CN105228312A - 一种led照明的智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED照明的智能控制系统，包括智能控制模块、红外检测模块、环境亮度检测模块、温度检测模块、LED驱动模块、LED调光模块、显示模块以及数据存储模块；所述红外检测模块的空间人数信号传输给智能控制模块；环境亮度检测模块获得光照亮度信号经过A/D转换后传输到智能控制模块；温度检测模块检测到的LED温度信号经过A/D转换后传输到智能控制模块；所述智能控制模块对空间人数信号、光照亮度信号以及LED温度信号进行处理后发出一个控制信号，控制信号经过LED调光模块调整后传输到LED驱动模块。本系统工作稳定、结构简单可靠，采用模块化设计，能够自动检测空间人员和检测环境的光照强度，并且能够根据需要自动调节LED灯亮度。

Description

一种LED照明的智能控制系统

技术领域

本发明涉及一种照明系统，尤其是一种LED照明的智能控制系统。

背景技术

LED被认为是21世纪的照明光源。LED发光器件是冷光源，光效高，工作电压低，而且能耗低，同样亮度下，LED能耗为白炽灯的10％，荧光灯的50％。LED寿命可达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。用LED替代白炽灯或荧光灯，环保无污染。使用安全可靠，便于维护。但是，LED照明系统具有诸多优点的同时，也面临着一些困难，如散热方面、效率方面、驱动系统的寿命等方面的问题，而且为了实现LED照明系统的可控性，例如对于自动调节发光强度，对于基于声音、光照等外界因素进行自动开启和关闭，实现LED照明系统的智能控制，当前已经取得了一些成果，如专利号为201220205530.6名为“一种LED照明智能控制系统”的中国专利申请公开了一种该LED照明智能控制系统包括计算机、主控模块、针对不同LED显示设备的扩展模块及传输发送模块；所述主控模块包括开关控制单元、故障报警单元、分级控制单元及能量审计单元；传输发送模块连接到计算机的USB接口，所述主控模块与传输发送模块保持无线连接，主控模块与扩展模块通过线缆连接，该扩展模块接入LED电源以及LED设备，所述扩展模块包括扩展控制模块及传输扩展控制模块，且一个扩展控制模块或传输扩展控制模块可同时连接多个LED显示设备，一个扩展控制模块或传输控制模块所连接所有LED显示设备的显示方式相同。主要是正对多组LED设备实现分级控制的问题提出的技术方案。又如专利号为201420814043.9名为“一种公共教室LED照明智能控制系统”的中国专利申请主要解决了现有的照明系统照明灯具电能浪费的问题。所属的主机分别与电源、LED日光灯具、显示模块、热释红外传感器、光照检测电路、按键模块连接，具有自动化水平高，节约能源的特点。

现有技术方案都是针对单一的LED照明系统的技术问题，如降低LED照明系统温度提高LED寿命，实现LED照明系统的自动开启关闭节约电源等，缺乏系统地综合的提高LED照明系统的照明质量的技术方案。

发明内容

本发明的目的是，克服现有技术方法的不足，提供一种工作稳定、结构相对简单可靠，采用模块化设计，能够自动检测空间人员和检测环境的光照强度，并且能够根据需要自动调节LED灯亮度的LED照明智能控制系统。

为实现上述发明目的，提出了如下技术方案：

一种LED照明的智能控制系统，包括智能控制模块、红外检测模块、环境亮度检测模块、温度检测模块、LED驱动模块、LED调光模块、显示模块以及数据存储模块；所述红外检测模块检测人体红外射线并统计空间人数，并将获得的空间人数信号传输到智能控制模块；所述环境亮度检测模块对环境的光照亮度进行检测，检测到的光照亮度信号经过A/D转换后传输到智能控制模块；温度检测模块安装在LED灯具内部，用于检测LED温度，所检测到的LED温度信号经过A/D转换后传输到智能控制模块；所述智能控制模块对空间人数信号、光照亮度信号以及LED温度信号进行处理，之后发出一个控制信号，所述控制信号经过LED调光模块调整后传输到LED驱动模块。

