LED集魚燈PWM調光電路及集群控制研究

馮書慶 諶志新 徐志強 鮑旭騰

摘要：集魚燈是應用于廣域水面捕魚作業的集魚燈具，常安裝應用于船舷或一定水深位置隨船作業。本文設計了一種基于PWM控制技術的遙控調光LED集魚燈。經試制驗證，所述燈具燈光遙控可調，能完成單組128級、三組組合調光功能;通過預選燈珠，燈具有光譜分段選擇功能;燈具工作在直流32V低壓電壓下，有用電安全特性;所述燈具有集魚捕撈場景使用優勢和集群與智能控制功能，能夠實現智能集魚捕撈作業。

Abstract： Fish-collecting lamps are fish-collect devices used in fishing operations of wide water areas. When operation， the devices were usually installed at ship's side or at certain depth of waters. This article describes a design of a remote-controlled PWM dimming LED fish-collecting lamp， proved by test， the lamp has dimming function when controlled by remote controller， with 128 stages of dimming in single channel， and can be combined by the three channels in one lamp; when use certain lamp beads， the lamp also has spectral selection function; and， the lamp works with the power of DC32V， do no electric harms to human being. This lamp is suitable when used in fishing occasions and also has lighting cluster and intelligent control functions to fulfill intelligent fishing operation needs.

關鍵詞：PWM調制;LED;燈光遙控;燈光集群;燈光智能控制

Key words： PWM modulation;LED;lighting remote control;lighting cluster;intelligent dimming

中圖分類號：S973.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）21-0270-03

0? 引言

光誘捕魚，即是利用多數海洋生物趨光本能及索餌趨光特性而進行的魚群集魚及圍捕作業[1]。為適應廣域水面的高效捕撈，常采用燈光集魚的形式進行外海漁捕作業。使用時，集魚燈露天安裝于船舷周圍或投放至一定水深位置，完成光誘集魚工作。集魚燈需具備抗震、防水、用電安全等基本環境適應特性。

對魚群的生物趨光性研究知[2]，光誘捕魚對光源的光強有一定要求：以魷魚為例，光照光強0.1Lx-10Lx為最合適照度區域，且距水面不同深度時，光強要求不同，距水面較近區域的大照度光源集魚效果不強，反而更有可能驚散魚群;多數魚種的逐光特性僅限于可見光譜，而對350～400nm紫外波段和780～800nm紅外波段光則幾無趨光性;不同魚種對不同光譜的逐光性各不相同，使用特定光譜的集魚燈進行多模式光照集魚，有一定的魚種選擇功能。

1? 集魚燈概述及課題研究目的

傳統弧光集魚燈一般由高壓汞燈和金屬鹵素燈改制而成，有許多應用弊端，不利于漁業捕撈：①弧光集魚燈能效低功耗大。為滿足集魚光強要求，單船弧光集魚燈功率配置可達幾百千瓦，功耗占漁船總能耗的50%以上，能源消耗嚴重;②光效低、人體損害大。因鹵素燈光譜為全譜均勻分布，可見光外光（紫外線和紅外線）幾無集魚效果，但對人體損害很大，可造成皮膚黑斑、老化，甚至誘發皮膚癌等[3];③環境污染大。傳統鹵素燈燈具內的鹵素氣體對環境污染大;且因燈具玻璃封裝工藝，耐沖撞性不強，有易破碎缺點[4];④工作模式限制。因鹵素燈為燈絲高熱發光，光熱阻調整周期長、可控型差，不能適應爆閃等特定魚種模式集魚需要[5]。

考慮傳統集魚燈在漁捕應用中的諸多不利，課題研究設計了一種新型集魚燈，旨在改善上述傳統集魚燈的應用弊端，并根據魚群逐光的光強、光譜等生物特性，探討實現集魚燈的調光、調色等集群控制，為智能集群燈光集魚研究及驗證打下基礎。

