一種基于非成像光學(xué)的校園LED節(jié)能路燈設(shè)計(jì)

周韜 劉晉 楊朋 張順如

【摘 要】本文利用非成像光學(xué)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一種新型的基于LED光源的均勻照明系統(tǒng)。并采用STC89C52RC單片機(jī)為主控芯片，設(shè)計(jì)出了既有時(shí)間控制又可以依據(jù)自然光輻射、人體紅外光輻射的雙重控制的LED路燈。

【關(guān)鍵詞】LED；光學(xué)設(shè)計(jì)；控制電路

中圖分類號(hào)： TM923.34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：2095-2457（2018）05-0181-004

【Abstract】In this paper，a new uniform lighting system based on LED light source is designed by. non-imaging optical design method.The STC89C52RC single chip microcomputer is used as the main control chip，a LED street lamp controlled by time， natural light radiation and infrared radiation of human body was designed.

【Key words】LED； Optical design；Control circuit

0 前言

校園路燈控制系統(tǒng)已在我國(guó)廣泛應(yīng)用，而傳統(tǒng)的校園路燈控制為“人工控制”、“時(shí)控”或“光控”等單一的控制方式[1]。單一控制的方式會(huì)造成一定的能源浪費(fèi)。因此，本次設(shè)計(jì)根據(jù)校園路燈使用的實(shí)際情況，采用照明時(shí)間上的控制、及光電傳感器對(duì)人體紅外光的感應(yīng)，設(shè)計(jì)出一種具有高節(jié)能且能夠?qū)崿F(xiàn)高品質(zhì)照明的時(shí)控及光控的雙重控制模式的校園智能LED節(jié)能路燈。

1 基于非成像光學(xué)的LED均勻照明的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用于LED路燈照明中，這兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)分別為均勻的矩形光斑和圓形光斑。設(shè)計(jì)采用的主要思路是：首先從單個(gè)LED光源出發(fā)，分析單個(gè)LED光源的位置排列及傾角的大??；然后就單個(gè)LED光源進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)（矩形、圓形光斑）；最后將設(shè)計(jì)好的單個(gè)LED模型導(dǎo)入整個(gè)照明系統(tǒng)中進(jìn)行模擬驗(yàn)證。從光分布來(lái)看，LED二次光學(xué)設(shè)計(jì)（非成像光學(xué)）首先要進(jìn)行的是出光角度重新設(shè)計(jì)，其次是光強(qiáng)分布應(yīng)做到均勻[2]。

具體要求如下：（1）均勻度：不超過(guò)10%，即最大光通量和最小光通量之差要小于10%；（2）光能利用率：在保證均勻度的前提下不得低于60%，越高越好。

1.1 單個(gè)LED非成像矩形均勻光斑照明的光學(xué)系統(tǒng)仿真模擬及效果分析

將設(shè)計(jì)好的透鏡3D模型導(dǎo)入光學(xué)仿真軟件中，設(shè)計(jì)符合條件的光源，這一光源必須與所用的光源特性吻合。在軟件中設(shè)定符合條件（光束角、光源幾何大?。┑膯蝹€(gè)光源，將透鏡置于單個(gè)LED光源前，設(shè)定透鏡的折射率及尺寸，模擬追跡的光線數(shù)為200000條，模擬過(guò)程如下圖1所示。圖1是矩形均勻光斑單個(gè)透鏡的光線追跡圖。

模擬結(jié)果如下，下圖2是矩形均勻光斑單個(gè)透鏡的模擬照度分布圖，由圖可知，LED光源在經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的單個(gè)透鏡后能夠得到一個(gè)均勻的矩形光斑，設(shè)計(jì)結(jié)果符合均勻性要求。下圖3是矩形均勻光斑單個(gè)透鏡的模擬剖面分布圖，可以較準(zhǔn)確地評(píng)估矩形光斑區(qū)域的尺寸，設(shè)計(jì)結(jié)果符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。下圖給出了接收面照度在X和Y方向的分布，可知兩個(gè)方向均可達(dá)到75%以上的均勻度。

