基于环式并行链接的多功能智能照明控制系统

姚正武 部绍海 林 涛 李树伟

(江苏联合职业技术学院南京工程分院，江苏南京 211135)

1 引言

照明系统的节能是全球普遍关注的问题。科学测量发现，在同样亮度下，LED的电能消耗约为白炽灯的1/10，理论上寿命 (10万小时)则是白炽灯 (1千小时)的100倍，实际目前可达到5～6万小时［1］。由于LED具有节能、环保、寿命长、体积小等优点，专家们称其为人类照明史上继白炽灯和荧光灯之后的又一次飞跃。2007年以来美日等国用LED灯逐渐取代传统的白炽灯照明，中国国家科技部规划的“十城万盏”计划和2011年11月国家发改委提出的淘汰白炽灯线路图，都说明世界高亮度LED市场规模正在逐年扩大，当前研发LED智能照明控制产品既具有时代先进性，又具有很高的实用价值。

现行的公共照明一般采用的是较高能耗的照明，而且灯故障率高、开关灯控制时间不准且经常需要调、控制器控制功能单一、灵活适用性不强、操作不方便、公摊费率高等不足。在此背景下，通过研发形成在应用功能上具有综合性、适用领域广、能规模化生产、产品价格和系统安装成本低、易于操作、能适应非专业人员来管理照明系统的多功能LED智能照明控制产品，来改造或取代现有的公共区域照明系统，将具有很重要的现实意义［2］。创新开发的基于环式并行链接的多功能LED智能照明控制系统就是这样的一种具有智能节能功效的照明系统。

2 系统功能说明

该系统具有模式0～3四种典型的智能照明工作模式。在这四种工作模式下，都能实现根据环境照度情况自动开关灯，在开灯时若遇灯故障，能自动进行声光报警，显示故障灯地址号，便于故障检修。另外在任一模式下，都能通过主控器“关灯”按键关掉所有LED灯，或通过每一灯控器“关灯”按键关掉其所控制的LED灯。四种模式都能通过主控器 (如图1所示)键盘自由切换，每个灯控器 (如图2所示)控制的LED灯或灯单元地址都能自由设置。每种模式下，都能交替显示开关灯时间和实时时间。

图1 主控器实物图

图2 灯控器实物图

模式0状态下，在环境照度达到开灯要求时，自动接通双对射传感器的电源，此时若有移动的物体和人进入该灯照明区域，则灯自动打开，灯的光效由环境照度水平决定。此时系统自动统计进出人、物的数量并判断开灯或关灯。比如系统用于马路或大厦走廊照明时，则模式0照明、传感器、LED灯和灯具安装位置如图3所示。图3中X-Y平面是马路或大厦走廊被照射平面，X方向是长度方向，Y方向是宽度方向。LED灯1和LED灯2是在照射平面上沿X方向上安装的两只LED灯，两灯沿X方向灯距为L，距X-Y平面的垂直高度为h(灯距照射面上各点的最短距离)，h比LED灯具圆盘尺寸要大得多，一般为5倍以上，故两灯可视作点光源［2］。图中A、C两点分别是两个点光源在X-Y平面上的投影，假设灯具安装合适，A、C两点正好落在X-Y平面Y方向中点 (图中为X-Y平面上虚线A1A2、C1C2中点)上，连接A、C两点并沿照射面X方向延长，B点是A、C连线的中点，S、S'是AC延长线上的两点，SA、S'C分别与AB(或BC)相等。合理选择灯的距高比 (即L/h)，可使 LED灯1(LED灯2)在S(S')、B点照度为在A(C)点照度的1/2，这样在照射面上可获得均匀照度［2］。在沿照射面Y方向过S、B、S'三点宽度线 (图中为X-Y平面上过S、B、S'三点的虚线)两侧分别安装各灯的对射传感器的发射光和接受光模块。当有移动的物体或人在S(S')侧向S'(S)方向运动，则LED灯1(LED灯2)灯控器根据红外对射传感器光信号的通断判断物体或人的移动方向以及进入或离开SB(S'B)区域的数量，从而控制各灯的开关状态。采用这样的模式照明不仅在灯具和控制两方面实现节能智能照明，而且克服了当前的热释电传感器所带来的不足，另红外对射传感器的价格成本也较热释电传感器更有优势。