所述红外检测模块包括两组分别安装在门内外两侧的红外接收和发射装置，当有人经过门口外侧的红外接收和发射装置时，接收管接收不到发射信号，返回一个低电平，RC₀端口传输给智能控制模块；当有人进入室内时，放置在门口内侧的红外接收和发射装置也会返回一个低电平，并由RC₁端口传送给智能控制模块，此时计数器加1，表示有人进入室内。同样地，当有人先经过门内侧的红外发射和接收装置时，由RC₁端口将信号传送给智能控制模块；当他再经过门口外侧的红外发射和接收装置时，由RC₀端口把信号传送给智能控制模块，计数器就会减1，表示有人离开室内。这样就能够实时统计出室内的人数情况。

所述环境亮度检测模块主要由检测光线强度的光敏检测电路组成，利用光敏电阻的感光特性进行工作，当光线照射到光敏电阻时，光敏电阻的电阻值降低，反向输入端的电压随之降低；当光照微弱或者无光照时，由于光敏电阻的暗电阻值很大，反向输入端电压较高，使得反相器输出的为低电平。

光敏检测电路中，D₁为光敏二极管，当光敏电阻获得一个环境光照强度信号时候，光敏电阻检测到的信号开始是电流信号，经过R₄将电流信号转换为电压信号，然后将光照强度电压信号传输到高速电流反馈运算放大器，所述光照强度电压信号经过放大器放大以后，还是属于模拟信号，不能满足智能控制模块中需要数字信号的要求，因此，将光照强度电压信号传输到一个A/D转换器，之后再传输到智能控制模块。

高亮度的LED工作电流大，光电转换效率不能到达l00％，有一部分的电能是无法转换成光能而转换成了热能，这样，LED温度就会上升。但LED灯不能像白炽灯那样辐射散热，需要通过热传导的方式散热。因此，LED的稳定性容易受自身散热和环境温度的影响。如果LED的工作温度超过它的承载温度，将会使LED发光效率降低，继而产生明显光衰，甚至对LED造成永久性的破坏。单个LED的功率通常只有l～5W，对应的电流约为350mA到1.5A。在很多照明环境中，都必须要使用很多LED串联共同工作才能到达照明的要求。目前，LED约有30％的功率转化成了热量，这些热量如果不能及时散发出去，PN结温度就会升高。LED的PN结外部通常有铝基板，它可以用来散发一部分热量。因此，在智能控制系统中要采用温度检测模块实时监测LED的温度，以免由于LED温度过高而损坏LED灯。

所述温度检测模块可以采用热敏电阻作为温度传感器，获得温度信号之后，经过运算放大器对温度信号进行放大，然后再经过一个A/D转换器，将模拟信号转换为数字信号，之后再传送到智能控制模块。

所述温度检测模块还可以采用一个数字温度传感器，直接获得LED温度的数字信号，传送给智能控制模块。

所述LED驱动模块采用恒流驱动方式，包括电压转换电路、直流稳压电路和LED驱动电路，所述电压转换电路将普通交流电压电压转换成为交流电源低压输出，所述直流稳压电路主要采用全波整流二极管将上述低压交流电压转换为低压直流电源，并且经过全波整流、滤波、稳压后获得波动小的直流电；LED驱动电路主要由一个PWMLED驱动芯片构成，能够通过控制MOS控制LED的电流大小。

所述智能控制模块是单片机或者计算机，单片机或者计算机控制整个LED照明系统，将各种信号数据存储到数据存储模块中；所述显示模块是内置汉字字库和ASCII字符的液晶模块。

当LED温度超过自身的结温时，它的发光效率会降低，继而产生明显光衰，甚至对LED造成永久性的破坏。因此，在LED温度过高时报警，这样可以便于维护；高温警示电路图主要由一个蜂鸣器构成，智能控制模块根据温度检测信号控制蜂鸣器工作。

