汪 洋,張家龍,張震宇

(浙江科技學(xué)院 自動化與電氣工程學(xué)院,杭州 310023)

一種微波感應(yīng)LED照明控制系統(tǒng)的設(shè)計

汪 洋,張家龍,張震宇

(浙江科技學(xué)院 自動化與電氣工程學(xué)院,杭州 310023)

針對當(dāng)前LED照明控制靈活性不足的現(xiàn)狀,設(shè)計了一種基于微波感應(yīng)的LED照明控制系統(tǒng),其感應(yīng)距離等工作參數(shù)可根據(jù)實際使用需要通過無線遠程設(shè)置。介紹該系統(tǒng)的整體硬件構(gòu)成及其工作原理,系統(tǒng)由設(shè)置端、LED照明控制器及LED照明燈具等構(gòu)成,設(shè)置端和LED照明控制器之間利用無線通信完成參數(shù)設(shè)置。給出并分析主要的功能電路,包括電源電路、微波傳感器、LED驅(qū)動控制電路、無線射頻模塊及單片機等;闡述控制軟件的設(shè)計要點和思路，并且通過實驗驗證了系統(tǒng)的有效性。

LED照明控制;微波感應(yīng);單片機;無線射頻

LED具有節(jié)能、環(huán)保和長壽命等優(yōu)點,近年來在照明領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用[1-2]。設(shè)計LED照明控制系統(tǒng)時加入人體感應(yīng)傳感器,能檢測出是否有人靠近,從而使LED的照明控制更為靈活,更好地滿足實際使用之需。當(dāng)前,在LED照明控制系統(tǒng)中應(yīng)用較多的人體傳感器主要是熱釋電傳感器和微波傳感器[3-5]。對于熱釋電傳感器,由于其工作原理是基于環(huán)境與人體的溫差而輸出信號[6],因此,當(dāng)LED環(huán)境溫度和人體溫度接近時,傳感器探測靈敏度明顯下降,甚至出現(xiàn)短時失靈,技術(shù)缺陷明顯。微波傳感器通過發(fā)射微波信號并接收反射信號,能有效地探知是否有人靠近[7],不受溫度影響,因而較好地解決了熱釋電傳感器所存在的問題。但是，當(dāng)前絕大部分微波感應(yīng)LED照明控制系統(tǒng)存在以下缺點:一是傳感器的輸出信號為數(shù)字式。當(dāng)有人進入感應(yīng)范圍時,傳感器輸出“1”,無人時則輸出“0”,這意味著不能在實際使用過程中根據(jù)需要調(diào)節(jié)感應(yīng)距離,實用性不足。二是傳感器的輸出信號為模擬式,感應(yīng)距離等工作參數(shù)不能人為設(shè)置。由于工作參數(shù)不能設(shè)置,若用戶想根據(jù)實際使用需要改變感應(yīng)距離、LED點亮維持時間等工作參數(shù)時,這種方式的便利性不足的問題則凸顯。

為解決上述問題,提升LED照明控制系統(tǒng)的實用性和靈活性,筆者研究設(shè)計了一種基于微波感應(yīng)的LED照明控制系統(tǒng)。應(yīng)用該系統(tǒng),LED照明的感應(yīng)距離等工作參數(shù)可通過設(shè)置端進行無線設(shè)置。相比于同類產(chǎn)品,其功能上得到了一定的提升,實用性也得到了增強。

