網(wǎng)絡(luò)化智能調(diào)光LED隧道照明系統(tǒng)

摘要：本課題的主要研究?jī)?nèi)容是根據(jù)《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》要求研究設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)化智能調(diào)光LED隧道燈控制系統(tǒng)。照明燈具采用可調(diào)光的LED光源，結(jié)合無(wú)線通信模塊搭建無(wú)線燈具網(wǎng)絡(luò)，以及控制系統(tǒng)輸入?yún)?shù)采集的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；系統(tǒng)通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)采集洞內(nèi)外亮度，車速車流量作為控制輸入?yún)?shù)，經(jīng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)處理實(shí)現(xiàn)隧道照明的實(shí)時(shí)調(diào)光控制[1]。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/197922.htm

關(guān)鍵詞：LED；隧道燈；調(diào)光；網(wǎng)絡(luò)化

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.12.018

智能隧道燈介紹

智能LED隧道燈硬件部分分為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電路、LED調(diào)光電路、傳感器驅(qū)動(dòng)電路、通信模塊以及數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊。目前已完成以紅外傳感器控制的調(diào)光LED隧道燈樣品的部分設(shè)計(jì)。

LED隧道燈恒流源驅(qū)動(dòng)電路

電路由EMI輸入抑制電路、輸入整流濾波電路、IC輔助供電電路、功率調(diào)節(jié)電路、輸出整流濾波、恒壓與恒流輸出反饋控制電路等組成。

恒壓與恒流輸出反饋控制電路以芯片LM358為核心，該芯片內(nèi)置兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器。通過(guò)采集LED燈上的電流電壓輸入到放大器中與基準(zhǔn)電壓作比較，比較結(jié)果輸出到光耦。光耦導(dǎo)通狀態(tài)的變化對(duì)功率調(diào)節(jié)模塊進(jìn)行影響。

功率調(diào)節(jié)模塊以L6562為控制芯片。當(dāng)由于某種原因LED電流減小時(shí)，通過(guò)LM358輸出到光耦，光耦放大后輸出給L6562。芯片對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行反相處理，輸出脈沖寬度增大。寬度增大的輸出脈沖驅(qū)動(dòng)功率轉(zhuǎn)換級(jí)的開關(guān)管，進(jìn)行一次PWM調(diào)節(jié)，通過(guò)增加占空比的方式使次級(jí)輸出電壓增加。這樣LED兩端的電壓也增大，于是電流隨之增大，這就維持了LED的電流恒定。同樣，若由于某種原因使LED電流增大時(shí)，其控制過(guò)程相反[2]。

調(diào)光模塊設(shè)計(jì)

調(diào)光模塊采用NE555組成的延時(shí)開關(guān)電路，該模塊接收傳感器的輸出信號(hào)，通過(guò)電容充放電實(shí)現(xiàn)延時(shí)功能。NE555輸出端接光耦，功能類似于開關(guān)，光耦另一端電路通過(guò)改變LM358的基準(zhǔn)比較電壓來(lái)改變運(yùn)算放大器的輸出，進(jìn)而控制功率調(diào)節(jié)模塊達(dá)到調(diào)光的功能。

傳感器模塊設(shè)計(jì)

傳感器可使用紅外或微波檢測(cè)，可放置于隧道口或集成到燈具中。當(dāng)傳感器集成在燈具中時(shí)，可將檢測(cè)車輛的信號(hào)直接輸入到調(diào)光模塊的輸入端。如果將傳感器放置于隧道口，則可以檢測(cè)車流量以及車速等信息。并將該信息發(fā)送到上位機(jī)通過(guò)算法對(duì)調(diào)光模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

控制器設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路

變壓器次級(jí)線圈感應(yīng)電壓經(jīng)二極管整流，兩個(gè)C11為濾波電路，得到直流輸出電壓。

恒壓電路工作原理：U 3 B、TL431、R34、R35、U3、PC817組成電壓控制環(huán)路。TL431是精密電壓調(diào)整器，陰極K與控制極R直接短路構(gòu)成精密的2.5V基準(zhǔn)電壓。2.5V基準(zhǔn)電壓由電阻R36送到U3B正相輸入端；而反相輸入端則由R34、R35的分壓比來(lái)設(shè)定。若輸出電壓上升，則R35電壓也上升，該電壓與反相端2.5V基準(zhǔn)電壓比較，U3B輸出誤差信號(hào)，該信號(hào)流入光耦中的LED，進(jìn)而通過(guò)反饋控制網(wǎng)絡(luò)控制一次PWM輸出占空比，使輸出電壓工作在恒壓狀態(tài)。

