感控式LED灯箱广告牌的设计*

□ 王 喆 □ 佀 昊 □ 王一鸣

武汉理工大学 机电工程学院 武汉 430070

LED灯箱广告牌是近年来迅速发展起来的一种新型广告牌，它应用独特的导光板技术，使用LED作为光源，凭借着厚度尺寸小、同样功率条件下亮度高、发光面光线均匀等优点，迅速占领了小型广告牌市场。但是由于此类产品缺乏一个合理的行业标准，导致LED灯箱广告牌经大量推广之后凸显出许多问题。近年来，国内外学者在LED广告牌领域做了很多研究，但是主要集中在广告牌的结构稳定性设计及广告牌的视觉效果设计上［1］［2］，鲜见于节能环保方面的研究。 所以 LED灯箱广告牌的电能浪费问题一直未能得到有效解决。经调查发现，目前市面上LED灯箱广告牌主要存在以下不足：①开启、关闭时间固定，不能随着四季的交替而变化；②亮度值恒定，无法自动调节，较暗环境下会出现光污染［3］；③深夜人少时仍持续发光，浪费了大量的电能。

为此，笔者从缩短工作时间和调节发光亮度两个方面入手，构思设计了一种感控式LED灯箱广告牌。有资料［4］显示，台湾某公司曾在2011年推出过一款基于计算机MPC-21W3的智能LCD电子广告牌节能系统，使用Intel®AtomTMN270处理器自动调节面板的LCD背光亮度，达到不错的节能省电的功效。不过由于成本等原因，此节能系统在LED灯箱广告牌中并不适用。本设计采用单片机89C52作为系统控制核心，光线传感器、热释电红外传感器为主要感应器件，通过对时间设定、环境光强检测和人流量检测的综合应用，达到了提高用电效率、节约电能、减少光污染的效果。另外，用户可根据需求自由选择各功能模块的使用，扩大了作品的适用范围。同时，本设计附带的人流量统计功能，可以获取不同时段客流信息，从而为商家制定科学的营销策略提供参考依据，实现经济与环境“双赢”的目标。

1 功能模式设计

1.1 室外功能模式设计

本设计作为室外功能模式，基本工作过程见表1。

表1 室外功能模式表

（1）自适应调光功能。一般情况下屏幕的亮度大于环境亮度60%就会引起眼部不适［5］，故设定本设计亮度始终比环境光亮度高30%，亮度调节下限为30 lx，上限为 200 lx。

（2）人体感应功能。广告牌在7 m（可调）范围内检测到人体，以30 lx（勒克斯）初始亮度开启并在3 s内逐渐达到适宜亮度；人离开此范围之后，经过30 s的延时，广告牌在3 s内逐渐熄灭。

（3）人流量统计功能。单片机记录热释电传感器的触发时间，通过内部算法转化为人流量数据；以串口通信的方式将数据传输至上位机中，经过软件分析实现各时段人流量的柱状图显示。

1.2 室内功能模式设计

用户可以根据不同需要通过按键选择功能或调节阈值，从而适合室内不同环境下的使用。例如，应用在楼道、电梯等场所时，主要用到人体感应功能；应用在商场、展区等场所时，主要用到自适应调光功能。下面以楼道为例来介绍室内功能模式，基本工作过程见表2。

表2 室内功能模式表

2 控制系统硬件电路设计

系统硬件电路主要由89C52单片机最小系统、按键和显示模块构成，其硬件电路总框图如图1所示。89C52单片机接收光线传感电路模块和人体感应电路模块的输入信号，经内部时钟及中断处理，向LED驱动及PWM调光模块输出控制信号。同时，单片机持续检测键盘的输入信号，判断用户的功能选择及阈值设置。此外，单片机记录热释电传感器的触发时间，通过内部算法转化为人流量数据，并以串口通信的方式与计算机接口相连，实现数据的传送。

图1 总体框图设计

2.1 光线感应模块

该模块主要由光敏电阻、运算放大电路和A/D芯片TLC549构成。当环境光亮度增强时，光敏电阻Rp的阻值减小，通过运算放大电路处理，使得out端输出电压减小；同理，当环境光亮度减弱时，out端输出电压增大。A/D芯片TLC549接收运算放大电路输出的模拟电压信号，经内部运算输出数字电压信号给单片机。仿真电路图如图2所示。

