基于單火線的LED照明燈調光系統設計

陳海東，凌　云，黃文威，馮　磊，張曙云

（湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

基于單火線的LED照明燈調光系統設計

陳海東，凌云，黃文威，馮磊，張曙云

（湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

針對目前LED照明燈調光系統難以實現多檔無級調光的缺陷，設計一套由亮度信號給定模塊、亮度信號接收模塊、亮度調節驅動模塊來實現LED照明燈調光系統。該系統采用雙向晶閘管交流移相電路輸出正負半波缺失的亮度信號電壓波形，然后將其轉換成2位三進制亮度數據，再通過單火線將該亮度信號發送到亮度信號接收模塊，由微控器對亮度信號進行識別捕獲并輸出占空比可調的PWM信號，最后PWM信號通過LED驅動器對LED照明燈亮度進行調節，實現了0～100%的多檔無級調光控制。通過實驗驗證了該調光系統的可行性，達到了預期效果。

LED照明燈；雙向晶閘管；單火線；微控器；PWM

0　引言

目前，常用的LED照明燈調光方法有以下3種。1）旋鈕調光控制。它使用的是分壓原理，在110～220 V之間，根據電壓的等級進行調光。該方法應用簡單，不產生任何干擾。缺點在于不靈活、效率低，而且在降低LED照明燈電流時，會引起白光LED照明燈向黃色光譜偏移，同時還會因為分壓產生過多的熱量。

2）單火線通斷開關控制。例如，采用NU102專用芯片，利用普通墻面開關在規定時間內動作，實現對LED照明燈的亮度調節。該方法只提供4檔LED照明燈的調節亮度，對時間也有要求。

3）遙控器控制。遙控器控制主要以單片機為控制芯片，利用光敏二極管采集光亮度，并運用脈寬調制（pulse width modulation，PWM）技術實現照明燈的亮度調節。通過紅外編碼、解碼實現主從機通信，并且具有記憶存儲功能，分為睡眠/工作2種模式。外圍電路具有簡單、驅動能力強、效率高的特點。其缺點是一個LED照明燈需要配備一個遙控器，造成了遙控器數量多、管理麻煩、成本也偏高。

目前，LED照明燈驅動器，主要采用PWM調光方法控制LED照明燈的亮度［1-2］。PWM調光方法主要是采用脈沖恒流源，通過改變脈沖寬度進而改變LED照明燈的亮度。因為LED照明燈的發光強度與PWM信號的占空比成正比，所以只需改變占空比就能夠改變LED照明燈的亮度。通過PWM調光可以精確地控制LED照明燈的亮度，并且不會產生任何色譜偏移。

根據當前一些調光方法存在的缺陷，本研究設計一種靈活、高效、經濟的調光系統。該系統采用PWM調光的方法，通過周期性地開啟和關斷LED照明燈，來改變導通電流的時間，從而改變電流的平均值，使LED照明燈的平均亮度發生改變。該系統不需要重新布線，在原有單火線布線的基礎上可以實現對LED照明燈進行多擋、無級調光。

1　總體方案設計

LED照明燈調光系統結構如圖1所示，由亮度信號給定模塊、亮度信號接收模塊、亮度調節驅動模塊三部分組成。

圖1　LED照明燈調光系統結構圖Fig. 1　Structure diagram of LED lamp dimming system

單火線具有傳輸電能和亮度信號的功能，亮度信號給定模塊產生的亮度信號通過單火線AC1傳送給亮度信號接收模塊。亮度信號接收模塊接收單火線AC1傳送的亮度信號，并轉換為PWM脈沖送至亮度調節驅動模塊，亮度調節驅動模塊根據PWM脈沖控制LED照明燈的驅動電流［3］，從而實現對LED照明燈亮度的調節。

2　系統硬件設計

2.1亮度信號給定模塊

2.1.1三進制亮度信號和引導波形

通過把正弦波交流電壓的正負半波分成3份不同的移相角，用2位三進制數值表示亮度信號等級，如圖2所示。移相角對應的三進制數碼值分別為2， 1， 0。當亮度信號給定模塊產生亮度信號時，會造成正負半波部分波形的缺失，它們缺失的部分所對應的移相角為中的一個，其中例如正半波移相角對應的部分缺失和負半波移相角對應的部分缺失，所對應的2位三進制亮度信號等級數值為20。因此從低到高9檔不同的亮度信號等級所對應的2位三進制數值是00， 01， 02， 10， 11， 12， 20， 21， 22。典型取值：，它們對應的導通時間分別為7.5， 5.0， 2.5 ms。