恒流電路工作原理：U3A、TL431、R45、R32、U3、PC817組成電流控制環(huán)路。R45是輸出電流取樣電阻，輸出電流在R45上產(chǎn)生R45/ IOUT的電壓降。該電壓送到U3A的反相輸入端，而2.5V基準(zhǔn)電壓則由R38、R39、R40組成的分壓電路，再將分壓電壓送到正相輸入端，輸出電流在R45上的電壓降與2.5V基準(zhǔn)電壓分壓電壓進(jìn)行比較，輸出誤差信號(hào)改變光耦LED中的電流，進(jìn)而通過(guò)反饋控制網(wǎng)絡(luò)控制一次PWM輸出占空比，使輸出恒流。采用由放大器組成的恒壓、恒流控制電路可實(shí)現(xiàn)很高的恒壓與恒流精度。因電路采用放大器形式，因此R45的電阻值可選為mΩ級(jí)，對(duì)電路轉(zhuǎn)換效率基本無(wú)影響。

供電部分

EMI輸入電路工作原理：交流電輸入經(jīng)過(guò)串聯(lián)NTC熱敏電阻。NTC的電阻值隨溫度升高而減小，這樣在開機(jī)一瞬間避免了輸入電流過(guò)大。并聯(lián)在交流兩端的壓敏電阻TUR1的作用是抑制浪涌電壓。當(dāng)壓敏電阻器兩端所加電壓低于標(biāo)稱額定電壓值時(shí)，壓敏電阻器的電阻值接近無(wú)窮大，內(nèi)部幾乎無(wú)電流流過(guò)。當(dāng)壓敏電阻器兩端電壓略高于標(biāo)稱額定電壓時(shí)，壓敏電阻器將迅速擊穿導(dǎo)通，是輸入短路，保護(hù)后邊的電路。C01、C02、C03的作用是吸收差模干擾，C04的作用是消除從后邊電路中流入電網(wǎng)的差模干擾。共模線圈L01的作用是吸收共模干擾。

BR1為整流橋，整流后經(jīng)過(guò)L1濾波，R21的作用是斷電后泄流，避免斷電后電感內(nèi)部電流對(duì)人造成傷害。

DZ、D4、R20、C7的作用是保護(hù)芯片。當(dāng)晶體管斷開時(shí)，變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生的反擊電壓脈沖將會(huì)與輸入電壓疊加，同時(shí)加到Q1的D、S兩端，此時(shí)二極管D4導(dǎo)通，并對(duì)C7充電，C7把加到Q1的尖峰脈沖電壓吸收，防止擊穿。R20作用是把C7吸收電壓產(chǎn)生的積累電荷泄放，為下次吸收做準(zhǔn)備。

調(diào)光模塊[3]

無(wú)論調(diào)光模塊是直接從傳感器接受脈沖信號(hào)還是接收轉(zhuǎn)換為模擬量的控制信號(hào)，該控制信號(hào)經(jīng)過(guò)電容流向NPN三極管的基極，導(dǎo)通三極管。三極管導(dǎo)通后2腳處于低電平狀態(tài)，7腳外接電容瞬間放電，同時(shí)3腳處于高電平。此時(shí)PNP三極管由導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)，光耦也由導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)。由于三極管導(dǎo)通只是瞬時(shí)狀態(tài)，再次關(guān)斷后，電容開始充電，充電速度由變阻器決定。當(dāng)電容充電到一定電壓時(shí)，2腳電壓恢復(fù)高電平，3腳輸出變?yōu)榈碗娖剑琍NP三極管導(dǎo)通，光耦導(dǎo)通。

功率調(diào)整模塊[4]