1.2 單個(gè)LED非成像圓形均勻光斑照明的光學(xué)系統(tǒng)仿真模擬及效果分析

將設(shè)計(jì)好的透鏡3D模型導(dǎo)入光學(xué)仿真軟件中，設(shè)計(jì)符合條件的光源，這一光源必須與所用的光源特性吻合。在軟件中設(shè)定符合條件（光束角、光源幾何大小）的單個(gè)光源，將透鏡置于單個(gè)LED光源前，設(shè)定透鏡的折射率及尺寸，模擬追跡的光線數(shù)為200000條，模擬過(guò)程如下圖4所示。圖4是矩形均勻光斑單個(gè)透鏡的光線追跡圖。

模擬結(jié)果如下，下圖5是圓形均勻光斑單個(gè)透鏡的模擬照度分布圖，由圖可知，LED光源在經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的單個(gè)透鏡后能夠得到一個(gè)均勻的圓形光斑，設(shè)計(jì)結(jié)果符合均勻性要求。下圖6是圓形均勻光斑單個(gè)透鏡的模擬剖面分布圖，可以較準(zhǔn)確地評(píng)估圓形光斑區(qū)域的尺寸，設(shè)計(jì)結(jié)果符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。下圖給出了接收面照度在X和Y方向的分布，可知兩個(gè)方向均可達(dá)到75%以上的均勻度。

1.3 光學(xué)系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

根據(jù)上述仿真結(jié)果分析，被照面照度基本呈矩形或圓形分布，照度均勻分布。其照度均勻度均達(dá)到了75%以上，使得LED路燈獲得了較高的光能利用率、照度均勻性和更優(yōu)化的設(shè)計(jì)空間。另外被照面的照度分布不是嚴(yán)格的矩形或圓形分布，這個(gè)誤差主要是光學(xué)系統(tǒng)的初始模型設(shè)置和多參數(shù)優(yōu)化過(guò)程中引入的。所以該自由曲面透鏡符合光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2 基于非成像光學(xué)的校園LED節(jié)能路燈的硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)將采用單片機(jī)作為主控芯片，外界信息采集采用熱釋電紅外傳感器、硅光電池等光電傳感器，并用ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采用時(shí)鐘芯片來(lái)提供時(shí)間參考。要實(shí)現(xiàn)的功能如下：

（1）具備光控時(shí)控等功能；

（2）無(wú)論白天黑夜，只要外界光強(qiáng)暗到一定的程度路燈就立即工作；

（3）外界光強(qiáng)由明到暗或由暗到明時(shí)，路燈光強(qiáng)隨著外界光強(qiáng)的變化由弱到強(qiáng)或由強(qiáng)到弱；

（4）晚上8點(diǎn)到12點(diǎn)正常工作，午夜12點(diǎn)到凌晨5點(diǎn)熄滅；

（5）在午夜12點(diǎn)到凌晨5點(diǎn)路燈熄滅時(shí)，當(dāng)有人路過(guò)時(shí)路燈工作，當(dāng)無(wú)人路過(guò)時(shí)路燈保持熄滅。

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總方案如下圖7所示：

本設(shè)計(jì)采用ADC0809的查詢方式進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。電路圖如下圖8所示：

如上圖9所示，采用同相輸入比例運(yùn)算電路放大硅光電池所輸出的電壓，放大倍數(shù)計(jì)算公式為：

在本設(shè)計(jì)中R12的值為38KΩ，R11的值為2KΩ所以根據(jù)上面的公式可得該電路放大倍數(shù)為20倍。將放大后的輸出電壓接到ADC0809的IN0引腳上進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。

本設(shè)計(jì)中采用HT7533穩(wěn)壓器將5V電壓降到3.3V為EG4002和熱釋電紅外傳感器供電，EG4002紅外熱釋電處理芯片的應(yīng)用電路圖如下圖10所示。