所述LED调光模块是内置在智能控制模块中的PWM模块，PWM调光是使得智能控制模块输出的信号是具有一定占空比的数字脉冲信号，从而利用脉冲信号来控制LED的驱动器，使驱动器按照PWM设置的频率工作。使用PWM调光方式，在一个周期内LED在部分时间内是停止工作的。假设PWM的占空比为10％，那么在90％的工作周期LED是停止工作的。所以，这种调光方式可以大大减少LED的热量，LED的光衰量也大大减少，LED的使用寿命也会相应的延长。PWM调光方式在设定工作频率时不能低于100Hz，因为它是利用人的视觉暂留原理来实现的，若低于100Hz在视觉上就会有光线闪烁的感觉。但PWM调光模式会给驱动电路带来噪声，因为PWM传统算法中，随着显示时间段的增长，PWM在这个时间段一直处于高电平或者低电平，从而使得整体的灰度就不均匀，从而使得LED产生闪烁感。为了消除这种灰度不均匀的影响，本智能控制系统中采用了平均分割脉冲的PWM算法，它是由16位计数器、16位移寄存器、16位锁存器和PWM产生器组成的。在串移时钟的CKI的作用下，从DAI端口输入的数据进入移位寄存器。一帧数据传输完毕后，在STI的下降沿被送入锁存器中，同时，16位计数器被置位。当STI为上升沿时，锁存器中的数据和计数器中的时钟同时送到PWM产生器进行处理。当STI为低电平时，就会停止当前帧的计数，而开始下一帧的计数。通过设置STI信号，就可以控制PWM输出，从而达到控制LED亮度的目的。

本发明的有益效果：

本发明的LED照明智能控制系统以智能控制模块为核心，人体红外检测模块可以检测是否有人进出室内，并统计室内人数；环境亮度检测模块对环境亮度进行检测，检测到的信号经过A/D转换传给智能控制模块。智能控制模块根据检测到的信号来控制驱动电路，并以PWM的方式调节输出电流的大小，以达到调节LED亮度的目的，将大大节约了能源。安装在灯具内部的温度传感器将检测到的LED温度经过A/D转换，输入到智能控制模块内，智能控制模块对LED的工作参数进行判断后发出控制信号，若检测到LED的温度过高时，控制器就会发出控制信号，降低PWM的占空比，从而减小LED的电流，LED的热量也就随之减少，既达到了保护LED的作用，也提高了LED的使用寿命。

附图说明

图1LED智能控制系统整体结构框图；

图2红外检测电路图；

图3人数统计流程图；

图4光照检测电路图；

图5MCP3204工作流程图；

图6测温模块电路图；

图7电压转换电路图；

图8直流稳压电源电路图；

图9LED电源驱动电路图；

图10高温警示电路图；

图11PWM平均分割调光算法的构架；

图12PWM仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的LED照明智能控制系统作进一步地详尽说明：

如图1所示，一种LED照明的智能控制系统，包括智能控制模块、红外检测模块、环境亮度检测模块、温度检测模块、LED驱动模块、LED调光模块、显示模块以及数据存储模块；所述红外检测模块检测人体红外射线并统计空间人数，并将获得的空间人数信号传输到智能控制模块；所述环境亮度检测模块对环境的光照亮度进行检测，检测到的光照亮度信号经过A/D转换后传输到智能控制模块；温度检测模块安装在LED灯具内部，用于检测LED温度，所检测到的LED温度信号经过A/D转换后传输到智能控制模块；所述智能控制模块对空间人数信号、光照亮度信号以及LED温度信号进行处理，之后发出一个控制信号，所述控制信号经过LED调光模块调整后传输到LED驱动模块。

所述智能控制模块是单片机或者计算机，单片机或者计算机控制整个LED照明系统，将各种信号数据存储到数据存储模块中；所述显示模块是内置汉字字库和ASCII字符的液晶模块。

如图2和图3所示，所述红外检测模块包括反射式红外传感器、两组分别安装在门内外两侧的红外接收和发射装置；当有人经过门口外侧的红外接收和发射装置时，接收管接收不到发射信号，返回一个低电平，RC0端口传输给智能控制模块；当有人进入室内时，放置在门口内侧的红外接收和发射装置也会返回一个低电平，并由RC₁端口传送给智能控制模块，此时计数器加1，表示有人进入室内。同样地，当有人先经过门内侧的红外发射和接收装置时，由RC₁端口将信号传送给智能控制模块；当他再经过门口外侧的红外发射和接收装置时，由RC₀端口把信号传送给智能控制模块，计数器就会减1，表示有人离开室内。这样就能够实时统计出室内的人数情况。