2? LED集魚燈設計

考察當代集魚燈發展趨勢[6-7]，課題討論設計了一種LED集魚燈，系統框架圖如圖1所示。

以下按發光器件選型、嵌入式控制系統設計、信令接口及軟件設計等三個部分，詳細闡述LED集魚燈的電路設計及器件選型。

2.1 發光器件選型

LED固體光源是發光二極管（light-emitting diode）的簡稱，其發光原理為III-IV族化合物PN結電場致發光。LED照明光源具有高壽命、高光效、多光色、可調光及工作電壓低等優點，能較優秀的滿足漁捕集魚需要。

據數據手冊[8]，德國歐司朗（OSRAM）公司的DURIS系列白色燈珠的光強為最大516lm、功耗參數為DC31.5V/150mA、工作溫度-40～110℃，滿足集魚燈設計需求，課題選用該型發光器件為系統光源。

LED發光二極管的光譜分布受電流影響，會發生“藍移”現象。在一定范圍內增大電流，LED燈的光譜強度將增大。為保證LED發光光譜穩定性，當LED工作時，應以參數要求的驅動電流點亮LED燈珠。

2.2 嵌入式控制系統設計

2.2.1 CPU系統設計

Atmega8微控制器芯片是ATMEL公司的一款高性能8位AVR單片機，采用RISC指令處理結構，當工作在片內8MH時鐘時，MCU指令執行速度可達8MIPS[9]。Atmega8單片機自帶三通道PWM接口，并集成了兩個8位定時器，可應用于高精度PWM接口控制系統中。Atmega8的電源需求為單DC5V供電，對電路電源設計要求相對不高。

考查Atmega8單片機的電氣特性、結合LED集魚燈設計要求，選用Atmega8微控制器為集魚燈控制核心。

2.2.2 PWM調光及驅動電路

為滿足集魚燈調光需要、避免LED光源電流光譜“藍移”效應，及為降低集魚燈開關“頻閃”效應，設計LED光源為PWM脈寬電流調節調光、調制工作頻率為1kHz[10]。

選用MOS管器件為LED驅動電流的開關控制器件。MOS管工作在開關狀態時，具有開關頻率高、導通電阻低、壽命長等特點，適用于功率電路等的高頻開關控制[11-14]。考慮系統光源器件的工作電壓、電流及開關頻率等參數，選用DTS6400型NMOS管作為燈珠開關控制器件，該型MOS管的最大驅動電流為1.5A、源漏極最高耐壓60V、工作溫度為-55～150℃，符合電路參數要求。

項目采用IR2130S柵極專用驅動芯片對MOS管柵極進行大電流開關驅動，以縮短MOS管轉換時間、降低MOS管開關損耗，保證MOS管能在高頻下正常工作。

當需增大集魚燈的工作電壓和功率時，只需根據具體參數要求、更換其他型號的MOS開關管即可，控制電路具有通用性無需更改;上述設計方案可提高LED集魚燈型號譜系的擴展能力。集魚燈（單體）燈珠驅動通道設計為三組分別驅動，可組合完成光強的細膩調整;當三通道光源負載選用三基色LED光源時，可實現調色功能。

2.2.3 電源設計

集魚燈供電電壓為設計為DC32V，分析IR2130S驅動管電路、LED光源負載電路和單片機電路電源需求，采用DC-DC轉換器完成輸入電源32V至12V的轉換，使用7805穩壓器芯片將12V電源轉換至5V電源，滿足系統不同電路功能模塊的電壓功率需求。

電源部分設計了過流保護及濾波電容等，提高了系統的系統工作穩定性及電磁兼容性[15-17]。

2.3 信令接口及軟件設計

利用調幅技術，將信息信號調制于射頻載波上，可實現信息的電磁波無線傳輸。系統采用基于解碼芯片PT2272低成本成品模塊完成無線射頻調制信號的接收與解碼[18-19]。無線接收與解碼原理圖如圖2所示。