當(dāng)外界光強(qiáng)減弱時(shí)，光敏電阻的阻值增大，從而導(dǎo)致第一個(gè)三極管的基極電壓增大。當(dāng)外界光強(qiáng)降到某個(gè)特定值時(shí)，光敏電阻的阻值也增大到某個(gè)特定值使基極電壓達(dá)到開啟電壓，從而使三極管導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)繼電器工作。此時(shí)，電路總開關(guān)開啟。同理，當(dāng)外界光強(qiáng)增強(qiáng)時(shí)，由于光敏電阻的阻值降低導(dǎo)致基極電壓低于開啟電壓三極管不導(dǎo)通，從而使繼電器不工作電路總開關(guān)斷開。電路如圖11所示：

LED控制電路如下圖12所示：

DS1302的應(yīng)用電路如下圖13所示：

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主函數(shù)的設(shè)計(jì)

主函數(shù)內(nèi)主要包括系統(tǒng)初始化，ADC采樣以及各功能函數(shù)的引用。首先是配置內(nèi)部定時(shí)器T0和TI裝載高八位和低八位并打開中斷，再引用時(shí)鐘芯片DS1302的初始化函數(shù)，然后開啟ADC0809通道0的AD轉(zhuǎn)換采樣硅光電池電壓，再讀取時(shí)鐘芯片里面的時(shí)間，根據(jù)AD值和時(shí)間計(jì)算出LED的亮度。計(jì)算完成后開啟ADC0809通道1的AD轉(zhuǎn)換開始采樣熱釋電的電壓，同樣讀取時(shí)間數(shù)據(jù)，然后根據(jù)時(shí)間數(shù)據(jù)和AD值判斷LED燈是否打開。在完成后又回到第一次AD轉(zhuǎn)換開始第二次循環(huán)。主函數(shù)設(shè)計(jì)流程圖如下圖14所示。

3.2 DS1302時(shí)鐘函數(shù)的設(shè)計(jì)

本模塊主要分為讀寫兩個(gè)子模塊，寫入DS1302初始時(shí)間值，讀出實(shí)時(shí)時(shí)間值。先對(duì)DS1302的RST和SCLK引腳置0，然后對(duì)RST置1啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸。在延時(shí)2us后將SCLK置0，用for循環(huán)寫入8個(gè)二進(jìn)制位數(shù)據(jù)寫入寫命令字，延時(shí)2us后再次拉低SCLK用for循環(huán)寫入時(shí)間值的8個(gè)二進(jìn)制位數(shù)據(jù)，等待數(shù)據(jù)寫入完成后將SCLK和RST分別置1置0禁止數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)寫入命令字的不同對(duì)寄存器的不同位進(jìn)行操作。時(shí)鐘寫函數(shù)流程圖如上圖15所示，時(shí)鐘讀函數(shù)流程圖如下圖16所示。

3.3 AD轉(zhuǎn)換函數(shù)的設(shè)計(jì)

本函數(shù)主要是用于開啟ADC轉(zhuǎn)換并讀取ADC的數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)ADC0809的A、B和C引腳置位選通8路模擬輸入中的一路，然后對(duì)ST引腳置0后再置1最后置0開啟ADC的轉(zhuǎn)換，接著用while循環(huán)語(yǔ)句等待轉(zhuǎn)換的完成，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后將OE引腳置高電平打開數(shù)據(jù)輸出的允許位，最后單片機(jī)通過(guò)讀取P3口的狀態(tài)來(lái)獲取ADC的數(shù)據(jù)。ADC轉(zhuǎn)換函數(shù)設(shè)計(jì)流程圖如上圖17所示。

4 結(jié)論

首先根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)仿真結(jié)果分析，可知本次設(shè)計(jì)的兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)都實(shí)現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)及要求。它們的照度均勻度都達(dá)到了75%以上，符合預(yù)期設(shè)計(jì)的照度均勻度要求，完成了目標(biāo)平面與光源在合適距離下目標(biāo)平面上照度的均勻分布。其次，此設(shè)計(jì)將實(shí)現(xiàn)在傍晚或黎明時(shí)依據(jù)自然光的明暗來(lái)控制路燈相應(yīng)的亮度；午夜12點(diǎn)至凌晨5點(diǎn)路燈熄滅，午夜至黎明的時(shí)間段內(nèi)若有人經(jīng)過(guò)則自動(dòng)短時(shí)間亮起路燈以進(jìn)行照明的功能。

【參考文獻(xiàn)】

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