基于单片机的交流LED智能照明系统设计

摘要：以热释电红外探测器、光亮度及声控传感器做为照明区域的感知器件，进行信号采集，将采集信号通过转换电路转换后传到STC12C56 28AD单片机，经单片机处理后的控制信号控制驱动电路。根据AC LED电路的特点，驱动电路以双向可控硅做为核心器件进行设计，系统可实现AC LED照明的智能开启及亮度调节。经实际电路测试，电路工作稳定可靠，达到了设计要求。
关键词：AC LED；智能化；传感器；单片机；驱动电路

    LED光源具有省电，耗电量小，发光效率高、寿命长等优点。与传统的白炽灯、荧光灯相比，有效的节约了能耗。被认为是21世纪的绿色照明光源。目前的LED光源是低电压(VF=2～3．6 V)，大电流(IF=200～1 500 mA)工作的半导体器件，必须提供合适的直流才能正常发光，由于我们日常使用的是220 V的高压交流电，所以必须使用降压的技术获得较低的电压，常用的是变压器或开关电源降压，然后将交流变成直流，再变成直流恒流源，才能促使LED光源发光。因此，直流驱动LED光源的系统方案必然是变压器+整流(或开关电源)+恒流源。这2种方案系统都会有15％～30％的电量损耗，如果用交流直接驱动LED光源发光，系统效率将很轻松地达到90％以上。目前，公共建筑的照明灯具大多仍采用手动开关，其故障率高，只适应于白炽灯，不适合于LED灯及其它照明设施的使用，下面我们介绍一套基于传感器、微控器控制的AC直接驱动LED照明系统的设计方案。

1 AC LED光源的工作原理
    AC LED光源的工作原理如图1(a)所示，LED输入、输出电压波形如图1(b)所示。将一堆LED微小晶粒采用交错的矩阵式排列工艺分为5串，AC LED晶粒串组成类似一个整流桥，整流桥的两端分别联接交流电源，另两端联接LED晶粒，交流的正半周用实线箭头表示电流流动方向，有3串LED晶粒发光；负半周用虚线箭头表示电流流动方向，又有3串LED品粒发光；4个桥臂上的LED轮番发光，中间一串LED晶粒因共用而一直在发光。在50 Hz的交流中会以每秒50次的频率交替点亮。整流桥获得的是脉动直流，LED的发光也是闪动的，LED有断电余辉续光的特性，余辉可保持几十微秒，因人眼对流动光点记忆是有惰性的，结果人对LED光源的发光+余辉的工作的解读是连续在发光。桥臂上的LED有一半时间在工作，有一半时间在休息，因而发热得以减少20％～40％，因此AC LED的使用寿命较DC LED长。即使中间一串LED故障，通常也是击穿短路故障，击穿后电阻很小，仍然不影响桥臂上LED发光，只是灯的亮度稍微降低些。所以，这种设计技术是合理成熟的。AC LED成熟的产品如首尔半导体的AC110 V的AX3201，工作电流为40 mA；AC220 V的AX3221及AX3231，工作电流为20 mA被广泛用于照明。相比于DC LED大大降低了能耗。

2 一般AC LED的照明应用电路
    AC LED的典型应用电原理图如图2所示，它十分简单，在AC LED两端分别串入正温度系数热敏电阻PTC，和限流电阻R1、R2、R3，接上110 V或220 V交流即可进入照明工作。
    LED在大批量生产时，其阻抗有一定的离散性，AC LED光源生产商在出厂时对批量生产的产品按阻抗分档，客户在使用时可按LED光源厂家提供的分档表查用相应阻值的限流电阻。

3 智能AC LED照明系统硬件设计
    系统工作原理框图如图3所示，由热红外传感器件、强光传感器件、声控传感器件做为感知系统，传感器信号经A／D转换后传到主控器件(CPU)STC12C5628AD，经主控器件处理后将控制信号加到D／A转换电路，控制信号经放大电路放大后加到由可控硅组成的驱动电路上，由可控硅驱动电路来控制AC LED灯的开启和关断及明亮程度。