图3 传感器和灯的安装位置

模式1状态下，可以在开灯后根据不同的时间段来设置不同的光效照明。时间段可以根据键盘自由调整设定。

模式2状态下，可以在开灯后根据环境照度水平的不同自动调整不同的光效照明。

模式3状态下，可以在自动开灯后保持恒定的照度照明直至自动关灯。此模式可以用于人防工程、宾馆客房走廊、井矿地下等节能照明。

3 系统并行链接安装方案

主控器和灯控器宜采用集中安装在电气柜中，电气柜可临近LED照明现场，也可集中在单位值班室或中控室［3］。主控器和灯控器之间应用扁平电缆采用环式并行总线连接，主控器、灯控器通过电气柜安装支架和电气柜体全部接地。具体方案如图4所示，图中粗黑线为扁平电缆总线。

图4 主控器和灯控器安装示意图

各灯控器若控制的是一个LED照明灯单元，其各LED灯采用的连接方案视各单位照明工程实情而定。

4 智能照明硬件系统方案

4.1 主控器方案

4.1.1 主控器核心控制器件的选用

选用AT89S51芯片作为主控器核心控制器件，性能优越、存储容量可达4K、价格便宜、性价比高。

4.1.2 主控器AT89S51 I/O口资源分配方案

P1口:P10～P17全部用于4×4键盘

P0口:P00～P05六位总线用于灯地址和灯故障控制;P06外接支路灭灯自锁按键;P07用于声光报警控制。

P2口:P20～P27八位总线用于工作模式、灯状态、灯光效控制等。

P3口:P30～P31用于数码显示器;P32用于键盘中断控制;P34～P37用于环境照度水平信息采集。

系统总线采用环状连接，其相对于单总线链状连接优势就在于任何一个灯控器总线接口或灯控器故障都不会影响系统中其它灯的正常工作，提高了系统工作的可靠性。

4.1.3 P1口4×4键盘

P1口与4×4键盘电路单元如图5所示。S0～S16共16位键连接如图5所示。4行分别接电阻R9～R12、+5V电源，并分别引出接单片机P10～P13脚，另作为四输入与门HD74LS21P的四个输入端。4列分别接单片机的P14～P17脚，由软件置0。一旦有键按下，则对应行线置0，HD74LS21P的8号脚输出为0，由光耦P621隔离输入到P32，引起外部中断0中断，去执行中断程序。

图5 P1口与4×4键盘电路单元组成

4.1.4 P0口单元

P0口单元电路组成如图6所示。图中P00～P05作为总线引出。P06接自锁按键S1，用来控制支路灯灭。P07分别通过R1、R2接PNP型三极管S9012的基极，当P07为0时由Q1、Q2分别驱动蜂鸣器和红光LED，发出声光报警信号，当不需要声光报警时，可按键解除声光报警。

图6 P0口电路

图7 自然光环境照度水平单运放原理图

4.1.5 P2口总线单元

P2口输出信号通过缓冲器7407驱动，由两组光耦T521－4隔离后，作为总线信号输出。

4.1.6 P3口单元

(1)P3.0～P3.1串口显示器电路

P3.0～P3.1串行口通过七段数字液晶屏完成4位时分显示和2位故障灯地址号显示，由于采用串口静态显示，节省了系统资源，提高了系统工作的效率。硬件电路由8位移位寄存器74LS164来配合串口完成显示。

(2)P3.4～P3.7自然光环境照度水平鉴别器

采用两只两运放集成电路LM393为主要器件构成自然光环境照度水平鉴别。由同相输入端提供比较电压，光敏电阻Rm接反相输入端，随环境变化而改变反相端电压，当环境照度未达到设定情况，鉴别器输出为0，反之为1。图7是LM393单运放的原理图。调节反相端的电位器可改变照度设定值，只要就会输出低电平。

