基于環(huán)式并行鏈接的多功能智能照明控制系統(tǒng)

姚正武 部紹海 林 濤 李樹偉

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京工程分院，江蘇南京 211135)

1 引言

照明系統(tǒng)的節(jié)能是全球普遍關(guān)注的問題?？茖W(xué)測量發(fā)現(xiàn)，在同樣亮度下，LED的電能消耗約為白熾燈的1/10，理論上壽命 (10萬小時)則是白熾燈 (1千小時)的100倍，實際目前可達到5～6萬小時［1］。由于LED具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小等優(yōu)點，專家們稱其為人類照明史上繼白熾燈和熒光燈之后的又一次飛躍。2007年以來美日等國用LED燈逐漸取代傳統(tǒng)的白熾燈照明，中國國家科技部規(guī)劃的“十城萬盞”計劃和2011年11月國家發(fā)改委提出的淘汰白熾燈線路圖，都說明世界高亮度LED市場規(guī)模正在逐年擴大，當前研發(fā)LED智能照明控制產(chǎn)品既具有時代先進性，又具有很高的實用價值。

現(xiàn)行的公共照明一般采用的是較高能耗的照明，而且燈故障率高、開關(guān)燈控制時間不準且經(jīng)常需要調(diào)、控制器控制功能單一、靈活適用性不強、操作不方便、公攤費率高等不足。在此背景下，通過研發(fā)形成在應(yīng)用功能上具有綜合性、適用領(lǐng)域廣、能規(guī)?；a(chǎn)、產(chǎn)品價格和系統(tǒng)安裝成本低、易于操作、能適應(yīng)非專業(yè)人員來管理照明系統(tǒng)的多功能LED智能照明控制產(chǎn)品，來改造或取代現(xiàn)有的公共區(qū)域照明系統(tǒng)，將具有很重要的現(xiàn)實意義［2］。創(chuàng)新開發(fā)的基于環(huán)式并行鏈接的多功能LED智能照明控制系統(tǒng)就是這樣的一種具有智能節(jié)能功效的照明系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)功能說明

該系統(tǒng)具有模式0～3四種典型的智能照明工作模式。在這四種工作模式下，都能實現(xiàn)根據(jù)環(huán)境照度情況自動開關(guān)燈，在開燈時若遇燈故障，能自動進行聲光報警，顯示故障燈地址號，便于故障檢修。另外在任一模式下，都能通過主控器“關(guān)燈”按鍵關(guān)掉所有LED燈，或通過每一燈控器“關(guān)燈”按鍵關(guān)掉其所控制的LED燈。四種模式都能通過主控器 (如圖1所示)鍵盤自由切換，每個燈控器 (如圖2所示)控制的LED燈或燈單元地址都能自由設(shè)置。每種模式下，都能交替顯示開關(guān)燈時間和實時時間。

圖1 主控器實物圖

圖2 燈控器實物圖

模式0狀態(tài)下，在環(huán)境照度達到開燈要求時，自動接通雙對射傳感器的電源，此時若有移動的物體和人進入該燈照明區(qū)域，則燈自動打開，燈的光效由環(huán)境照度水平?jīng)Q定。此時系統(tǒng)自動統(tǒng)計進出人、物的數(shù)量并判斷開燈或關(guān)燈。比如系統(tǒng)用于馬路或大廈走廊照明時，則模式0照明、傳感器、LED燈和燈具安裝位置如圖3所示。圖3中X-Y平面是馬路或大廈走廊被照射平面，X方向是長度方向，Y方向是寬度方向。LED燈1和LED燈2是在照射平面上沿X方向上安裝的兩只LED燈，兩燈沿X方向燈距為L，距X-Y平面的垂直高度為h(燈距照射面上各點的最短距離)，h比LED燈具圓盤尺寸要大得多，一般為5倍以上，故兩燈可視作點光源［2］。圖中A、C兩點分別是兩個點光源在X-Y平面上的投影，假設(shè)燈具安裝合適，A、C兩點正好落在X-Y平面Y方向中點 (圖中為X-Y平面上虛線A1A2、C1C2中點)上，連接A、C兩點并沿照射面X方向延長，B點是A、C連線的中點，S、S'是AC延長線上的兩點，SA、S'C分別與AB(或BC)相等。合理選擇燈的距高比 (即L/h)，可使 LED燈1(LED燈2)在S(S')、B點照度為在A(C)點照度的1/2，這樣在照射面上可獲得均勻照度［2］。在沿照射面Y方向過S、B、S'三點寬度線 (圖中為X-Y平面上過S、B、S'三點的虛線)兩側(cè)分別安裝各燈的對射傳感器的發(fā)射光和接受光模塊。當有移動的物體或人在S(S')側(cè)向S'(S)方向運動，則LED燈1(LED燈2)燈控器根據(jù)紅外對射傳感器光信號的通斷判斷物體或人的移動方向以及進入或離開SB(S'B)區(qū)域的數(shù)量，從而控制各燈的開關(guān)狀態(tài)。采用這樣的模式照明不僅在燈具和控制兩方面實現(xiàn)節(jié)能智能照明，而且克服了當前的熱釋電傳感器所帶來的不足，另紅外對射傳感器的價格成本也較熱釋電傳感器更有優(yōu)勢。

