紅外自控LED節(jié)能燈具設(shè)計(jì)方案探索

如今，LED照明燈具的節(jié)能已是路人皆知了，LED照明燈具加上紅外線傳感器，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制——無人時(shí)燈具自動(dòng)關(guān)閉，有人時(shí)燈具自動(dòng)照亮，人走后燈具自動(dòng)熄滅，可以真正做到照明的節(jié)能省電。由此，紅外傳感器將大舉進(jìn)入LED照明領(lǐng)域。本文就紅外自控LED節(jié)能燈具設(shè)計(jì)方案進(jìn)行探索。

紅外自控LED節(jié)能燈具系統(tǒng)方案

紅外傳感器輸出的信號很小，必須加以放大才能使用，因此紅外自控LED節(jié)能燈具系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)思路如圖1所示，將紅外傳感器的微弱信號通過一個(gè)四運(yùn)放（LP2902M）的儀表放大器放大和比較，經(jīng)CD4538多諧振蕩器組成的計(jì)時(shí)器電路，再經(jīng)一大功率三極管驅(qū)動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)LED電源的開閉，由LED驅(qū)動(dòng)電源去點(diǎn)亮燈具中的LED光源或LED光源陣列，電原理圖如圖2所示。

紅外傳感器

尼賽拉的紅外傳感器是一種熱釋電紅外傳感器，它是用具有熱電性能材料制成的熱探測器，是產(chǎn)業(yè)界用得較多的紅外傳感器之一。

熱釋電紅外傳感器表層溫度無變化時(shí)，敏感元電荷保持平衡T[K]，當(dāng)接收外界紅外輻射，表層溫度即發(fā)生變化，敏感元隨之變化，T+ΔT[K]。即由于外界的紅外輻射而引起傳感器敏感元表層溫度變化時(shí)，紅外傳感器才釋放出電荷（電流）；當(dāng)溫度變化趨于穩(wěn)定，內(nèi)部電荷就趨于平衡，敏感元就沒有電荷（電流）產(chǎn)生，對靜止的熱源體沒有電流輸出。利用紅外傳感器這一特性，可以及時(shí)檢測運(yùn)動(dòng)的紅外熱源，如人類的走動(dòng)。紅外傳感器是一種被動(dòng)型溫度敏感器件，對應(yīng)用環(huán)境溫度不苛求，靈敏度高，光譜響應(yīng)寬，可廣泛用于各種紅外入侵探測器、照明燈具的自動(dòng)感應(yīng)開關(guān)。

菲涅爾透鏡

紅外熱釋電傳感器的成功應(yīng)用需借助于菲涅爾透鏡，菲涅爾透鏡在紅外熱釋電傳感器前具有聚焦和視角調(diào)制的作用，菲涅爾透鏡可擴(kuò)大紅外熱釋電傳感器接收紅外信號源的視角和探測區(qū)域，因此可以監(jiān)視運(yùn)動(dòng)中的紅外源或移動(dòng)熱源。菲涅爾透鏡一般種類有：水平多分割式（或稱水平幕簾式、特殊應(yīng)用）、垂直多分割式（或稱垂直幕簾式、特殊應(yīng)用）、水平垂直分割式（常用）、圓錐多區(qū)分割式（頂視式、常用）等數(shù)種，應(yīng)按不同燈具的產(chǎn)品功能需要來選用。菲涅爾透鏡是由專業(yè)廠家制作的，有專門的光學(xué)設(shè)計(jì)，經(jīng)專用模具壓制的特種塑料零件。

信號放大處理和控制功能集成化

信號放大處理和控制功能集成化對于紅外自控LED節(jié)能燈具系統(tǒng)方案的普遍推廣有特殊意義，只有應(yīng)用電路簡化了，應(yīng)用成本低了，有了好的性價(jià)比，才有可能被廣泛應(yīng)用。圖3是熱釋電紅外傳感器專用信號處理電路BISS0001的實(shí)際應(yīng)用圖。由于它的電路元器件少，組裝工藝簡單，可靠性好，因而被大量使用。

BISS0001是由運(yùn)算放大器、電壓比較器和狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器、封鎖時(shí)間定時(shí)器及參考電壓源等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐?，可廣泛應(yīng)用于多種傳感器和延時(shí)控制器。

