2. 基于远距离目标光反馈的恒照度控制方法

1、目标物体的照度与探测器接收到的光信号之间的关系

(1)目标亮度与接收光信号的关系

图1 成像系统像面照明

根据成像系统的相关知识，可以得到像面照度与目标亮度的关系：

(2)目标亮度与目标照度的关系

根据出光度的定义，得到出光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和式3可以得到目标物体的照度与像面照度（探测器接收到的光信号）之间的关系：

1 简介及系统原理

1.智能照明的研究背景及发展现状

（一）研究背景：

①能源危机日益加剧，节能已成为世界性问题。 照明用电量持续增加，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、适宜的照度。 目前，我国60%以上的学生患有近视，近视患者数量居世界第一。 这与照明环境不当有密切关系。 ③智能照明的引入可以同时解决以上两个问题。 满足现代社会的需求。

（二）什么是智能照明

①什么是“智力”——指人的智慧和行动能力。 从感觉记忆到思考的过程称为“智慧”。 智慧的结果是行为和语言。 行为和语言的表达过程称为“能力”，两者统称为“智力”。 ②什么是“智能照明”——它就像一个聪明的仆人，可以根据当时当地的环境条件，为主人提供周到、合适的照明服务。 ③“智能照明系统”的基本构成——感觉（感官：各种传感器）、记忆与思维（大脑：MCU等）、行为表达过程（执行机构：照度、色温输出）。

（三）智能照明发展现状

①智能照明系统控制方式目前包括总线式、电力载波式、无线网络传感器式（蓝牙）等。 ②国内智能照明主要集中在公共设施、商务酒店、展览场馆、市政工程、道路交通等领域。 此外，少数豪华写字楼和高档别墅也采用智能照明来提高舒适度。 ③目前智能照明系统价格昂贵，联网的智能照明系统价格往往数十万甚至上百万。

二、课题研究意义及创新点

从智能照明的发展现状可以看出，总线式方案采用综合布线的控制策略，布线繁琐，施工难度大，单个模块的损坏可能影响整体运行。系统扩展性差。 近十年来，无线网络和传感技术因其独特的优势而发展极为迅速。 其主要特点是全自动组网、短距离。 例如WLAN、蓝牙等，但也存在光源与探测器分离、组网复杂、技术难度大等问题，不利于智能照明系统的推广。

（一）项目意义

节能。 该系统充分利用自然光，调节自身的光输出来补偿自然光的变化，用最少的能源来保证所需的照度水平，从而达到节能的效果。 l 提供恒定照度照明，保证照明质量，提高工作效率，保护视力。 l 通过简化智能照明系统的结构，可以降低智能照明设备的整体成本，提高智能照明设备安装和维护的便利性，有利于智能照明的推广。

（二）项目创新点

①无需网络即可实现目标照度实时监测。 ②提出远距离目标光反馈的工作原理实现恒定照度控制，实现目标照度探测器与LED光源的一体化。 ③单个光源即可具备智能照明系统的全部功能，简化了系统结构，降低了智能照明系统的整体成本，有利于智能照明的推广和普及。

3、遥测照度LED智能照明系统原理与设计

2 恒照度控制系统原理

照度的自动控制可采用如图3所示的电路。在照度自动控制环路中，假设用户设定的照度对应的检测电流为 ，利用下式将检测电流转换为电压信号：采样电阻。 当外界光线变化时，LED光源内置光电二极管检测到代表目标照度变化幅度的监测电流，并通过采样电阻将监测电流转换为电压信号并发送出去。它发送给控制单元以遵循设定的电压信号。 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，达到恒定的目标照度。

图3 自动控制示意图

三光学系统设计

1、光圈设计

系统以照明中心区域的平均照度作为系统调节标准智能照明楼宇自控灯原理，综合考虑系统功能要求、系统结构和系统成本等因素，系统巧妙地采用光电探测器作为视场光阑，光电探测器的中心位于光轴上，光电探测器的感光面垂直于光学系统的主光轴。 光电探测器感光面到薄透镜的距离由薄透镜到目标的距离和薄透镜的焦距确定，满足：

由于系统镜头和视场光阑数量较少，杂散光很少，可以不使用杂散光消除光阑； 添加适当的孔径光阑以避免光源的影响。 光学系统如图5所示。

2 镜头设计

由解析式4可知，在其他条件不变、目标照度相同的情况下，透镜直径越大，透镜焦距越小，检测平面的照度越大。 综合光源考虑光源尺寸和美观等因素，透镜直径不宜太大，焦距宜小。

3 光源设计与仿真

光源设计为如图6所示的光源，透镜放置在光源中心的后面。 这样可以充分利用对称性，使目标照明区域的光分布更加均匀，也有利于检测目标平面中心区域的平均照度。 光源的60个LED以6串10并联的方式连接。 每个串联都连接一个电阻来抑制电流的漂移，使电压约为每个串联电压的5%。 光源设计及实物图如图6所示。

假设每个LED都是朗伯光源，对光源的照度分布进行仿真，结果表明光源的照度分布比较平滑，满足照明要求。

四电子电路系统设计

1、光电转换及放大电路

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，线性度最好，满足系统的设计要求。

电流电压转换电路将光线产生的电流信号转换为电压信号，并放大该电压信号，使得放大后的电压达到A/D转换器的检测电压范围。 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，采用单片机，软件用C语言编写，照明控制采用模糊算法。 控制单元记录照度初始值并产生PWM波以保证照度恒定。 控制单元结构示意图如图8所示。

(1)单片机电路设计和软件系统设计

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LED驱动电路的优缺点、LED驱动电路的拓扑结构以及LED调光方式，驱动电路采用非隔离降压电路，调光方式采用PWM调光，这是基于安全和实用的原则。 ，降低系统成本。

基于以上分析，LED驱动器采用，设计的外围电路主要由浪涌保护器、EMC滤波器、全桥整流器、无源功率因数校正(PFC)、降压调节器、驱动控制器和扩流恒流器组成。电路。 组成，外围电路框图如图11所示。

5 结论与展望

一、总结

主要研究成果如下：

(1)提出了一种遥测照度方法，无需网络即可实现目标照度的实时监测。

(2)实现探测器与光源一体化的智能照明系统。

(3)智能照明系统工作区域内外界光引起的照度变化充分利用自然光，达到节能控制的效果。

(4)智能照明系统可以保证照明质量，提供恒定照度照明，达到提高工作效率、保护视力的目的。

2. 未来展望

未来工作重点关注以下几个方面：

（1）结合实验室现有研究成果色温可调的LED智能照明系统，在保证照度的同时可以选择色温，进一步提高照明的舒适度。

(2)将基于遥测的照度自动控制方法应用于大功率、超远距离照明领域，如大功率聚光灯。