跑道關閉時機場標識燈自適應控制系統設計

張積洪，江 曉

（中國民航大學 航空自動化學院，天津 300300）

0 引言

目前，國內民航機場在跑道關閉時，沒有專門的燈光指示設備，一般都是采用簡陋的LED燈條，或者是普通的大功率燈泡。這樣不僅達不到期望的指示要求，更造成了能源的浪費。基于這種現狀，本文闡述了一種可以依靠外界光強自動調節指示燈亮度的燈光指示系統，該系統具有以下優點：

1)采用太陽能充電，節省能源，響應國家節能減排號召。

2)具有過沖、過放電、電流波動保護的電源管理模塊，保證了整個系統供電的可靠性。

3)采用數字光強傳感器，增強了傳感器的抗干擾能力。

4)指示燈采用了集成了恒流源的大功率LED燈組，保證了指示燈光的識別距離。

5)調光方式采用目前最先進的脈寬調制（PWM）方法，既節能，又保證LED指示燈的壽命。

6)整個系統安裝于十字形易折桿上，可在意外發生時，最大限度地保護客機。

本系統滿足了新型機場關閉自適應指示燈的專業要求：

第一，采用的內部集成恒流源的大功率LED燈組，可以滿足飛行員1.2Km即識別的距離要求。

第二，根據外界光照強度，自動調節大功率LED指示燈的亮度，比如在陽光很強的中午，LED指示燈也會相應變量；在夜晚，LED指示燈又會適當變暗，使其滿足民航業要求的5級光強，這樣可以讓飛行員很舒服的識別出指示燈又可有充分時間采取變道措施，降落到其他跑道。

第三，充分利用太陽能PWM充電，提高了充電效率；并且指示燈亮度調節采用了2KHz的PWM調節，最大程度的節省了能源。

第四，采用自身鉛蓄電池供電，因此可以很方便又可隨意放置于機場的任何地方，作指示用。

1 燈光指示系統的燈光部分設計

指示燈部分采用了24個內部集成了恒流源的大功率LED燈組，單燈組規格為12V，0.35A。

2 系統的供電部分設計

2.1 鉛蓄電池組的選擇

機場跑道由于施工等問題，關閉時間少則幾小時，多則幾天，故本系統采用12V，120AH鉛蓄電池供電。24個LED燈組最大功率為24×12V×0.35A＝100.8W，一組鉛蓄電池可持續提供1440W一小時，故一組蓄電池可供系統工作14小時，系統按最大連續使用時間72小時，并留有20%余量計算，采用6組12V,120AH的鉛蓄電池供電。

2.2 鉛蓄電池的充電方式

方式一：鉛蓄電池的充電采用200W太陽能板三塊并聯充電，整套系統滿沖時間為14.5小時，在電源管理模塊的控制下，太陽能充電方式采用PWM調制式，比傳統太陽能充電效率提高3%-6%。充電1小時，即可保證系統工作6小時以上。

方式二：采用專門的充電器進行快速充電。

2.3 電源管理模塊

為了保證系統充放電的平穩性，本系統采用了帶有過沖，過放，過流過載保護功能的電源管理模塊HBSC20I（12V，20A），當蓄電池放電電壓低于11.1V即斷開供電，當充電電壓大于14.6V時斷開充電電路，當1.25倍額定電流60秒斷開供電電路，當1.5倍額定電流5秒鐘即可動作斷開供電，工作溫度-35℃ +55℃，極大地保證了系統的可靠性。

3 系統的光強采集模塊

3.1 數字光強傳感模塊 GY-30

由于本系統主要面向于民航機場，應用環境具有強干擾特點，故在光強采集部分運用了抗干擾能力強的集成了數字光強傳感芯片BH1750FVI的光感模塊GY-30。

集成數字光強傳感器模塊GY-30板上集成有：BH1750FVI芯片、3.3V低功耗穩壓器（3V—5V供電兼容）、電平轉換（3V—5V系統通信兼容）。因此5V供電電源可以直接接到光強模塊的Vcc引腳，為了保險起見也可以在+5V電源加上濾波電容，這里選用10uF的電解電容和0.1uF的瓷片電容并聯。

