一 绪论与系统原理
1、研究背景及智能照明的发展现状
(1)研究背景：
①能源危机日益加剧，节能成为世界性课题。照明用电持续增加，已超过全国总用电量的1/8。②舒适健康的照明环境首要因素是稳定合适的照度，目前我国有超过六成的学生患有近视，近视患病人数世界排名第一，这点与不合适的照明环境有密切的联系。③智能照明的引入，能够同时解决以上的两大问题。满足现代社会的需要。
(2)什么是智能照明
①何谓“智能”——指人的智慧和行动能力。从感觉到记忆到思维这一过程，称为“智慧”，智慧的结果就产生了行为和语言，将行为和语言的表达过程称为“能力”，两者合称“智能”。②何谓“智能照明”——像一个聪明的仆人一样，能够根据当时当地的环境状况，为主人提供周到恰当的照明服务。③“智能照明系统”的基本构成——感觉(感官：各类传感器)、记忆及思维(大脑：MCU等)、行为的表达过程(执行机构：照度、色温输出)。
(3)智能照明的发展现状
①智能照明系统控制方式目前有总线型、电力载波型、无线网络传感型(蓝牙、ZigBee)等。②国内智能照明主要集中在公共设施领域、商务酒店、会展场馆、市政工程、道路交通等领域。此外，少数豪华写字楼和高级别墅也采用智能照明来提高舒适性。③目前智能照明系统的价格昂贵，联网的智能照明系统往往报价几十万甚至上百万。
2、课题研究的意义及创新点
由智能照明的发展现状可知，总线型方案均采用综合布线的控制策略，布线繁琐、施工困难，单一部模块损坏可能影响系统的整体运转，扩展移动性差。而近十年，无线网络及传感技术凭借其独特优势发展极为迅猛，其主要特点包括全自动组网、近距离等。如ZigBee、WLAN、蓝牙等，但其也有光源与探测器分离、组网复杂、技术难度大等问题，不利于智能照明系统的推广。
(1)项目意义
节约能源。系统充分利用自然光，调节自身灯光输出来补偿自然光的改变，用最少的能源保证所要求的照度水平，从而达到节能的效果。l提供恒照度照明，保证了照明的品质，起到提高工作效率、保护视力的目的。l通过精简智能照明系统结构，降低智能照明设备的总体成本，改善智能照明设备安装维护的便利性，有利于智能照明的推广。
(2)项目创新点
①无需网络便可实现对目标照度的实时监控。②提出远距离目标光反馈实现恒照度控制的工作原理，实现了目标照度探测器与LED光源一体化。③单个光源便可具备智能照明系统的全体功能，简化了系统的结构，降低智能照明系统总体成本，有利于智能照明的推广与普及。
3、遥测照度的LED智能照明系统原理及设计
二 基于远距离目标光反馈的恒照度控制方法
1、目标物体照度与探测器接收光信号的关系
(1)目标亮度与接收光信号的关系
图1 成像系统像平面照度
根据成像系统的相关知识，可以得到像平面照度跟目标亮度的关系：
(2)目标亮度与目标照度的关系
根据光出射度的定义得到光出射度与目标亮度的关系：
(3)目标照度与接收光信号的关系
由式1、式3可以得到目标物体照度与像平面照度 (探测器接收光信号)的关系：
2 恒照度控制系统原理
照度自动控制可采用图3所示电路。在照度自动控制回路中，假设用户设定的照度对应的检测电流为，利用采样电阻把监测电流转换成电压信号。外界光照发生变化时，导致LED光源内置的光电二极管监测到的表征目标照度大小的监测电流变为，利用采样电阻把监测电流转换成电压信号，并传递给控制控制单元，跟设定的电压信号比较，比较的结果作用于LED光源的驱动单元，调节LED光源的发光强度，实现目标照度的恒定。
图3 自动控制原理图
三 光学系统的设计
1、光阑的设计
系统以照明中心区域的平均照度作为系统调节标准，综合考虑系统功能要求、系统结构及系统成本等多方面因素，系统巧妙的将光电探测器作为视场光阑，光电探测器的中心位于光轴上，且光电探测器光敏面与光学系统主光轴垂直。光电探测器光敏面到薄透镜距离，由薄透镜到目标的距离和薄透镜焦距共同决定，满足：
由于系统透镜数目少，而且有视场光阑，因此杂散光很少，可以不用消杂光光阑;为避免光源的影响加入合适的孔径光阑。光学系统如图5所示。
2 透镜的设计
分析式4可知，在其他条件一定，目标照度相同的情况下，透镜的直径越大，透镜的焦距越小，探测平面的照度越大。综合光源考虑到光源尺寸、美观等因素，透镜的直径不宜过大，焦距应该较小。
3 光源的设计与仿真
光源设计成如图6所示光源，把透镜放置在光源的中心后方。这样既可以充分利用对称性使目标照明区域光分布更加均匀，又有利于检测目标平面中心区域的平均照度。光源60个LED采用6串10并的连接方式，每一串串连一个电阻牵制电流的漂移，使其电压大概为每串电压的5%左右。光源设计和实物图如图6所示。
假设每个LED为朗伯光源，对光源照度分布进行仿真，结果显示光源照度分布比较平滑，满足照明要求。
四 电子电路系统设计
1、光电转换与放大电路
分析比较常用的光电检测半导体器件，选择寿命长、成本低的光电二极管作为光电转换器件。光电二极管工作在光伏模式，此时没有暗电流，线性最好，符合系统的设计要求。
电流-电压变换电路把光照产生的电流信号变为电压信号，并对该电压信号进行放大，使得放大后的电压达到A/D转换器检测电压范围。电流-电压转换电路如图7所示。
2、控制单元设计
控制单元的核心是单片机，采用的单片机是STC12C5608AD，软件编写采用C语言，照度控制采用模糊算法。控制单元记录照度初始值和产生保证照度恒定的PWM波。控制单元结构原理图如图8所示。
(1)单片机电路设计及软件系统设计
单片机及其外围结构如图9所示。
主程序流程图如图10所示。
(2)LED驱动单元设计
通过分析、比较各类型的LED驱动电路、LED驱动电路的拓扑结构及LED的调光模式的优缺点，驱动电路采用非隔离降压型电路，调光方式采用PWM调光，在安全实用的原则下，降低系统成本。
基于上述分析，LED驱动器采用PT4107，设计的外围电路主要由由浪涌保护、EMC滤波、全桥整流、无源功率因素校正(PFC)、降压稳压器、PWMLED驱动控制器及扩流恒流电路组成，外围电路的电路框图如图11所示。
五 结论和展望
1、总结
主要研究成果如下：
(1)提出遥测照度的方法，无需网络实现对目标照度的实时监测。
(2)实现探测器与光源一体的智能照明系统。
(3)该智能照明系统工作区域中外界光造成的照度变化，充分利用 自然光，达到节能控制的效果。
(4)该智能照明系统能够保证照明的品质，提供恒照度照明，起到提高工作效率、保护视力的目的。
2 、未来展望
未来的工作侧重于以下几个方面：
(1)与实验室已有的研究成果色温可调的LED智能照明系统相结合，保证照度的同时可选择色温，进一步提高照明的舒适性。
(2)将基于遥测法照度自动控制的方法应用于大功率、超远距离的照明领域，如大功率射灯等。
原标题：LED智能照明系统节能控制及光照适度设计分析