圖2　三進制 角示意圖Fig. 2　Schematic diagram of alpha angles in ternary system

亮度信號接收模塊根據引導波的出現來判斷是否接收單火線AC1傳送的亮度信號等級。引導波形由一個不導通的負半波或者是一個不導通的完整波形緊接著一個完整導通的正半波組成［4］，如圖3所示。引導波的后面跟著亮度信號波形。

圖3　引導波形示意圖Fig. 3　Schematic diagram of guiding waveform

2.1.2單火線電源模塊和亮度信號的產生

亮度信號給定模塊電路如圖4所示。單火線電源模塊主要是由穩壓器U1、低壓穩壓器U2、電感、電容等組成。該電源模塊主要是把AC端輸入的220 V的交流電壓通過整流降壓變為3.3 V的直流電壓，給亮度信號模塊供電。U1選擇的型號是MP-6V-02S，U2選擇的型號是HT7233。

亮度信號給定模塊主要是由BCD旋轉編碼器、單片機、可控硅光耦、雙向晶閘管等組成。該模塊是用來產生不同亮度信號等級的電壓波形，然后通過單火線AC1傳送出去。BCD旋轉編碼器輸出BCD編碼0001～1001給單片機P2.1～P2.4的端口，其中BCD編碼0001～1001對應1～9檔不同的亮度等級。單片機在根據P2.0接收到的過零檢測信號［5-6］，通過P1.1端口輸出的觸發信號控制可控硅光耦導通，根據可控硅光耦導通的時間，來控制雙向晶閘管V1導通角的大小，從而控制AC1輸出不同的亮度信號波形。

圖4　亮度信號給定模塊電路圖Fig. 4　Diagram of luminance signal circuit of a given module

亮度信號給定模塊輸入的是正弦波交流電，在沒有給定亮度信號時，AC1輸出的是完整的單相正弦波形。

亮度信號波形示例如圖5所示，其中圖5a是亮度等級為4的亮度信號波形。單片機控制模塊隨機停止觸發信號輸出的時刻在交流電壓負半波期間時，單火線AC1發送由一個不導通的負半波，緊接著一個完整導通的正半波組成的引導波。過零檢測模塊檢測到過零信號后，觸發的負半波移相角是90°。過零檢測模塊檢測到下一個過零信號后，觸發的正半波移相角是135°。亮度信號等級所對應的2位三進制數值為10。

圖5b是亮度等級為8的亮度信號波。單片機控制模塊隨機停止輸出觸發信號的時刻在交流電壓正半波期間時，單火線AC1首先發送由一個不導通的完整波，緊接著一個完整導通的正半波組成的引導波。過零檢測模塊檢測到過零信號后，觸發的負半波移相角是45°。過零檢測模塊檢測到下一個過零信號后，觸發的正半波移相角是90°。亮度信號等級所對應的2位三進制數值為21。

圖5　亮度信號波形示例圖Fig. 5　Sample graph of luminance signal waveform

2.2亮度信號接收模塊

亮度信號接收模塊電路如圖6所示。亮度信號接收模塊主要是將接收到的亮度信號轉化為數字信號輸入單片機，然后單片機將數字信號進行處理和存儲輸送給亮度控制調節驅動模塊。

圖6　亮度信號接收模塊電路圖Fig. 6　Circuit diagram of luminance signal receiving module

由二極管、電容、電阻、穩壓管等組成的單片機供電模塊向單片機U5提供直流電源VCC，單片機U5中P2.0和P2.1具有信號的捕獲功能。單片機根據正負半波導通角的大小，判斷識別亮度信號等級。正負半波整流整形電路主要是把正負半波的導通角波形整形成相對應的矩形波，矩形波的寬度隨著導通角大小的改變而發生變化［7］。

正半波整流整形電路由二極管D7、電阻R7、穩壓管DW3組成，主要是對正半波整流整形［5］。當初始亮度等級設置為4，穩壓管D3陰極得到寬度接近10 ms的低電平脈沖信號，經過10 ms得到寬度接近10 ms的高電平脈沖信號，再經過一段時間，穩壓管DW3陰極得到的高電平脈沖信號寬度接近2.5 ms，該脈沖信號被送至單片機U5的捕捉比較輸入端P2.0。

負半波整流整形電路由二極管D8、電阻R8、穩壓管DW4組成，主要是對負半波整流整形。當初始亮度等級設置為4，穩壓管DW4陰極得到寬度接近10 ms的高電平脈沖信號，經過10 ms得到寬度接近10 ms的低電平脈沖信號，再經過一段時間，穩壓管DW4陰極得到的高電平脈沖信號寬度接近5 ms，該脈沖信號被送至單片機U5的捕捉比較輸入端P2.1。