如图4和图5所示，所述环境亮度检测模块主要由检测光线强度的光敏检测电路组成，D₁的光敏二极管,型号为S5052；S5052的工作电压是5V，相应频率为500MHz，它的反向击穿电压为20V，而且功耗很低，在-25℃到85℃环境下都可以正常工作，S5052的光谱相应范围很大,从320nm-1000nm的波长都可以感应。当光敏电阻获得一个环境光照强度信号时候，光敏电阻检测到的信号开始是电流信号，经过R₄将电流信号转换为电压信号，然后将光照强度电压信号传输到高速电流反馈运算放大器AD820，R₁和R₂是反馈电阻器，用于消除并联电容产生的寄生电容，C₄、C₅接到电源端；当带宽超过l00MHz，可以使用片式电阻器和电容器;将光照强度电压信号从引脚3输入高速电流反馈运算放大器AD820，经过放大的信号从引脚6输出。

光敏二极管检测的信号经过放大之后，还需经过A／D转换器才能转换成可被单片机识别的数字信号。本系统的A/D转换器可以选用MCP3204，它是4通道的12位A/D转换器，具有片上采样和保持电路的12位逐次逼近型模数转换器，它使用与SPI协议兼容的简单串行端口与器件通行，它的工作电压范围为2.7～5.5V，给它提供2.7V的电压时，采样速率最高可达50ksps；给它提供5V电压时，采样速率最高约为100ksps；MCP3204采用低功耗CMOS技术，待机时的典型电流为500mA，工作电压为5V时，工作电流最高可达400脚。温度在．40℃到85℃的范围内都可以正常工作。

如图6所示，所述温度检测模块采用一个数字温度传感器，直接获得LED温度的数字信号，传送给智能控制模块。数字温度传感器选用DSl8B20；智能控制模块的P1.3和DSl8B20的引脚DQ连接，作为单一数据线；智能控制模块的工作时钟频率为4MHZ，决定了指令的运行时间，在软件设计中将根据此时间编写各种延时程序；LED温度的测量由挂接在单总线上的DSl8B20完成，智能控制模块控制DS18B20工作并采集其送来的温度信号，R₁为单线DQ的上拉电阻。

所述LED驱动模块采用恒流驱动方式，包括电压转换电路、直流稳压电路和LED驱动电路，所述电压转换电路将普通交流电压电压转换成为交流电源低压输出，所述直流稳压电路主要采用全波整流二极管将上述低压交流电压转换为低压直流电源，并且经过全波整流、滤波、稳压后获得波动小的直流电；LED驱动电路主要由一个PWMLED驱动芯片构成，能够通过控制MOS控制LED的电流大小。

如图7所示，PORT口接220V的交流电源，经过变压器的转化，AC两端的电压值仍为220V，BC两端的电压值为10V。5V直流电源的实现先要经过变压器降低220V的交流电压，将其变为低压交流电，然后通过全波整流二极管将其转化为低压直流电源，使用芯片LM7805将其转化为稳定的直流电源，输出5V直流电压。而一些芯片如AD转化芯片等，其对参考电压的要求比较高，电压波动要尽量的小，因此参考电源使用芯片ADl585，产生波动很小的5V直流电源。LM7805是三端正电源稳压电路，它能够提供大于1.5A的输出电流，允许输入电压的范围也比较大。ADl585是精密带隙基准电源，电源电压变化范围仅为1.0uA/V，宽电源电压范围巧V_in=V_out+200mV，非常适合于AD转化芯片。

如图8所示，P1端口输入的10V的交流电，该输入电压经过全波整流、滤波、稳压后变为直流电。该电压经过稳压电源LM7805和ADl585后，分别输出5V的稳压电源和5V的参考电源。D₁是桥式整流电路，电压不是很高，因此使用电子器件为二极管IN4007；L₁、L₂是用于消除电路中的RF噪声，RF能量是叠加在直流传输电平上的交流正弦波成分；D₂是TVS管（瞬间抑制二极管），用于吸收电网波动中产生的持续时间很短的尖峰脉冲；C₅电容值为1000uF，用于吸收低频的脉冲电压，C₆和C₇用于吸收电路中的不同频率的谐波；U₂是稳压芯片LM7805，能够产生稳定的5V直流电源，C₃、C₄能够消除一定频率的谐波，使得电源更加稳定。