由于某種原因使LED電流減小時(shí)，恒流電路采集到變化（減小）的電流值，進(jìn)行誤差放大后，通過(guò)控制PC817的導(dǎo)通狀態(tài)，輸出給功率調(diào)節(jié)電路。功率調(diào)節(jié)電路中的L6562芯片對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行反相處理，輸出脈沖寬度增大。寬度增大的輸出脈沖驅(qū)動(dòng)晶體管Q1，從而使得初級(jí)線圈中電壓增大，進(jìn)而次級(jí)輸出電壓增加。這樣，LED兩端的電壓也增大，于是流過(guò)LED的電流也增大，這就維持發(fā)光二極管的電流恒定。同樣，若由于某種原因使發(fā)光二極管的電流增大時(shí)，其控制過(guò)程相反。這種恒流驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)就在于：不管LED的管壓降差異有多大，其結(jié)溫和環(huán)境溫度的變化引起二極管的電流變化有多大，都能通過(guò)高速的恒流電路的快速調(diào)整，來(lái)維持LED的電流恒定。

1腳（INV）：誤差放大器反向輸入端。PFC輸出電壓由分壓電阻分壓后送入該腳。

2腳（COMP）：誤差放大器輸出端。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)置在該腳與INV端（1腳），以完成電壓控制環(huán)路的穩(wěn)定性和保證有高的PF值與低的諧波失真（THD）。

3腳（MULT）：乘法器輸入端。該腳通過(guò)分壓電阻分壓，連接到整流器整流電壓端，提供基準(zhǔn)的正弦電壓給電流環(huán)。

4腳（CS）：輸入到PWM比較器。MOSFET管電流流過(guò)取樣電阻，在電阻產(chǎn)生電壓降，該電壓與內(nèi)部的正弦電壓形成基準(zhǔn)信號(hào)，與乘法器比較來(lái)決定MOSFET的關(guān)閉。

5腳（ZCD）：升壓電感去磁偵測(cè)輸入端。工作在臨界傳導(dǎo)模式，用負(fù)極性信號(hào)的后沿來(lái)觸發(fā)MOSFET的導(dǎo)通。

6腳（GND）：地。柵極驅(qū)動(dòng)和信號(hào)回路的通路都應(yīng)該匯集到該地引腳端。

7腳（GD）：柵極驅(qū)動(dòng)輸出。圖騰柱輸出能直接驅(qū)動(dòng)MOSFET管或IGBT管，對(duì)源極峰值推動(dòng)電流是600mA，吸收電流時(shí)800mA。該腳的驅(qū)動(dòng)電壓被鉗制在12V左右，避免因CCU電壓過(guò)高而使驅(qū)動(dòng)電壓也升高。

8腳（CCV）：電壓供給IC內(nèi)部信號(hào)與柵極驅(qū)動(dòng)，供電電壓被限制在22V以下。

結(jié)語(yǔ)

網(wǎng)絡(luò)化智能調(diào)光LED隧道燈的突破意義就在于它將隧道內(nèi)燈具的開關(guān)與否以及亮度與車流量掛鉤，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)控制。通過(guò)傳感器采集詳細(xì)的車流量、車速等信息，通過(guò)算法進(jìn)行分析得出最合理的調(diào)光方案并通過(guò)無(wú)線通訊發(fā)送給燈具進(jìn)行控制。在運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)直接降低了維護(hù)的人工費(fèi)用、燈具的功率、線纜費(fèi)用以及燈具輸出功率，從而大大降低了初期建設(shè)費(fèi)用以及年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。這種控制方法不僅通過(guò)調(diào)光合理控制燈具工作狀態(tài)，同時(shí)根據(jù)人眼的視覺(jué)特點(diǎn)避免造成了車輛剛進(jìn)隧道式產(chǎn)生的炫目現(xiàn)象，使人眼平滑的從自然光過(guò)渡過(guò)來(lái)，大幅提高了安全系數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 韓直，基于等效亮度的公路隧道照明需求研究[J].中國(guó)交通信息產(chǎn)業(yè)，2007：11

[2] 周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛(ài)華.LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2006：12

[3] 周建，呂曉峰，楊洋.公路隧道LED燈照明系統(tǒng)無(wú)級(jí)調(diào)光控制方式研究[J].公路隧道，2010，（3）：10-13

[4] 王彥鋒，公路隧道照明節(jié)能研究田[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2009：5-7[5] 馬永強(qiáng)，李靜強(qiáng)，馮立營(yíng).基于ZigBee技術(shù)的射頻芯片CC2430[J].新器件新技術(shù)，2006，（3）：45-47