图2 光线感应模块仿真电路图

2.2 人体感应模块

该模块主要由菲涅尔透镜、热释电传感器RE200B和TX0001芯片构成，热释电传感器内分布有若干压电晶体元件，在每个元件的上下两个表面添加电极。当有人进入传感器监测范围时，因人体温度与环境温度有ΔT的差别，使两电极之间产生微弱的电压差ΔV，经过TX0001芯片放大，输出高电平给单片机。在此过程中，菲涅尔透镜起到了增大感应距离和提高感应精度的作用。仿真电路图如图3所示。

图3 人体感应模块硬件仿真电路图

2.3 LED驱动及PWM调光模块

该模块主要由运算放大器和差分输出电路［7］构成，通过给Input端输入可变占空比的PWM信号，改变输出电流有效值的大小，进而控制LED的发光亮度。具体过程如下：当PWM处于低电平时，input小于VT_L，使能EN变高，此时VT选通VT_H，输出截止电流给LED；当PWM处于高电平时，Input大于VT_H，使能EN转换，此时VT选通VT_L，输出导通电流给LED，并实现一定的电压迟滞。本模块通过PWM信号的变化控制内部功率管的开关，达到控制输出电流的目的。仿真电路图如图4所示。

图4 LED驱动及PWM调光模块仿真电路图

3 软件设计

本系统的软件采用C语言编写。系统的主程序运行流程如图5所示。

图5 主程序流程图

4 试验分析

目前市面上普遍采用40W的节能灯管或12W的LED作为小型灯箱广告牌的灯源，两者的使用效果近似相同，但耗电量差别较大。感控式LED灯箱广告牌采用12W的LED作为灯源，并在此基础上实现广告牌的二次节能。通过实物测试表明，感控式LED灯箱广告牌能很好地完成预设模式下的各项功能。另外，以每天工作12 h计算，用功率计量插座测得节能灯灯箱广告牌、普通LED灯箱广告牌、感控式LED灯箱广告牌的日耗电量分别为 0.480 kW·h、0.213 kW·h、0.096 kW·h，由此可见感控式LED灯箱广告牌相比节能灯灯箱广告牌节电80%，相比普通LED灯箱广告牌节电55%，节能效果显著。

5 结论

本设计主要有以下4个特点：

（1）按环境光亮度的百分比确定LED亮度，有效地减少了光污染。

（2）综合考虑环境光强、人流量等因素，功能设计更为人性化。

（3）各功能模块可随用户需求自由选择，扩大了作品适用范围。

（4）增加显示各时段人流量信息的功能，使产品更具商业价值。

在日常生活中，感控式LED灯箱广告牌的适用范围非常广泛，如街道两旁的商业广告，公共场所设置的公益广告，室内装饰灯箱，各类路线指示牌、操作指南牌等。在实现低碳环保、绿色节能的同时，本设计的自适应调光，人来渐亮、人走渐暗等功能均可提升广告效果，增加广告牌的吸引力；人流量统计功能可帮助商家制定出科学的营销策略，增强了广告牌的商业推广价值。

［1］ 冯振宇.风荷载作用下高速公路广告牌的力学分析［J］.建筑科学与工程学报，2009（12）：100-107.

［2］ 迟静.户外广告视觉设计研究［D］.哈尔滨：东北林业大学，2010.

［3］ 肖解乾，郝允样.光污染的危害、动向与防治方略［J］.照明技术，2003（1）：1-7.

［4］ Cromer C J.Test Results of Energy Saving and Humidity Control Devices ［J］.Energy Engineering，2011，100 （ 3）：15-28.

［5］ 董春波.户外LED显示屏参数智能控制模块的研究与设计［D］.西安：西安电子科技大学，2010.

［6］ 居大鹏.LED驱动器的调光技术 ［J］.电子产品世界，2010（11）：22-25.

［7］ 余德芳.新型的半导体光源-白光LED［J］.世界产品与技术，2003（3）：46-48.

［8］ 吕强，刘金龙.浅析一种LED调光方式［J］.照明工程学报，2010，21（1）.