如图9所示，LED驱动电路中选用了HV9910作为LED的驱动芯片；220V的交流电经过整流、滤波后得到直流电压，通过控制MOS管VN2224来控制LED的电流大小。LED驱动电路采用两个电容串联的方式来满足电路设计的需要。电路中采用了两个68uF的电容串联，串联后的电容值是34uF。二极管D₁、D4防止电容因反向电压过高而被击穿，起到了保护电容C₁、C₆；电阻R₁、R₂、R₄、R₅用于均压，延长电路中电容的寿命；D₃是瞬态抑制二极管（TVS），R₃是一个压敏电阻，选用的型号为P6KE440A和431K；D₃瞬态抑制二极管能够迅速地吸收高于440V的浪涌电压，保护HV9910芯片；R₆用于设定HV9910内部振荡器的振荡频率，该频率可以设定在25-300KHz之间，本电路中的HV9910内部振荡器的振荡频率设定为205KHz，R₇是电压采样电阻，当MOS管导通时，通过LED的电路会流经R₅，R₅两端产生一定的电压供HV9910的CD脚检验，从而使HV9910能够输出准确的方波来控制LED的电流；Q₁是MOS管，HV9910控制MOS管通断来改变LED电流的大小。D₅防反接，用于保护LED及其MOS管、HV9910等元器件。C₇用于吸收LED通断后产生的电压纹波，使输出的电压尽量的平稳。电感L₃利用其存储能量的特性在MOS管通断时保持电流的连续性。

当LED温度超过自身的结温时，它的发光效率会降低，继而产生明显光衰，甚至对LED造成永久性的破坏。因此，在LED温度过高时报警，这样可以便于维护；如图10所示，高温警示电路图主要由一个蜂鸣器构成，智能控制模块根据温度检测信号控制蜂鸣器工作。

所述LED调光模块是内置在智能控制模块中的PWM模块，PWM调光是使得智能控制模块输出的信号是具有一定占空比的数字脉冲信号，从而利用脉冲信号来控制LED的驱动器，使驱动器按照PWM设置的频率工作。使用PWM调光方式，在一个周期内LED在部分时间内是停止工作的。假设PWM的占空比为10％，那么在90％的工作周期LED是停止工作的。所以，这种调光方式可以大大减少LED的热量，LED的光衰量也大大减少，LED的使用寿命也会相应的延长。PWM调光方式在设定工作频率时不能低于100Hz，因为它是利用人的视觉暂留原理来实现的，若低于100Hz在视觉上就会有光线闪烁的感觉。但PWM调光模式会给驱动电路带来噪声，因为PWM传统算法中，随着显示时间段的增长，PWM在这个时间段一直处于高电平或者低电平，从而使得整体的灰度就不均匀，从而使得LED产生闪烁感。为了消除这种灰度不均匀的影响，本智能控制系统中采用了平均分割脉冲的PWM算法，如图11所示，它是由16位计数器、16位移寄存器、16位锁存器和PWM产生器组成的。在串移时钟的CKI的作用下，从DAI端口输入的数据进入移位寄存器。一帧数据传输完毕后，在STI的下降沿被送入锁存器中，同时，16位计数器被置位。当STI为上升沿时，锁存器中的数据和计数器中的时钟同时送到PWM产生器进行处理。当STI为低电平时，就会停止当前帧的计数，而开始下一帧的计数。通过设置STI信号，就可以控制PWM输出，从而达到控制LED亮度的目的。

根据平均分割脉冲的PWM算法，数据被分为MSB和LSB两个部分，输出

的PWM波形是两个部分的叠加，如图12所示，(b)和(c)是(a)中虚线所圈放大后的波形，16位锁存器的灰度数据为S₁₆S₁₅…S₂S_l=0111100001111000，MSB数据的导通时间被均匀分成16份，LSB中只有S₄=1，仿真结果在S₄的8个位置处有导通而其他位置没有。将MSB和LSB的灰度数据进行叠加，就得到了PWM波形。

Claims (10)

1.一种LED照明的智能控制系统，包括智能控制模块、红外检测模块、环境亮度检测模块、温度检测模块、LED驱动模块、LED调光模块、显示模块以及数据存储模块；所述红外检测模块检测人体红外射线并统计空间人数，并将获得的空间人数信号传输到智能控制模块；所述环境亮度检测模块对环境的光照亮度进行检测，检测到的光照亮度信号经过A/D转换后传输到智能控制模块；温度检测模块安装在LED灯具内部，用于检测LED温度，所检测到的LED温度信号经过A/D转换后传输到智能控制模块；所述智能控制模块对空间人数信号、光照亮度信号以及LED温度信号进行处理，之后发出一个控制信号，所述控制信号经过LED调光模块调整后传输到LED驱动模块。