1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成及工作原理

系統(tǒng)包括設(shè)置端、LED照明控制器及LED照明燈具3部分,系統(tǒng)的整體硬件構(gòu)成如圖1所示。其中,設(shè)置端由1臺計算機和1個無線射頻模塊A構(gòu)成,該模塊型號為APC220,通過1個USB轉(zhuǎn)串口電路,連接到計算機的USB接口。APC220為高度集成的收發(fā)一體式無線射頻模塊[8],其工作電壓為5 V,工作頻段范圍為418～455 MHz,當(dāng)波特率設(shè)置為9 600 b/s時,在空曠地的可靠傳輸距離可達近1 000 m。與此相對應(yīng),LED照明控制器也包括一個型號為APC220的無線射頻模塊B,它與LED照明控制器內(nèi)的主控單片機通過串口連接,模塊A與B配置身份數(shù)據(jù)為一一對應(yīng)。用戶操作計算機軟件界面(可直接使用“串口助手”軟件),通過無線射頻方式向LED照明控制器發(fā)出工作參數(shù)的設(shè)置命令,LED照明控制器收到命令并經(jīng)校驗、核對后,即把待設(shè)置的數(shù)據(jù)寫入單片機內(nèi)部的EEPROM,做到掉電不丟失,然后反饋設(shè)置成功信息給設(shè)置端,計算機軟件收到此反饋后,表明設(shè)置成功。否則,重新設(shè)置。若設(shè)置成功,接下來LED照明燈具即按前述設(shè)置開始工作,當(dāng)人進入微波傳感器的感應(yīng)范圍時,LED燈具按無級調(diào)光方式逐步點亮,并根據(jù)設(shè)置值保持一定的時間后熄滅,以實現(xiàn)節(jié)能。

圖1 系統(tǒng)整體硬件構(gòu)成示意圖Fig.1 The schematic diagram of the overall hardware composition for the system

2 LED照明控制器硬件設(shè)計

圖2 LED照明控制器硬件構(gòu)成示意圖Fig.2 The schematic diagram of the hardware composition for the LED lighting controller

LED照明控制器在硬件上由電源電路、微波傳感器、LED驅(qū)動控制電路、無線射頻模塊B及單片機等構(gòu)成,如圖2所示。其中,LED照明燈具連接到LED驅(qū)動控制電路的輸出端。

電源電路將220 V交流市電轉(zhuǎn)換成微波傳感器、無線射頻模塊B及單片機等所需的電壓等級,并提供合適的輸出功率。單片機作為該控制器的中央處理單元,具有2種工作模式:一是設(shè)置模式，單片機通過實時監(jiān)聽串口,根據(jù)無線通信協(xié)議讀取并存儲無線射頻模塊B接收到的工作參數(shù)設(shè)置命令數(shù)據(jù),將這些數(shù)據(jù)寫入單片機內(nèi)部的EEPROM,當(dāng)設(shè)置完畢后,LED照明控制器即從下一次循環(huán)開始按照新設(shè)置的工作參數(shù)正常工作;二是正常模式，當(dāng)有人靠近時,隨著人的移動,微波傳感器將輸出變化的模擬電壓,單片機通過內(nèi)部的ADC,在設(shè)定的采樣周期內(nèi)連續(xù)、多次讀取微波傳感器輸出的模擬電壓值,根據(jù)軟件設(shè)定的判斷條件輸出控制信號給LED驅(qū)動控制電路,使LED照明燈具達到無級調(diào)光、點亮及熄滅等多種控制效果。

2.1 電源電路

圖3 電源電路圖Fig.3 The schematic circuit of power supply

由于控制器要求小體積,該系統(tǒng)選用了HLK-PM01作為電源電路核心,據(jù)此設(shè)計的電源電路如圖3所示。HLK-PM01是一種高度集成的超薄型、超小型AC-DC轉(zhuǎn)換模塊[9],支持的交流電壓輸入范圍為90～264 V,輸出電壓為5 V，功率為3 W,還具有低紋波、低噪聲等優(yōu)點,性價比較高,符合本系統(tǒng)使用的需求。為進一步確保安全性和輸出電壓的穩(wěn)定性[10-12],在市電輸入端設(shè)計了熔斷器F1及壓敏電阻7D471K,在輸出端設(shè)計了濾波電容C1。