圖3 傳感器和燈的安裝位置

模式1狀態(tài)下，可以在開燈后根據(jù)不同的時間段來設(shè)置不同的光效照明。時間段可以根據(jù)鍵盤自由調(diào)整設(shè)定。

模式2狀態(tài)下，可以在開燈后根據(jù)環(huán)境照度水平的不同自動調(diào)整不同的光效照明。

模式3狀態(tài)下，可以在自動開燈后保持恒定的照度照明直至自動關(guān)燈。此模式可以用于人防工程、賓館客房走廊、井礦地下等節(jié)能照明。

3 系統(tǒng)并行鏈接安裝方案

主控器和燈控器宜采用集中安裝在電氣柜中，電氣柜可臨近LED照明現(xiàn)場，也可集中在單位值班室或中控室［3］。主控器和燈控器之間應(yīng)用扁平電纜采用環(huán)式并行總線連接，主控器、燈控器通過電氣柜安裝支架和電氣柜體全部接地。具體方案如圖4所示，圖中粗黑線為扁平電纜總線。

圖4 主控器和燈控器安裝示意圖

各燈控器若控制的是一個LED照明燈單元，其各LED燈采用的連接方案視各單位照明工程實情而定。

4 智能照明硬件系統(tǒng)方案

4.1 主控器方案

4.1.1 主控器核心控制器件的選用

選用AT89S51芯片作為主控器核心控制器件，性能優(yōu)越、存儲容量可達4K、價格便宜、性價比高。

4.1.2 主控器AT89S51 I/O口資源分配方案

P1口:P10～P17全部用于4×4鍵盤

P0口:P00～P05六位總線用于燈地址和燈故障控制;P06外接支路滅燈自鎖按鍵;P07用于聲光報警控制。

P2口:P20～P27八位總線用于工作模式、燈狀態(tài)、燈光效控制等。

P3口:P30～P31用于數(shù)碼顯示器;P32用于鍵盤中斷控制;P34～P37用于環(huán)境照度水平信息采集。

系統(tǒng)總線采用環(huán)狀連接，其相對于單總線鏈狀連接優(yōu)勢就在于任何一個燈控器總線接口或燈控器故障都不會影響系統(tǒng)中其它燈的正常工作，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。

4.1.3 P1口4×4鍵盤

P1口與4×4鍵盤電路單元如圖5所示。S0～S16共16位鍵連接如圖5所示。4行分別接電阻R9～R12、+5V電源，并分別引出接單片機P10～P13腳，另作為四輸入與門HD74LS21P的四個輸入端。4列分別接單片機的P14～P17腳，由軟件置0。一旦有鍵按下，則對應(yīng)行線置0，HD74LS21P的8號腳輸出為0，由光耦P621隔離輸入到P32，引起外部中斷0中斷，去執(zhí)行中斷程序。

圖5 P1口與4×4鍵盤電路單元組成

4.1.4 P0口單元

P0口單元電路組成如圖6所示。圖中P00～P05作為總線引出。P06接自鎖按鍵S1，用來控制支路燈滅。P07分別通過R1、R2接PNP型三極管S9012的基極，當P07為0時由Q1、Q2分別驅(qū)動蜂鳴器和紅光LED，發(fā)出聲光報警信號，當不需要聲光報警時，可按鍵解除聲光報警。

圖6 P0口電路

圖7 自然光環(huán)境照度水平單運放原理圖

4.1.5 P2口總線單元

P2口輸出信號通過緩沖器7407驅(qū)動，由兩組光耦T521－4隔離后，作為總線信號輸出。

4.1.6 P3口單元

(1)P3.0～P3.1串口顯示器電路

P3.0～P3.1串行口通過七段數(shù)字液晶屏完成4位時分顯示和2位故障燈地址號顯示，由于采用串口靜態(tài)顯示，節(jié)省了系統(tǒng)資源，提高了系統(tǒng)工作的效率。硬件電路由8位移位寄存器74LS164來配合串口完成顯示。

(2)P3.4～P3.7自然光環(huán)境照度水平鑒別器

采用兩只兩運放集成電路LM393為主要器件構(gòu)成自然光環(huán)境照度水平鑒別。由同相輸入端提供比較電壓，光敏電阻Rm接反相輸入端，隨環(huán)境變化而改變反相端電壓，當環(huán)境照度未達到設(shè)定情況，鑒別器輸出為0，反之為1。圖7是LM393單運放的原理圖。調(diào)節(jié)反相端的電位器可改變照度設(shè)定值，只要就會輸出低電平。