單片機檢測出P2.0輸入脈沖信號寬度為2.5 ms，檢測出P2.1輸入脈沖信號寬度為5 ms，對應的2位三進制數值為10，可以判斷有亮度信號等級為4的控制信號。單片機U5把捕獲到的亮度信號波形通過其內部A/D轉換器轉換成PWM脈沖波形，通過PWM輸出端P1.2輸送給LED驅動模塊進而對LED進行調光，使LED照明燈亮度為44%。把LED亮度等級分為1～9，通過改變BC D旋轉編碼器輸出的編碼0001～1001，控制LED照明燈的亮度，從而實現了LED照明燈的亮度從0到100%的調節，也就實現了多擋、無級調光。

本研究設計的LED照明燈調光系統，采用的控制單片機型號是MSP430G2553。

2.3亮度調節驅動模塊

亮度信號驅動電路如圖7所示。

圖7　亮度信號驅動電路圖Fig. 7　Circuit diagram of brightness signal drive

該電路由二極管、電容等組成的電源電路給LED驅動器U6供電。亮度調節驅動模塊用于將亮度信號接收模塊產生的PWM脈沖波形加以處理［8-9］，并驅動 LED 照明燈顯示相對應的亮度。本研究通過對LED驅動器的使能控制端PWM_D輸入PWM脈沖信號，進而通過增強型NMOS管來控制系統的開關。LED驅動器U6的型號為HV9910。

3　系統軟件設計

通過控制單火線輸出端輸出的電壓波形來發送亮度控制信號，其方法如圖8所示。

圖8　亮度信號發送控制方法Fig. 8　Brightness signal transmission control method

亮度調節驅動模塊由單片機接收亮度信號［10］并控制亮度，其方法如圖9所示。

圖9　亮度控制調節方法Fig. 9　Brightness control adjustment method

4　系統測試結果

通過BCD旋轉編碼器輸出0000～1001的亮度等級對LED進行調光，利用照度計測試LED燈的光照度。測試結果見表1。

表1　LED燈光照度測試結果Table 1　Test results of LED illumination intensity

在PWM調光時，LED平均電流的最大值Imax=700mA，最小值Imin=100 mA； 最大占空比Dmax=100%，最小占空比Dmin=10%。其關系式為

式（1）～（2）中，I是LED照明燈在未改變占空比大小時的電流。

PWM調光時，輸出平均電流與占空比的特性曲線如圖10所示。

圖10　Iavg與D的關系Fig. 10　Relationship diagram of the average output and current-duty ratio

由表1和圖10可知，本研究所設計的LED照明燈調光系統，有較多的檔位選擇并且能夠實現無級調光，改變了目前調光系統無法實現多檔無級調光的狀況。

5　結語

本研究所設計的單火線LED照明燈調光系統有如下特點。

1） 采用單火線方式控制LED燈亮度，無需遙控器，無需控制線，也不用重新敷設電源線。

2） 單火線上的亮度控制信號僅僅是在改變亮度時進行短時發送，LED燈處在點亮狀態且不發出亮度控制信號時，單火線輸出端輸出的電壓波形為連續完整的單相正弦波，沒有諧波。

3）LED照明燈亮度調節共分9檔，采用旋鈕裝置調節，符合操作習慣。

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（責任編輯：鄧光輝）

Design of the Dimming System of Single Live Wire LED Lighting Lamps

CHEN Haidong，LING Yun，HUANG Wenwei，FENG Lei，ZHANG Shuyun
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

A LED lighting system， based on the luminance signal sending module， the luminance signal receiving module， and the rightness adjustment module， has been designed to overcome the defects of current LED lighting dimming system， which fails to regulate the multi-grade stepless dimming. A bidirectional thyristor alternating current phase shift circuit has been adopted by this new system for an output in voltage waveform of a luminance signal with positive and negative half wave loss， which signal will be converted into luminance data based on double-digit ternary system. The converted luminance signal， then via a single live wire， will be sent to the the luminance signal receiving module， where it will be captured， identified and converted into a PWM signal with an adjustable duty ratio by a micro-controller. The PWM signal， sent out by the LED drive， is able to adjust the brightness of LED lighting lamps， thus realizing the multi-grade stepless dimming control within the range of 0～100%. The feasibility of the dimming system has thus been verified by experiments， with the desired results fully achieved.

LED lamp；bidirectional thyristor；single live wire；micro-controller；PWM

TM923.3

A

1673-9833（2016）03-0049-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.03.009

2016-03-31

湖南省教育廳科研基金資助項目（15C0404），湖南工業大學研究生創新基金資助項目（CX1502）

陳海東（1990-）男，安徽碭山人，湖南工業大學碩士生，主要研究方向為電力系統自動化，E-mail：771840845@qq.com

凌云（1965-）男，湖南平江人，湖南工業大學教授，主要從事復雜工業過程建模與優化控制，單片機及嵌入式系統應用等方面的研究，E-mail：l_yun888@126.com