2.2 微波傳感器電路

微波傳感器的工作原理基于多普勒效應(yīng),該系統(tǒng)使用的微波工作頻率為10.525 GHz,微波傳感器發(fā)射出小功率微波信號,并接收人體反射回來的信號。當(dāng)人體在信號范圍內(nèi)發(fā)生輕微移動時,其反射的微波頻率將產(chǎn)生改變,從而在輸出端產(chǎn)生變化的模擬電壓[13-14]。設(shè)計的微波傳感器電路如圖4所示,微波發(fā)生器P7的輸出信號OUT經(jīng)2級LM358運放電路的放大后,得到模擬電壓信號IF,將IF送入單片機的ADC0通道進行AD轉(zhuǎn)換,即可判斷出是否有人靠近。

圖4 微波傳感器電路圖Fig.4 The schematic circuit of microwave sensor

2.3 LED驅(qū)動控制電路

該系統(tǒng)所用的LED照明燈具規(guī)格為48 V/80 W,選用了臺灣明緯實業(yè)集團有限公司出品的HLG-80H-48作為燈具的配套驅(qū)動器[15]。該驅(qū)動器的輸出電壓為48 V，額定輸出功率為81.6 W,內(nèi)部設(shè)計有調(diào)光電路,并提供了外部調(diào)光接口,該驅(qū)動器的工作原理如圖5所示。

據(jù)此設(shè)計了如圖6所示的LED驅(qū)動控制電路,單片機的I/O腳RELAY輸出控制信號到PC817光耦,然后通過三極管Q1驅(qū)動繼電器線圈,令繼電器觸點K1動作,使得220 V市電火線220～L與Driver_In_L(圖6中的Driver_In_L與圖5中的L連接)接通或斷開。由于單片機上電復(fù)位時RELAY輸出高電平,因此使用了繼電器的常開觸點來通、斷電路,這樣可確保上電時LED燈具為熄滅狀態(tài)。

圖5 LED驅(qū)動器工作原理示意圖Fig.5 The working principle diagram of LED driver

圖6 LED驅(qū)動控制電路圖Fig.6 The schematic circuit of LED drive and control

在驅(qū)動器接通市電火線的情況下,按照驅(qū)動器規(guī)格書的說明,在DIM+、DIM-之間接入一個51 kΩ的電阻R4,由單片機的硬件PWM腳DIM輸出一個頻率為1 kHz的PWM信號,占空比可調(diào),經(jīng)PC817光耦隔離后,這樣DIM+、DIM-之間可生成一個調(diào)光信號,從而實現(xiàn)LED燈具調(diào)光,占空比越大,LED燈具亮度越高,當(dāng)占空比達100%(即DIM腳恒為高)時,DIM+、DIM-之間開路,亮度達到最高(即100%亮度)。

圖7 單片機原理圖Fig.7 The schematic diagram of MCU

2.4 單片機

該系統(tǒng)使用STC15W402AS單片機作為主控中心,單片機內(nèi)置豐富的功能資源[16],以適合本系統(tǒng)使用的需要。單片機電路如圖7所示,該系統(tǒng)除了用P1.3引腳作為繼電器驅(qū)動控制腳外,還使用了單片機的CMP0引腳作為調(diào)光控制腳,此引腳可通過程序配置直接輸出PWM信號,使用方便;使用了1路內(nèi)部高速10位A/D轉(zhuǎn)換器,圖中IF為微波傳感器輸出的模擬電壓信號,將其接入單片機的ADC0通道進行轉(zhuǎn)換;使用了1個UART串口連接APC220模塊,其中EN、AUX、SET等為APC220模塊的相關(guān)配置引腳,單片機和APC220模塊的串口通信格式為(9600,N,8,1)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)在使用之前,先通過APC220專用配置軟件設(shè)置模塊A、B的相關(guān)參數(shù),主要包括串口通信波特率、無線傳輸速率及身份數(shù)據(jù)等,將模塊A與B設(shè)置為一一對應(yīng)。

