基于傳感器技術(shù)的智能LED照明燈具設(shè)計

　　LED照明燈具與傳統(tǒng)的照明燈具最大的區(qū)別，LED照明燈具是一個完全的電子產(chǎn)品，而傳統(tǒng)的照明燈具僅是一個電器產(chǎn)品。因此LED燈具可以很方便地與各種類型的傳感器關(guān)聯(lián)，從而實現(xiàn)光控、紅外控制等多種自動控制功能。如LED路燈的自動開關(guān)，用一個光敏傳感器就可簡單實現(xiàn);社區(qū)夜間走道和庭院照明，可以用紅外傳感器采集人類活動信息，自動開閉照明燈具。

　　LED照明燈具開關(guān)自動控制

　　傳感器作為信號采集和機電轉(zhuǎn)換的器件，其機電技術(shù)已相當(dāng)成熟，近幾年MEMS(微機電系統(tǒng))技術(shù)興起又將傳感器技術(shù)向小型化、智能化、多功能化、低成本化大踏步邁進。光敏傳感器、紅外傳感器等各種類型的傳感器都可與LED照明燈具組成一個智能控制系統(tǒng)，傳感器將采集來的各種物理量信號轉(zhuǎn)換成電信號，可以經(jīng)由集成電路化的AD(模數(shù))轉(zhuǎn)換器、MCU(微控制器)、DA(數(shù)模)轉(zhuǎn)換器對所采集的信號進行智能化處理，從而控制LED照明燈具開啟和關(guān)閉。人類可以籍此在MCU上設(shè)定各種控制要求，控制LED燈的開關(guān)時間、亮度、顯色、多彩變幻，從而達(dá)到省電節(jié)能的目標(biāo)。傳感器與LED燈具組成的系統(tǒng)框圖如圖1所示。目前的集成電路制造技術(shù)已經(jīng)可以將AD、DA、MCU集成在一個5mm×5mm或更小的封裝內(nèi)，安裝在燈具內(nèi)既不占面積而且十分方便。

　　光敏傳感器與LED燈具組合

　　風(fēng)光電LED路燈是一種高度智能化和無人值守的道路照明燈具，利用風(fēng)力、陽光發(fā)電，用蓄電池儲能，因此能源的自動管理十分重要。光敏傳感器是比較理想的因天亮、天暗(日出、日落)時照度變化而能控制電路自動開關(guān)的電子傳感器。圖2所示是一種光敏傳感器的外貌。圖3是光敏傳感器的光敏電阻板，它對光線的明暗亮度十分敏感。圖4是光電轉(zhuǎn)換的基本原理圖。光控LED燈具照明系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

　　光敏傳感器可根據(jù)天氣、時間段和地區(qū)自動控制商場LED照明燈具開閉。在明亮的白天通過減少其輸出功率來降低耗電量，與使用熒光燈時相比，店鋪面積為200m2的便利店最大可降低53%的耗電量。壽命也長達(dá)約5~10萬小時。一般情況下，LED照明燈具的壽命為4萬小時左右;發(fā)光的顏色也可采用RGB(紅綠藍(lán))多彩變幻的方式，使商場燈光更多彩，氣氛更活躍;與配套使用黃色熒光體的原藍(lán)色LED相比，配套使用紅、綠、藍(lán)三色熒光體的紫色LED的演色性更高。

　　紅外傳感器與LED燈具組合

　　紅外傳感器是靠探測人體發(fā)射的紅外線而工作的。主要原理是：人體發(fā)射的10μm左右的紅外線通過菲涅爾濾光透鏡增強后聚集到熱釋電元件PIR(被動式紅外)探測器上，當(dāng)人活動時，紅外輻射的發(fā)射位置就會發(fā)生變化，該元件就會失去電荷平衡，發(fā)生熱釋電效應(yīng)向外釋放電荷，紅外傳感器將透過菲涅爾濾光透鏡的紅外輻射能量的變化轉(zhuǎn)換成電信號，即熱電轉(zhuǎn)換。在被動紅外探測器的探測區(qū)內(nèi)無人體移動時，紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的只是背景溫度，當(dāng)人體進人探測區(qū)，通過菲涅爾透鏡，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的是人體溫度與背景溫度的差異，信號被采集后與系統(tǒng)中已存在的探測數(shù)據(jù)進行比較以判斷是否真的有人等紅外線源進入探測區(qū)域。