2.根据权利要求1所述的LED照明的智能控制系统，其特征在于，所述红外检测模块包括反射式红外传感器、两组分别安装在门内外两侧的红外接收和发射装置，当有人经过门口外侧的红外接收和发射装置时，接收管接收不到发射信号，返回一个低电平，RC₀端口传输给智能控制模块；当有人进入室内时，放置在门口内侧的红外接收和发射装置也会返回一个低电平，并由RC₁端口传送给智能控制模块，此时计数器加1，表示有人进入室内；同样地，当有人先经过门内侧的红外发射和接收装置时，由RC₁端口将信号传送给智能控制模块；当他再经过门口外侧的红外发射和接收装置时，由RC₀端口把信号传送给智能控制模块，计数器就会减1，表示有人离开室内；这样就能够实时统计出室内的人数情况。

3.根据权利要求1所述的LED照明的智能控制系统，其特征在于，所述环境亮度检测模块包括检测光线强度的光敏检测电路，光敏检测电路中D₁为光敏二极管，当光敏电阻获得一个环境光照强度信号时，光敏电阻检测到的信号开始是电流信号，经过R₄将电流信号转换为电压信号，然后将光照强度电压信号传输到高速电流反馈运算放大器，所述光照强度电压信号经过放大器放大后，将光照强度电压信号传输到一个A/D转换器，之后再传输到智能控制模块。

4.根据权利要求1所述的LED照明的智能控制系统，其特征在于，所述温度检测模块采用热敏电阻作为温度传感器，获得温度信号之后，经过运算放大器对温度信号进行放大，然后再经过一个A/D转换器，将模拟信号转换为数字信号，之后再传送到智能控制模块。

5.根据权利要求1所述的LED照明的智能控制系统，其特征在于，所述温度检测模块采用一个数字温度传感器，直接获得LED温度的数字信号，传送给智能控制模块。

6.根据权利要求1所述的LED照明的智能控制系统，其特征在于，所述LED驱动模块采用恒流驱动方式，包括电压转换电路、直流稳压电路和LED驱动电路，所述电压转换电路将普通交流电压电压转换成为交流电源低压输出，所述直流稳压电路主要采用全波整流二极管将上述低压交流电压转换为低压直流电源，并且经过全波整流、滤波、稳压后获得波动小的直流电；LED驱动电路主要由一个PWMLED驱动芯片构成，能够通过控制MOS控制LED的电流大小。

7.根据权利要求1所述的LED照明的智能控制系统，其特征在于，所述智能控制模块是单片机或者计算机，单片机或者计算机控制整个LED照明系统，将各种信号数据存储到数据存储模块中；所述显示模块是内置汉字字库和ASCII字符的液晶模块。

8.根据权利要求1所述的LED照明的智能控制系统，其特征在于，所述LED调光模块是内置在智能控制模块中的PWM模块，从而利用脉冲信号来控制LED的驱动器，使驱动器按照PWM设置的频率工作。

9.根据权利要求8所述的LED照明的智能控制系统，其特征在于，LED调光模块中采用了平均分割脉冲的PWM算法，所述平均分割脉冲的PWM算法是实现电路是由16位计数器、16位移寄存器、16位锁存器和PWM产生器组成的；在串移时钟的CKI的作用下，从DAI端口输入的数据进入移位寄存器；一帧数据传输完毕后，在STI的下降沿被送入锁存器中，同时，16位计数器被置位；当STI为上升沿时，锁存器中的数据和计数器中的时钟同时送到PWM产生器进行处理；当STI为低电平时，就会停止当前帧的计数，而开始下一帧的计数；通过设置STI信号，控制PWM输出，从而达到控制LED亮度的目的。

10.根据权利要求1-9任一项所述的LED照明的智能控制系统，其特征在于，所述的LED照明的智能控制系统还包括高温警示电路；高温警示电路由一个蜂鸣器构成，智能控制模块根据温度检测信号控制蜂鸣器工作。