無線接收與解碼模塊的接口控制包含地址碼設置、數據輸出、OSC震蕩電阻設置等，分別完成尋址設置、數據輸出、載波頻率設置等。試驗系統設置采用地址設置為0（全空）、載波頻率315MHz，數據輸出4bit全接（支持16種控制命令）的方式，將無線模塊嵌入系統中，完成LED集魚燈無線控制功能。

使用無線地址編碼的方式，可實現多LED集魚燈無線組網控制。因無線模塊的地址設定共含有8bit，理論支持單網組網256只LED集魚燈的集群數量。

系統冗余設計了RS422協議信號傳輸通道，可應用于集魚燈有線集群網絡控制[20-21]。

系統軟件設計完成指令采集及系統三通道亮度分別調節功能、設計了斷電設置保存功能、設計了多種亮度預設自動漸變模式、爆閃模式等，實現系統設計目標。

3? 試制驗證與創新總結

所述LED集魚燈已完成產品設計與試制，具備遠程調光功能，達到預期目的。

3.1 驗證與對比

集魚燈燃亮效果見圖3所示。

集魚燈試制樣機已實現單通道0-128級調光、單燈三通道組合調光功能;實現漸變調光、爆閃調光等模式控制。光源器件選用紅綠藍三基色燈珠時，通過軟件控制，樣機實現了燈光調光調色功能。

與傳統集魚燈相比，所設計LED集魚燈具有如下應用優點：①LED集魚燈光效高，且光譜集中、可見光外光譜能量分布少，光譜分段可選，適漁性好;②LED集魚燈光源不含有毒氣體，燈珠采用透光環氧樹脂包裹密封電流致光PN結工藝結構制造，具有耐震動、抗沖擊、不易破碎特性，環境適應性好;③LED集魚燈工作電壓低（32V），不因漏電等故障傷害人身，用電安全;④應用PWM脈寬調制技術，對光強進行精細調節和靈活設置，可使LED集魚燈應用于不同濁度、水位的光誘捕撈作業中，應用優勢強;⑤LED集魚燈具有遙控功能和組網功能，可實現燈光的無線集群和有線組網。LED集魚燈與傳統弧光燈類集魚燈特性對比見表1所示。

3.2 創新性總結

經試制驗證，課題設計研制的LED集魚燈創新性主要體現在以下三個方面：①選用新型發光器件LED為集魚燈系統光源，所設計的集魚燈有效率高、光譜純凈、環境適應性及適漁性好等優點;②采用PWM脈寬調制技術完成集魚燈的光強光色無極細膩調整，保證了LED集魚燈光譜適漁優點;新增光強爆閃等集魚模式，拓展了集魚燈特定魚種的集魚應用;③低成本射頻無線遙控及RS422尋址組網控制接口設計，免去（減少）了集魚燈控制鏈路的物理布線，降低了燈光集群組網復雜度、極大程度的節約了船載空間，具有很大實用意義。

上述集魚燈的研制，是基于專家經驗庫的計算機燈光集群集魚智能控制系統的組成部分，是智能燈光集魚捕魚研究驗證的基礎。

4? 結語

LED集魚燈有低壓工作、光譜純凈、光效高、環境適應性好等優點，還有光強調整等控制功能。復雜場合應用時，可將多個單體集魚燈集群建構組建集魚燈網，完成燈光群集魚功能。集群作業時，結合漁場水文氣候、目標魚群等條件，利用專家知識經驗庫，可使用計算機自主計算最佳燈光光強與顏色分配組合、發送指令動態控制LED集魚燈群的光照及色彩，達到最佳集魚效果，完成現代智能捕魚燈光集魚需要[22-25]。

LED燈具的燈體與光路設計影響散熱和光線引導特性、影響燈具的壽命和光強分布效果[26-27]，也是LED型集魚燈設計的一個要點。因本文側重燈具電路設計描述，對燈體光路設計暫不多做介紹。

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