首先，以圖4所示的不可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的各點(diǎn)波形，來說明BISS0001的工作過程。

根據(jù)實(shí)際需要，利用運(yùn)算放大器OP1組成傳感信號預(yù)處理電路，將信號放大。然后耦合給運(yùn)算放大器OP2，再進(jìn)行第二級放大，同時(shí)將直流電位抬高為VM（≈0.5VDD）后，送到由比較器COP1和COP2組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發(fā)信號Vs。由于VH≈0.7VDD、VL≈0.3VDD，所以，當(dāng)VDD=5V時(shí)，可有效地抑制±1V的噪聲干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。COP3是一個(gè)條件比較器。輸入電壓Vc＜VR（≈0.2VDD）時(shí)，COP3輸出為低電平封住了與門U2，禁止觸發(fā)信號Vs向下級傳遞；而當(dāng)VC＞VR時(shí)，COP3輸出為高電平，打開與門U2，此時(shí)若有觸發(fā)信號Vs的上跳邊沿來到，則可啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間定時(shí)器，同時(shí)Vo端輸出為高電平，進(jìn)入延時(shí)周期。當(dāng)A端接“0”電平時(shí)，在Tx時(shí)間內(nèi)任何V2的變化都被忽略，直至Tx時(shí)間結(jié)束，即所謂不可重復(fù)出發(fā)工作方式。當(dāng)Tx時(shí)間結(jié)束時(shí)，Vo下跳回低電平，同時(shí)啟動(dòng)封鎖時(shí)間定時(shí)器而進(jìn)入封鎖周期Ti。在Ti周期內(nèi)，任何V2的變化都不能使Vo為有效狀態(tài)。這一功能的設(shè)置，可有效抑制負(fù)載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾。

其次，如圖5所示可重復(fù)觸發(fā)工作方式下各點(diǎn)的波形，來說明BISS0001在此狀態(tài)下的工作過程。

在Vc=“0”、A=“0”期間，Vs不能觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)。在Vc=“1”、A=“1”時(shí)，Vs可重復(fù)觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)，并在Tx周期內(nèi)一直保持有效狀態(tài)。在Tx時(shí)間內(nèi)，只要有Vs得上跳變，則Vo將從Vs上跳變時(shí)刻算起繼續(xù)延長一個(gè)Tx周期；若Vs保持為“1”狀態(tài)，則Vo一直保持有效狀態(tài)；若Vs保持為“0”狀態(tài)，則在Tx周期結(jié)束后，Vo恢復(fù)為無效狀態(tài)，并且在封鎖時(shí)間Ti時(shí)間內(nèi)，任何Vs的變化都不能觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)。

期待新一代信號放大處理和控制芯片

雖然BISS0001能滿足紅外自控LED節(jié)能燈具市場的一部分需要，但是更多功能的變化和燈具廠需要生產(chǎn)個(gè)性化的燈具產(chǎn)品還是要應(yīng)用當(dāng)代先進(jìn)的MCU，因此開發(fā)新一代的適合紅外傳感器信號放大處理、帶MCU功能的新一代芯片是當(dāng)今市場和時(shí)代賦予芯片設(shè)計(jì)公司的重任、期望和海量市場的召喚。

目前結(jié)合MCU的紅外自控LED節(jié)能燈具系統(tǒng)方案如圖6所示。使用PIC12C508，應(yīng)當(dāng)說是比較老一代的MCU。

PIC12C508MCU與LP2902M四運(yùn)放的配合，對來自熱釋電紅外傳感器的微弱電信號進(jìn)行放大處理，加上生產(chǎn)廠商賦予MCU的編程，可實(shí)現(xiàn)對繼電器開關(guān)的特殊動(dòng)作，控制LED燈具開關(guān)、延遲或其它變化，實(shí)現(xiàn)既定的紅外自控LED節(jié)能燈具的各種功能。

謹(jǐn)以此與我們廣大的LED燈具設(shè)計(jì)師探討。我們期待有更多、更好的新一代紅外傳感器和信號處理控制集成電路可供我們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)師選用，創(chuàng)造更新一代的LED節(jié)能燈具。