照明光源。

随着科学技术的不断进步，自动化装置以及自动化理念被运用到家电、汽车、工业、农业、商业、建筑等多个领域。

在传统照明系统中，存在着如下缺点：第一，在黎明（傍晚）时分，自然光已经很强（很弱），但是路灯依然处于工作（关闭）状态，造成了电能的浪费；第二，在一些突发情况下（骤然阴天等），由于路灯工作人员未能及时通断路灯，给百姓的出行造成不便。

而智能照明系统本着智能、节能的理念，通过光信号采集和处理、PWM信号脉冲调制、LED驱动，克服了传统照明系统的缺点，实现了智能控制与节能LED的完美结合。

2 实验原理
系统设计及工作原理概述
本设计是集电源降压、LED驱动、自动调光模块于一体的大功率白光LED驱动系统，该系统的核心元件是LED驱动芯片DD311。

根据DD311的电压输入特性，设计了基于降压型开关稳压器AP1501-12的降压电路将太阳能电池输出的电压进行降压，同时系统还配备了双电源系统，备用电源以24v继电器实现了24V 电源与220V市电之间的转换。

另外，利用DD311所提供的一个可输入PWM信号的输入端，设计了以PWM控制器TL494为核心的自动调光电路，该电路采用光敏电阻作为传感元件，通过采样电路使输入TL494的控制电压发生改变，从而改变TL494输出给DD311的PWM信号，以实现调节LED亮度的功能。

这个基于TL494的控制电路是本设计自动调光电路的后级电路，它主要负责精确调整LED亮度。

此外，本设计还利用电压比较器和继电器相结合，实现了自动调光电路的前级控制，它的作用是在室内照度较大时，使后级调光电路停止工作，具有节能和保护的作用。

本设计系统的总原理图如下图。

3实验系统的设计
本设计中采用了16颗LED，REXT为参考电流输入端，输出电流是参考电流的100倍，计算公式如下：ILED (A ～ 100 × ( Vbias－ VREXT = 100×IREF (A) 则其所需的电流为：
Iled=Il×Nl=350MA×4=1.4A
每个DD311的参考电流为3.5MA，因此参考电阻为：
Rext=Vrext/Iref=12V/3.5mA=3428Ω
实验设计图如下
：
本设计采用调节脉宽的方式对LED 进行亮度调节，脉宽控制信号由TL494 的输出端直接输入给DD311 的使能端。

在本设计中，自动调节电路被分为了前后两级，前级是基于电压比较器的控制电路，它的作用是在室内自然照度大于200LUX 时使后级调光电路不工作，以减少功耗，同时延长后级调光电路核心元件TL494的使用寿命。

后级是基于TL494芯片的PWM 调光电路，它的作用是在室内自然照度为120LUX 以下时，精确调节LED的亮度。

后级调光电路中TL494 是为开关电源设计的固定频率脉冲宽度调节器，它可以产生设计者期望频率的脉冲，并可以对脉宽在0%至100%的范围内进行调节，在保证LED 闪烁频率不应过低的情况下，TL494 不需太高的工作频率。

本设计选用0.01UF 的电容及50K 的电阻，设定频率为：Fosc≈1.1/RT •CT≈1.1/0.01UF•50K=2.2KHZ。

在本设计中，它不用做动态的脉宽调节端，而是用以设定一个静态的脉宽范围。

TL494 产生的脉冲最大占空比可达98%，因此LED 的调光范围很大。

从曲线中可知，在自然照度为10Lux 以下时，光敏电阻阻值的变化忽然加剧，从而使采样电压的变化随之加剧，但此时占空比的变化却不大，保持在90%以上。

通过实验得知，占空比的变化范围范围在20%之内时，LED 的亮度无明显变化。

因此，可以认为LED 在照度接近20Lux时基本达到全亮。

在前级控制电路中控制继电器吸合的临界工作点是由光敏电阻阻值决定。

通过公式计算出分压电阻的阻值:(12*Rx）/(Rx+3500)=5v公式中，算式结果5V 是LM339的参考电压。

当光敏电阻的阻值发生变化时，采样电压便会随之变化。

LM339的工作原理图如下：
它的作用是用来控制5v继电器的通断，接通时DD311以及整个后级调光电路才可通电并正常工作。

LM339 的输出端是一个三极管的集电极，该三极管的发射极接地。

需要注意的是，其集电集可以承受的电流必须小于20MA，但继电器线圈所需要的工作电流为32MA，因此必须同时使用两个比较器，并将这三个比较器的输出并联在一起来加大输出电流。

每个输出的电流用一个上拉电阻设置为16MA，该上拉电阻与12V电压串连至三极管的集电极，这样在输出管截止时，输出电流的值为三个输出端电流之和。

每个输出端电流计算公式如下：12/（Rx+120)=0.016式中，将继电器的内阻作为负载电阻进行计算，经检测，继电器的内阻为120计算Rx=630Ω。

所以将630Ω的电阻作为上拉电阻阻值即可使输出端电流为16MA.
4.系统调试及问题
问题一：使用单片机的电路控制实现的效果不明显，未能达到目标。

解决方案：使用非单片机连接电路，效果明显。

问题二：LED驱动部分电路与TL494 降压电路结合后无法正常工作,LED不亮。

解决方案：AP1501与DD311都需要接地，而在实验时用到的电源箱没有共地，导致了DD311断路。

将电源共地后问题解除。

问题三：前级控制电路中，LM339输出端上拉电阻过热。

解决方案：LM339的输出端是一个三极管，其集电极的最大工作电流为20MA，而输出继电器所需的工作电流为50MA。

设计中上拉电压为12V，而设计初期选用的上拉电阻过小（320Ω），
上拉电阻的功率较大，从而导致过热。

将LM339的四个输出端并用后，即达到了 输出电流的标准，又避免了电阻过热。

问题四：由TL494提供LM339的工作电压5V 不稳定 解决方案：从外部直接给入5v 参考电压，电压稳定。

系统测量结果
a: LED 灯亮度
自然光亮度
5.后期展望
据相关资料表明，大连市在今后三年内城市路灯全部由LED 灯取代。

LED 的广泛使用，将使LED 登上未来照明的主导地位。

实验设计的控制系统不仅可以应用于路灯照明，在手机背景灯、家用照明灯等方面也可发挥巨大的作用。

本实验的智能照明系统不仅已经实现了对LED 灯的实时调控，预留出的PWM 口也为未来加入单片机或其他设备，增强系统的各大功能提供了完美的保障。

6.参考文献
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[9]毛兴武，张艳雯.新一代绿色光源LED 及其应用技术.北京：人民邮电出版社，2008
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