4.1.7 主控器電源

主控器電源采用AC/DC電源模塊，交流220V輸入，DC5V、2A輸出。該模塊具有穩(wěn)壓、短路過載保護功能。

4.2 燈控器方案

4.2.1 燈控器系統(tǒng)方案

燈控器是對每個LED燈或多個LED燈串并聯(lián)形成的一個單元控制。系統(tǒng)采用的核心控制器件是AT89S51。當單片機P1口從總線接受到主控器發(fā)出的燈控信息，則由P20腳的驅(qū)動電路控制LED燈。P20腳經(jīng)非門輸出后接開關(guān)管Q3的基極，由Q3控制和驅(qū)動LED燈。如果從P1口總線接受到的是模式0工作方式，則P21控制繼電器KA接通本燈照度區(qū)域紅外對射傳感器及其放大比較電路的工作電源，來檢測本燈區(qū)域的人、物開關(guān)燈請求信息，電路產(chǎn)生的信息接入P32、P33中斷口，通過中斷來具體判斷接到的P34～P37的傳感信號［4］。

在開燈時若燈故障，則通過燈光鑒別器產(chǎn)生“1”電平信號，送到P22腳，單片機檢測到故障信號，則通過P00～P05總線向主控器發(fā)出故障信息，主控器產(chǎn)生聲光報警，并顯示故障燈地址，燈控器地址則由接在P23～P27的五位自鎖按鍵開關(guān)任意設(shè)定。

開燈時，若想關(guān)燈，則按下P06腳的自鎖按鍵開關(guān)，由P07腳發(fā)出紅色LED關(guān)燈信號。

P00～P05總線腳的信號通過7407信號緩沖驅(qū)動集成電路，由光耦TLP521隔離輸出。

P06腳接關(guān)燈自鎖按鍵開關(guān)S6，P07腳接關(guān)燈時紅色LED指示燈信號驅(qū)動電路。

4.2.2 燈控器電源方案

燈控器交直流兩用。當外接交流220V時采用機內(nèi)輸出 DC12V、4A的開關(guān)電源模塊供電，由W7805和電容等穩(wěn)壓電源電路形成+5V電源供單片機和其它硬件電路使用，電源模塊輸出的DC12V電源另通過功率開關(guān)管Q3控制不同恒流方案的LED燈。采用外接DC8～24V輸入時，由穩(wěn)壓電源電路形成+5V電源供單片機使用，另通過功率開關(guān)管Q3控制不同恒流方案的LED燈。

機內(nèi)自備穩(wěn)壓電源模塊具有穩(wěn)壓、短路過載保護等功能，外接DC電源時具有短路過載保護。

5 軟件系統(tǒng)方案

5.1 主控器軟件系統(tǒng)

主控器軟件系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)如圖8所示，模式0～3四種工作模式下的程序結(jié)構(gòu)限于篇幅從略。技術(shù)難點就是在鍵盤任意切換四種工作模式時各模式運行程序的初始化以及在關(guān)燈時運行程序的初始化。

5.2 燈控器軟件系統(tǒng)

燈控器軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。經(jīng)運行測試，程序運轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠。其技術(shù)難點就在于不同環(huán)節(jié)上的復(fù)位和初始化，要注意到初始化狀態(tài)不要遺漏。在模式0狀態(tài)時，開燈、關(guān)燈請求由中斷口及其中斷程序處理，決定燈的照度水平的PWM波信號由定時器T0、T1定時中斷產(chǎn)生。

6 結(jié)論

本文智能照明系統(tǒng)在投入應(yīng)用后主要技術(shù)貢獻有:

圖8 主控器軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖9 燈控器軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)產(chǎn)品應(yīng)用功能集成化、綜合化，適用面廣，可以規(guī)?；a(chǎn);

(2)產(chǎn)品雙總線環(huán)式連接自成系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)工作的可靠性，且主控器和燈控器易于集中安裝;

(3)紅外對射傳感器智能識別人物進、離燈照區(qū)域，克服熱釋電傳感器方面的一些不足;

(4)能實現(xiàn)實時分時段LED智能照明控制;

(5)能根據(jù)環(huán)境光效不同，提供不同照度的照明，且能根據(jù)環(huán)境亮度情況自動開關(guān)燈;

(6)燈故障報警，直觀顯示，開關(guān)方便，且能自由切換燈單元地址;

(7)鍵盤功能操作簡單，功能切換方便，適用非專業(yè)低層次物業(yè)人員進行照明維護管理。

綜上所述，通過本系統(tǒng)的應(yīng)用，可以實現(xiàn)低能耗、智能化、節(jié)能照明，相信必將成為促進LED照明推廣應(yīng)用且令智能照明行業(yè)關(guān)注的一個行之有效的方案。

［1］孫帥.26瓦LED燈亮度能頂200瓦白熾燈.華商晨報，2011，11，14(A12).

［2］北京照明學(xué)會照明設(shè)計專業(yè)委員會.照明設(shè)計手冊(第二版) ［E］.中國電力出版社:北京，2006，12:102，188.

［3］張波，曹豐文，汪義旺.LED路燈驅(qū)動及智能調(diào)光系統(tǒng)的研究與設(shè)計 ［J］.照明工程學(xué)報，2011，22(4):71～74.

［4］黃歡，韓學(xué)林，章道波.LED在教室照明中的應(yīng)用［J］.照明工程學(xué)報，2011，22(6):69～73.