圖 1 GY-30與單片機的接口

3.2 數字光強傳感IC — BH1750FVI的特性

BH1750FVI光強傳感IC是16位數字光強芯片，因具有如下特點而被采用為系統的光強采集傳感器：

1)有很寬的光照識別范圍(1—65535lx)，即使在漆黑的夜晚也能將幾lx的光照轉換成數字量輸出到單片機。

2)工作溫度為 -40℃ 85℃，滿足機場使用，機場戶外環境冬天可達-20℃，夏天40℃。

3)低功耗，5V供電時最大功耗僅有260mW。

4)受紅外光影響極小。

5)測量精度高，當采用低速測量模式時，精度達到0.11 Lx，遠遠滿足測量要求。

6)具有很好的光譜響應特性，如圖2所示。

7)測量結果受溫度影響很小，滿足機場惡劣環境下的應用，如圖3所示。

8)與單片機接口為最常用的I2C接口，易于實現數據通信。

圖2 交譜響應曲線

圖3 溫度響應曲線

3.3 BH1750FVI的通信協議及過程

BH1750FVI與主控制器間的通信采用標準的I2C通信協議。I2C總線在傳輸數據過程中共有三種類型的信號：起始信號、終止信號和應答信號。主控器通過I2C接口向光傳感模塊發送命令和讀取數據。

1)主控器向GY-30發送控制命令步驟：（1）主控器產生通信啟動信號。（2）主控器發送8Bit地址數據（其中最后一位應為0，表示寫操作）。（3）主控器讀取GY-30的應答信號。（4）主控器發送8Bit命令數據。（5）主控器讀取GY-30的應答信號。（6）主控器產生停止信號。

2)主控器從GY-30讀取數據步驟：（1）主控器產生通信起始信號。（2）主控器發送8Bit地址信號（最后一位應為1，表示讀操作）。（3）主控器讀取GY-30的應答信號。（4）主控器讀取高8位數據。（5）主控器產生應答信號。（6）主控器讀取低8位數據。（7）主控器產生應答信號。（8）主控器產生停止信號。

3.4 GY-30數字光強傳感模塊與單片機通信的軟件設計

在應用中，由于只需要一個GY-30與單片機通信，故將ADDR引腳直接接地，這樣GY-30的設備地址就被設定為 0x46。BH1750FVI通過指令0x10被設置為H- resolution mode（高速轉換模式）。

本系統采用標準C語言編程，以下是GY-30與單片機的軟件通信程序：

由于I2C接口有標準的通信協議，并且限于篇幅，此處僅給出GY-30的主要通信程序部分：

4 燈光控制模塊

燈光控制模塊主要采用了以51系列單片機為核心，以一系列工業級芯片為輔的控制系統。整個控制系統的核心采用了工業級STC單片機，具有很高的抗干擾能力，并選用了PQFP-44封裝的單片機芯片，極大的縮小了控制板的體積，使控制板小巧靈活。

4.1 控制模塊的硬件設計

由于整套系統采用的12V蓄電池供電，而燈光控制模塊的供電是5V供電，故采用高可靠性的DC-DC（12V—5V）給控制模塊提供非常穩定的5V供電，大功率LED燈的開關選用大功率N溝道場效應管 IRF-3205（55V,110A）。大功率LED單燈組的工作電流很大（24組可達24×0.35A），所以LED的工作電路要與單片機工作電路隔離開，本系統采用工業級光耦芯片TLP521-2(I)，將兩部分隔離開來。

電路圖如圖4所示。

圖4 控制模塊的電路原理圖

4.2 大功率LED燈組亮度控制設計

目前，LED亮度控制主流采用兩種方法，一是改變流過LED燈的電流大小，通常是串接不同阻值的電阻來實現。二是脈寬調制方法(PWM)，利用了人眼的視覺暫留原理，通過改變光脈沖的占空比來實現灰度控制。第一種方法從根本上講就是通過增加了額外消耗來實現了調光，不僅浪費能源，而且縮短了LED的使用壽命。第二種方法為目前最先進的LED調光方法，既節省能源，又保證了LED的使用壽命，因此倍受青睞。

本控制系統采用改變頻率為2K的PWM波的占空比來改變LED的平均電壓，而達到亮度調節的目的。在民航界，燈光的亮度分為五個等級，故將2K的PWM波設置為5個不同的占空比，通過多次試驗，確定占空比為0%，80%，60%，40%，20%的五種PWM波,低電平點亮LED。

4.3 LED亮度控制模塊的程序設計框圖

程序僅由軟件產生延時，控制大功率LED指示燈的亮滅循環，并巧妙的將光強采集時刻植入到LED指示燈熄滅時采集，使得程序更簡潔。程序采用簡單可靠的順序式結構，上電即復位。

5 結論

該系統在技術上采用了清潔能源太陽能充電，符合我們國家節能減排的要求；并有可靠的電源管理系統，為整套系統提供了可靠的能源保證。

圖5 控制模塊的程序結構框圖

在實際條件測試下，本套系統可以在設計時間內可靠的連續工作，可以被廣泛應用于各民航機場。

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