　　被動式紅外傳感器有三個關(guān)鍵性的元件：菲涅爾濾光透鏡，熱釋電紅外傳感器和匹配低噪放大器。菲涅爾透鏡有兩個作用：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號折射在PIR上：二是將探測區(qū)內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入探測區(qū)的移動物體/人能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化的熱釋紅外信號。一般還會匹配低噪放大器，當(dāng)探測器上的環(huán)境溫度上升，尤其是接近人體正常體溫(37℃)時，傳感器的靈敏度下降，經(jīng)由它對增益進行補償，增加其靈敏度。輸出信號可用來驅(qū)動電子開關(guān)，實現(xiàn)LED照明電路的開關(guān)控制。圖5是紅外傳感器外貌，圖6 是紅外傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與內(nèi)部電路圖。圖7 是帶紅外傳感器的LED照明燈具，這是一款E27標(biāo)準(zhǔn)螺口燈頭的燈具，其電源適用范圍是AC180V-250V (50/60Hz)， 紅外傳感器檢測范圍大約在3m～15m，其標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品 IFS-Bulb 3W燈具達(dá)80 lm ，5W燈具達(dá)140 lm。在LED光源模塊的中央部分嵌入紅外線傳感器。一旦紅外傳感器檢測到人的體溫，LED電燈泡將會在50s內(nèi)自動開啟與關(guān)閉。適用于任何一種室內(nèi)應(yīng)用，如走廊、儲藏室、樓梯和大廳入口處。

　　與紅外傳感器應(yīng)用相仿的超聲波傳感器近年在自動探測移動物體中得到更多的應(yīng)用。超聲波傳感器主要利用多普勒原理，通過晶振向外發(fā)射超過人體能感知的高頻超聲波，一般典型的選用25～40kHz波，然后控制模塊檢測反射回來波的頻率，如果區(qū)域內(nèi)有物體運動，反射波頻率就會有輕微的波動，即多普勒效應(yīng)，以此來判斷照明區(qū)域的物體移動，從而達(dá)到控制開關(guān)的目的。圖8是超聲波傳感器和微處理器組合的應(yīng)用方案。

　　超聲波的縱向振蕩特性，可以在氣體、液體及固體中傳播，且其傳播速度不同;它還有折射和反射現(xiàn)象，在空氣中傳播頻率較低、衰減較快，而在固體、液體中則衰減較小、傳播較遠(yuǎn)。超聲波傳感器正是利用超聲波的這些特性。超聲波傳感器有敏感范圍大，無視覺盲區(qū)，不受障礙物干擾等特點，這項技術(shù)已經(jīng)在商業(yè)和安全領(lǐng)域被使用25年多了，已經(jīng)被證明是檢測小物體運動最有效的方法。因此與LED燈具組成系統(tǒng)可靈敏控制開關(guān)。

　　由于超聲波傳感器靈敏度高，空氣振動、通風(fēng)采暖制冷系統(tǒng)及周圍鄰近空間的運動都會引起超聲波傳感器產(chǎn)生誤觸發(fā)，所以超聲波傳感器需要及時校準(zhǔn)。

　　溫度傳感器做LED燈具的過溫保護

　　溫度傳感器NTC(負(fù)溫度系數(shù))做LED燈具的過溫保護被比較早的廣泛應(yīng)用。LED燈具如采用大功率LED光源，就必須采用多翼的鋁散熱器，由于室內(nèi)照明用的LED燈具本身空間很小，散熱問題到目前還是最大的技術(shù)瓶頸之一。LED燈具散熱不爽的話，會導(dǎo)致LED光源因過熱而早期光衰。LED燈具開啟后熱量還會因熱空氣自動上升而向燈頭富集，影響電源的壽命(圖9)。因此在設(shè)計LED燈具時，可以在鋁散熱器靠近LED光源方緊貼一個NTC，以便實時采集燈具的溫度，當(dāng)燈杯鋁散熱器溫度升高時可利用此電路自動降低恒流源輸出電流，使燈具降溫;當(dāng)燈杯鋁散熱器溫度升高到限用設(shè)定值時自動關(guān)斷LED電源，實現(xiàn)燈具過溫保護，當(dāng)溫度降低后，自動再將燈開啟(圖10)。

　　結(jié)語

　　正因為LED燈具是一個完整的電子產(chǎn)品，隨著LED燈具結(jié)構(gòu)多樣化、應(yīng)用擴大化，隨著LED照明燈具設(shè)計的更多的創(chuàng)意、創(chuàng)新，將有更多的傳感器被結(jié)合應(yīng)用在LED照明和亮化工程的系統(tǒng)中去。一個智能化的LED照明新時代正在到來，人類的照明生活將越來越亮堂和舒適。