4.1.7 主控器电源

主控器电源采用AC/DC电源模块，交流220V输入，DC5V、2A输出。该模块具有稳压、短路过载保护功能。

4.2 灯控器方案

4.2.1 灯控器系统方案

灯控器是对每个LED灯或多个LED灯串并联形成的一个单元控制。系统采用的核心控制器件是AT89S51。当单片机P1口从总线接受到主控器发出的灯控信息，则由P20脚的驱动电路控制LED灯。P20脚经非门输出后接开关管Q3的基极，由Q3控制和驱动LED灯。如果从P1口总线接受到的是模式0工作方式，则P21控制继电器KA接通本灯照度区域红外对射传感器及其放大比较电路的工作电源，来检测本灯区域的人、物开关灯请求信息，电路产生的信息接入P32、P33中断口，通过中断来具体判断接到的P34～P37的传感信号［4］。

在开灯时若灯故障，则通过灯光鉴别器产生“1”电平信号，送到P22脚，单片机检测到故障信号，则通过P00～P05总线向主控器发出故障信息，主控器产生声光报警，并显示故障灯地址，灯控器地址则由接在P23～P27的五位自锁按键开关任意设定。

开灯时，若想关灯，则按下P06脚的自锁按键开关，由P07脚发出红色LED关灯信号。

P00～P05总线脚的信号通过7407信号缓冲驱动集成电路，由光耦TLP521隔离输出。

P06脚接关灯自锁按键开关S6，P07脚接关灯时红色LED指示灯信号驱动电路。

4.2.2 灯控器电源方案

灯控器交直流两用。当外接交流220V时采用机内输出 DC12V、4A的开关电源模块供电，由W7805和电容等稳压电源电路形成+5V电源供单片机和其它硬件电路使用，电源模块输出的DC12V电源另通过功率开关管Q3控制不同恒流方案的LED灯。采用外接DC8～24V输入时，由稳压电源电路形成+5V电源供单片机使用，另通过功率开关管Q3控制不同恒流方案的LED灯。

机内自备稳压电源模块具有稳压、短路过载保护等功能，外接DC电源时具有短路过载保护。

5 软件系统方案

5.1 主控器软件系统

主控器软件系统的程序结构如图8所示，模式0～3四种工作模式下的程序结构限于篇幅从略。技术难点就是在键盘任意切换四种工作模式时各模式运行程序的初始化以及在关灯时运行程序的初始化。

5.2 灯控器软件系统

灯控器软件系统结构图如图9所示。经运行测试，程序运转稳定可靠。其技术难点就在于不同环节上的复位和初始化，要注意到初始化状态不要遗漏。在模式0状态时，开灯、关灯请求由中断口及其中断程序处理，决定灯的照度水平的PWM波信号由定时器T0、T1定时中断产生。

6 结论

本文智能照明系统在投入应用后主要技术贡献有:

图8 主控器软件系统结构图

图9 灯控器软件系统结构图

(1)产品应用功能集成化、综合化，适用面广，可以规模化生产;

(2)产品双总线环式连接自成系统，提高了系统工作的可靠性，且主控器和灯控器易于集中安装;

(3)红外对射传感器智能识别人物进、离灯照区域，克服热释电传感器方面的一些不足;

(4)能实现实时分时段LED智能照明控制;

(5)能根据环境光效不同，提供不同照度的照明，且能根据环境亮度情况自动开关灯;

(6)灯故障报警，直观显示，开关方便，且能自由切换灯单元地址;

(7)键盘功能操作简单，功能切换方便，适用非专业低层次物业人员进行照明维护管理。

综上所述，通过本系统的应用，可以实现低能耗、智能化、节能照明，相信必将成为促进LED照明推广应用且令智能照明行业关注的一个行之有效的方案。

［1］孙帅.26瓦LED灯亮度能顶200瓦白炽灯.华商晨报，2011，11，14(A12).

［2］北京照明学会照明设计专业委员会.照明设计手册(第二版) ［E］.中国电力出版社:北京，2006，12:102，188.

［3］张波，曹丰文，汪义旺.LED路灯驱动及智能调光系统的研究与设计 ［J］.照明工程学报，2011，22(4):71～74.

［4］黄欢，韩学林，章道波.LED在教室照明中的应用［J］.照明工程学报，2011，22(6):69～73.