LED照明控制器單片機軟件采用C51語言進行設(shè)計,在Keil開發(fā)環(huán)境中進行調(diào)試,LED照明控制器具有2種工作模式,即設(shè)置模式和正常模式。程序可分為串口中斷服務(wù)程序和主程序兩部分。

3.1 串口中斷服務(wù)程序

設(shè)置模式由串口中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)。若串口讀取到來自設(shè)置端的數(shù)據(jù),即進入串口中斷服務(wù)程序,首先判斷該數(shù)據(jù)是否為啟動設(shè)置命令,若是,則令LED燈具熄滅;同時回復(fù)應(yīng)答數(shù)據(jù)給設(shè)置端,然后等待設(shè)置端發(fā)送工作參數(shù)設(shè)置命令數(shù)據(jù)過來,接收并保存,寫入單片機內(nèi)部指定的EEPROM地址單元,并再次回復(fù)應(yīng)答數(shù)據(jù)給設(shè)置端。接下來等待設(shè)置端發(fā)送結(jié)束設(shè)置命令過來,收到后中斷程序返回,退出設(shè)置模式。下次再設(shè)置時,軟件將重寫相應(yīng)的EEPROM地址單元,實現(xiàn)設(shè)置值的刷新。

根據(jù)上述設(shè)置過程,該系統(tǒng)規(guī)定設(shè)置端和LED照明控制器之間的無線通信協(xié)議見表1。

表1 通信協(xié)議表Table 1 The table of communication protocol

表1中的參數(shù)Dist、Time的類型均為unsigned char,Dist的范圍為0x28～0x80,數(shù)值越大,表示感應(yīng)距離越近;Time范圍為0x3c～0xb4,數(shù)值越大,表示維持時間越長,若令Time等于0xff,則表示將LED燈具設(shè)為常亮。

根據(jù)上述通信協(xié)議,設(shè)置模式時的程序流程如圖8所示。

圖8 串口中斷服務(wù)程序流程圖Fig.8 The flowchart of UART ISR

3.2 主程序

正常模式由主程序?qū)崿F(xiàn)。主程序在完成必要的初始化(主要包括令LED燈具為熄滅狀態(tài),以及串口、AD轉(zhuǎn)換格式及PWM頻率等的初始配置)工作后,進入總循環(huán)。首先在1 s內(nèi)完成200次AD采樣轉(zhuǎn)換,篩選出此200個轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)的最大值Dmax、最小值Dmin,并計算出兩者的差值ΔD,將ΔD與設(shè)置過程中收到、已存于EEPROM指定單元的觸發(fā)門檻值Dset(即設(shè)置時的Dist值)進行比較,若ΔD>Dset,則開始無級調(diào)光,否則不響應(yīng)。在無級調(diào)光過程中,在5 s內(nèi)將PWM信號的占空比ρ從1%調(diào)節(jié)到100%,每次調(diào)節(jié)增量為1%。調(diào)光完成后LED燈具達到100%亮度,然后令LED燈具按設(shè)置過程中收到且已存于EEPROM指定內(nèi)的維持時間值保持點亮狀態(tài),維持時間到后,LED燈具熄滅,主程序流程如圖9所示。

有必要說明的是,在主程序循環(huán)執(zhí)行的過程中,不管當(dāng)前運行到哪一步,一旦串口收到啟動設(shè)置命令,主程序即保護現(xiàn)場,開始執(zhí)行串口中斷服務(wù)程序(即進入設(shè)置模式),直至設(shè)置過程成功結(jié)束,然后恢復(fù)現(xiàn)場,接著往下執(zhí)行,待下一次循環(huán)開始后,按新設(shè)置的參數(shù)正常工作。

