红外自控LED节能灯具设计方案探索

摘要：简介由热释电红外传感器、菲涅尔透镜、信号放大处理和控制集电路组成的红外自控LED节能灯具系统设计方案。

关键词：热释电红外传感器；菲涅尔透镜；信号放大处理和控制

LED照明灯具的节能如今已是路人皆知了。LED照明灯具加上红外线传感器作自动控制，可实现无人时灯具自动关闭，有人时灯具自动照亮，人走后灯具自动熄灭，可以真正做到照明的节电。由此，红外传感器将大举进入LED照明领域。自《LED照明灯具与传感器技术》一文发表以来，不少读者询问如何使用红外传感器设计LED节能灯具。今就此红外自控LED节能灯具设计方案进行探索。

红外自控LED节能灯具系统方案

红外传感器输出的信号很小，必须加以放大才能使用，因此红外自控LED节能灯具系统方案设计思路如图1所示，将红外传感器的微弱信号通过一个四运放(LP2902M)的仪表放大器放大和比较，经CD4538多谐振荡器组成的计时器电路，再经一大功率三极管驱动继电器实现LED电源的开闭，由LED驱动电源去点亮灯具中的LED光源或LED光源阵列。原理图如图2所示。

红外传感器

红外传感器是一种热释电红外传感器，它是用具有热电性能材料做成的热探测器，可能是业界用得比较多的红外传感器之一。

红外热释电传感器信号产生原理如图3，传感器表层温度无变化时敏感元电荷保持平衡T[K]，当接收外界红外辐射，表层温度即发生变化，敏感元随之变化，T+T[K]。也即由于外界的红外辐射而引起传感器敏感元表层温度变化时，红外传感器才释放出电荷(电流)；当温度变化趋于稳定，内部电荷就趋于平衡，敏感元就没有电荷(电流)产生、对静止的热源体没有电流输出。利用红外传感器这一特性，可以及时检测运动的红外热源，如人类的走动。红外传感器是一种被动型温度敏感器件，对应用环境温度不苛求，灵敏度高，光谱响应宽。可广泛用于各种红外入侵探测器、照明灯具的自动感应开关。

红外热释电传感器的外形如图4－1所示，图4－2是传感器的电原理图，图4－3是传感器的典型应用图。红外传感器可选用上海尼赛拉传感器有限公司产品。

菲涅尔透镜

红外热释电传感器的成功应用需借助于菲涅尔透镜，菲涅尔透镜在红外热释电传感器前具有聚焦和视角调制的作用，菲涅尔透镜可扩大红外热释电传感器接收红外信号源的视角和探测区域，因此可以监视运动中的红外源或移动热源(图5)。菲涅尔透镜一般种类有：水平多分割式(或称水平幕帘式、特殊应用)、垂直多分割式(或称垂直幕帘式、特殊应用)、水平垂直分割式(常用)、圆锥多区分割式(顶视式、常用)等数种，应按不同灯具的产品功能需要来选用。菲涅尔透镜是由专业厂家制作的，有专门的光学设计，经专用模具压制的特种塑料零件。

信号放大处理和控制功能集成化

信号放大处理和控制功能集成化对于红外自控LED节能灯具系统方案的普遍推广有特殊意义，只有应用电路简化了，应用成本低了，有了好的性价比，才有可能被广泛应用。图6是热释电红外传感器专用信号处理电路BISS0001(上海京西电子信息系统有限公司产品)的实际应用图。由于它的电路元器件少，组装工艺简单，可靠性好，因而被大量使用。图中R3为光敏电阻或光敏传感器，主要用作昼夜开关，以保证系统白天或在明亮光线下不工作。

BISS0001是由运算放大器、电压比较器和状态控制器、延迟时间定时器、封锁时间定时器及参考电压源等构成的数模混合专用集成电路。可广泛应用于多种传感器和延时控制器。图7是BISS0001的原理框图。

首先，以图8所示的不可重复触发工作方式下的各点波形，来说明BISS0001的工作过程。

根据实际需要，从图7可见，利用运算放大器OP1组成传感信号预处理电路，将信号放大。然后耦合给运算放大器OP2，再进行第二级放大，同时将直流电位抬高为VM(≈0.5VDD)后，送到由比较器COP1和COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号Vs。由于VH≈0.7VDD、VL≈0.3 VDD，所以，当VDD=5V时，可有效地抑制±1V的噪声干扰，提高系统的可靠性。COP3是一个条件比较器。输入电压VCVR时，COP3输出为高电平，打开与门U2，此时若有触发信号Vs的上跳边沿来到(图8)，则可启动延时时间定时器，同时Vo端输出为高电平，进入延时周期。当A端接“0”电平时，在Tx时间内任何V2的变化都被忽略，直至Tx时间结束，即所谓不可重复出发工作方式。当Tx时间结束时，Vo下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期Ti。在Ti周期内，任何V2的变化都不能使Vo为有效状态。这一功能的设置，可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。

其次，如图9所示可重复触发工作方式下各点的波形，来说明BISS0001在此状态下的工作过程。

在Vc=“0”、A=“0”期间，Vs不能触发Vo为有效状态。在Vc=“1”、A=“1”时，Vs可重复触发Vo为有效状态，并在Tx周期内一直保持有效状态。在Tx时间内，只要有Vs得上跳变，则Vo将从Vs上跳变时刻算起继续延长一个Tx周期：若Vs保持为“1”状态，则Vo一直保持有效状态；若vs保持为“0”状态，则在Tx周期结束后Vo恢复为无效状态，并且在封锁时间Ti时间内，任何Vs的变化都不能触发Vo为有效状态。

信号放大处理和控制芯片期待新一代

虽然BISS0001能满足红外自控LED节能灯具市场的一部分需要，但是更多功能的变化和灯具厂需要生产个性化的灯具产品还是要应用当代先进的MCU，因此开发新一代的适合红外传感器信号放大处理、带MCU功能的新一代芯片是当今市场和时代赋予芯片设计公司的重任、期望和海量市场的召唤。

目前的结合MCU的红外自控LED节能灯具系统方案如图10所示。使用Microchip公司的PIC12C508，应当说是比较老一代的MCU。

PIC12C508 MCU与LP2902M四运放的配合，对来自热释电红外传感器的微弱电信号进行放大处理，加上生产厂商赋予MCU的编程，可实现对继电器开关的特殊动作，控制LED灯具开关、延迟或其它变化，实现既定的红外自控LED节能灯具的各种功能。

结语

谨以此与我们广大的LED灯具设计师探讨。我们期待有更多、更好的新一代红外传感器和信号处理控制集成电路可供我们的产品设计师选用，创造更新一代的LED节能灯具。