3．1 被动式热释电红外探测器
    该探测器有3个关键元件：菲涅尔滤光晶片，它通过截止波长8～12μm的滤光晶片，起带通滤波器的作用，使环境的干扰受到明显的控制；菲涅尔透镜起聚焦作用，即将热释电红外信号折射(反射)在热释电红外传感器上，第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式存热释电红外传感器上产生变化的热释红外信号，这样热释电红外传感器就能产生变化的电信号，热释电红外传感器将透过滤光晶片的红外辐射能量的变化转换成电信号，完成热电转换，系统内固化的软件对所采集的数据进行运算加工，由控制系统内的控制软件通过控制逻辑决定是否发出开灯信号。
3．2 环境亮度传感器
    此传感模块的核心器件是光敏电阻。光敏电阻的光谱响应峰值比较接近人视觉敏感区的波长。并且当明照强度减弱时，它的响应时间相对增加，装置在光照强度变化时，输出状态保持相对稳定。所以在多种光电探测器中选择了光敏电阻，考虑到光敏电阻对温度变化较为敏感，偏置电路中的电阻可以采用与探测元件温度系数相近的光敏电阻，以防止工作点漂移。
3．3 声控传感器
    声控传感器部分由声控传感器、音频放大器、选频电路、延时开启电路和可控硅电路组成，利用声音的相对比较，判断是否启动控制电路的开启，使用调节器可以调节给定声控传感器的初始值，声控传感器不断把外界声音的强度与给定强度比较，超过给定强度时，向主机发送“有声音”信号，否则发送“没有声音”信号。
3．4 智能控制电路
    控制系统采用STC12C5628AD单片机，该单片机为单时钟／机器周期(IT)，高速／低功耗／超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍，内部集成MAX810专用复位电路4路PWM，8路高速10位A／D转换，广泛用于电机控制，强干扰场合。中国照明网技术论文·智能照明选择这个型号的单片机主要考虑到具有PWM和AD转换的作用，使得外围电路得到了大大的简化，同时产生的PWM信号可直接与驱动电路相连，降低了系统的成本。中国照明网技术论文·智能照明系统根据国家标准民用建筑照明设计标准(GBJI33—90)，我们控制室内亮度在200lx左右。本设计设置了3套传感系统和严密的软件控制，其工作方法如下所述。
    首先通过被动热释电红外探测器和环境噪声探测判断是否有人，并探测环境亮度。如果没人，所有LED灯均不开，如果有人，分成两种情况：若需要照明的环境的照度大于200 lx时，LED照明灯具处于关闭状态；若需要照明的环境的照度小于200 lx时，LED灯均处于开启状态；根据声音的大小判断是否需要开启。
3．5 AC LED驱动电路
    AC LED驱动电路，采用以双向可控硅为核心器件的触发电路，由单片机输出信号经D／A转换后，通过运算放大器放大，然后接通双向可控硅电路，由双向可控硅电路接通ACLED照明电路。并根据单片机输出信号的大小，控制可控硅的导通角，由可控硅电路的导通程度来决定AC LED照明灯的开启和关闭及照明亮度的控制。

4 系统软件设计
    程序采用模块化设计思想，以主程序为核心设置功能模块子程序，简化了设计结构。运行过程中通过主程序调用各功能模块子程序，因为灯具控制实时要求不高，循环控制即可满足要求。该系统的软件主要完成以下功能：信号输入模块实现相应传感器信号输入单片机数据通道，在控制系统软件中，分别将红外探测器信号与声控传感器信号经过整流放大数字化后处理成开关的布尔型数据，然后相或，经过整流放大的环境补光，光强度探测系统产生的信号与前两路信号处理后产生的输出进行与运算，由此产生决定灯具开关的开关信号。

5 设计结果的验证
    在设计过程中，先对各单元电路进行实验、测试和调整，然后，对整体电路进行调整和测试，通过对系统的整体测试，电路工作安全稳定，工作可靠。达到了设计要求，实现了智能照明的目的。由于省去了DC LED交直流转换的环节，通过测试系统效率可达93％以上。

6 结束语
    AC LED智能照明系统为人们日常生活照明提供了方便，避免了由于频繁开关导致的电路故障，AC LED照明不像DC LED灯具那样加一个交直流交换器，这样既降低了成本，又提高了系统效能，达到了节能的目的。也避免了LED光源本身没坏，交直流转换器先坏掉的窘境。因此，AC LED照明可广泛用于建筑物室内照明及路灯照明。