4 實驗測試與結(jié)論

表2 感應(yīng)距離實驗測試結(jié)果

Table 2 The table of test results of induction distance

Dist設(shè)置值實測感應(yīng)距離(近似值)0x800～3m0x7a4m0x6b5m0x556m0x497m0x3c8m0x28>8m

在實驗室對該系統(tǒng)進行了全面的測試,設(shè)置過程簡單、方便,無線通信準(zhǔn)確、可靠,實驗中均設(shè)置1次即成功。設(shè)置的Time值與秒表對照結(jié)果一致,當(dāng)設(shè)置為0x3c時,LED點亮維持時間為60 s,其余類推。

當(dāng)微波傳感器與人之間的距離在一個較小的范圍內(nèi)時,其ΔD值始終保持為一個較為穩(wěn)定的飽和值(在0x84～0x88之間),當(dāng)把Dist值設(shè)為0x80時,感應(yīng)距離經(jīng)實測近似在0～3 m內(nèi)。逐漸減小Dist值,感應(yīng)距離則相應(yīng)地變遠,但由于ΔD值并不隨距離而作線性變化,因此,設(shè)置的Dist值與感應(yīng)距離之間的關(guān)系也非線性。關(guān)于感應(yīng)距離的具體實驗結(jié)果見表2,需指出的是,由于微波信號固有的傳播特點,表2中測得的距離均為近似值。

當(dāng)微波傳感器與人之間距離在8 m及以下時,只要人體作出輕微移動,系統(tǒng)即可快速地響應(yīng),且無誤觸發(fā)現(xiàn)象出現(xiàn)。但當(dāng)距離超出8 m后,誤觸發(fā)現(xiàn)象開始偶有出現(xiàn),分析其原因,可能是由于環(huán)境因素造成微波傳感器的輸出電壓波動,從而使得控制器作出反應(yīng)。要解決此問題,后期需進一步開展數(shù)據(jù)處理方面的研究,設(shè)計合理的濾波算法,以更好地滿足實際使用的需要。

5 結(jié) 語

本研究以微波傳感器為基礎(chǔ),使用電子電路、LED驅(qū)動器及單片機等設(shè)計了LED照明控制器,并采用無線射頻通信的方式來設(shè)置相關(guān)工作參數(shù),成功實現(xiàn)了一套完整的LED照明控制系統(tǒng)。實驗整體上達到了預(yù)期的效果,相比于傳統(tǒng)的用撥位開關(guān)設(shè)置的方式,有著更強的靈活性和實用性,比如當(dāng)LED照明控制器安裝在高處等不便人們達到的地方時,該系統(tǒng)的便捷性優(yōu)勢明顯。

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Design of a LED lighting control system based on microwave induction

WANG Yang, ZHANG Jialong, ZHANG Zhenyu
(School of Automation and Electrical Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, Zhejiang, China)

In response to the situation that most of the current LED lighting control systems lack flexibilities, a LED lighting control system based on microwave induction is designed, with its working parameters including the induction distance remotely set by wireless communication as actually needed. Firstly,the article briefly introduces the hardware constitution and the working principle of the system, which is composed of a setting device, a LED lighting controller and a LED lamp, with the setting process accomplished through wireless communication between the setting device and the LED lighting controller.Secondly,the article presents and analyzes the main functional circuits, which consist of power supply circuit, microwave induction sensor, LED drive and control circuit, RF module and MCU. Then, the article elaborates on key design elements of control software.Finally,implementation of relevant experiments gives rise to a conclusion that the system is effective.

LED lighting control; microwave induction; MCU; radio frequency

10.3969/j.issn.1671-8798.2017.01.004

2016-12-23

張震宇(1976— ),男,浙江省蘭溪人,副教授,碩士,碩士生導(dǎo)師,主要從事測量與控制、無線通信、物聯(lián)網(wǎng)等方面的研究和應(yīng)用工作。E-mail:zhangzhenyu@zust.edu.cn。

TP273.5;TM923.34

A

1671-8798(2017)01-0017-07