飛機新型頻閃燈控制策略研究

于子淇 周壁和 趙子磊 占 俊 杜海龍（指導教師）

（中國民航大學，天津300300）

1 研究背景

最初的防撞燈是采用白色旋轉信標，但隨著使用后人們逐漸發現，過亮的白色燈光會射入駕駛艙內產生使人暈眩的散射光，這會讓機組人員無法看清儀器儀表并長期工作于疲憊狀態，嚴重影響飛行安全，所以人們選擇使用紅色的濾光器來降低白光對機組人員的影響，隨著燈光技術的發展，防撞燈的功能和種類也得以擴展，如今的防撞燈主要分為旋轉信標和頻閃燈兩大類[1]。

如今，根據飛機取得合格證的時間不同，對防撞燈也有不同的審定要求，1977 年7 月18 日以后獲得審批的飛機，對防撞燈的各個方面都有了更加嚴格規范的要求。

2 頻閃燈概述

2.1 頻閃燈功能

頻閃燈常用于作飛機的防撞燈，作為飛機航行燈系統的組成之一，每架飛機都配備了兩個防撞燈，分別被設置在機身頂部與機腹部。按照規定，防撞燈一般情況下采用紅色燈光，只要飛機處于運行狀態，防撞燈就須工作。

2.2 頻閃燈的組成

頻閃組件由透鏡組件、組件模塊、監控模塊三部分組成，組件模塊由兩串，每串13 個的LED 和用來將LED 燈光分配到指定方向的反射器組成，透鏡組件用來增強射出的燈光。監控模塊包括了壽命計時和溫度檢測兩種功能，防撞燈壽命計時器都有經過預先編程，使得LED 燈在達到使用壽命時失效，根據對飛機的飛行計劃進行LED 壽命預測，每組LED 燈在符合標準的情況下將可以使用40000 小時，微處理器在監控LED 使用時間的同時監控LED 在整個使用周期內的溫度。

3 仿真模型

3.1 仿真軟件的選擇

本次設計將運用EDA 技術實現頻閃燈電路的仿真，目前在市面上被廣泛使用的EDA 仿真軟件有：PROTEL、EWB、VIEWLOGIC、PSPICS、GRAPHICS、LSLLOGIC 等等，本文選用的軟件是PROTEUS，PROTEUS 相較其它幾款軟件，可以仿真51系列、AVR、ARM 等常用的主流單片機，同時它還支持KEIL、MATLAB 等多種編譯器，功能完備且容易上手[2]。

3.2 變壓控制盒部分

3.2.1 變壓整流

頻閃燈變壓控制盒的控制電路主要功能是對飛機提供的115V，400Hz 的交流電進行變壓整流，為頻閃燈正常工作提供的所需直流電壓。

當飛機電源接入控制盒的控制電路時，最先進行的是對交流電的變壓和整流處理。頻閃燈組件由13 個額定電壓為5V 的LED 組件串聯而成，根據技術手冊規定，頻閃燈最低工作電壓為65VDC，變壓器次級繞組感量的計算公式如下

其中V1 是原邊電壓，V2 是副邊電壓，n1 為原邊匝數，n2 為副邊匝數，L1 為初級繞組感量，L2 為次級繞組感量。

經過變壓處理的電源需通過整流處理成為直流電以驅動LED。整流是利用二極管的單向導通性實現的，常用的整流方式有半波整流、全波整流和橋式整流三種方法。其中，橋式整流作為二極管半波整流的一種改進類型，具有整流效率高、穩定性好等優點，其電路結構圖如圖1 所示。

圖1 橋式整流電路原理圖

圖2 經各方式整流后的波形

對比半波整流的輸出波形，橋式整流將交流輸入小于零的部分全都變為正，半波整流則直接將交流輸入小于零的部分全部截止。橋式整流的輸出波形圖與全波整流的波形圖完全一致，但橋式整流電路中的每一只二極管所承受的最大反向電壓為變壓器次級電壓的最大值，僅為全波電路中的一半，經各方式整流后的波形如圖2 所示，圖中自上而下第一條為輸入的交流電的波形，第二條是交流電經半波整流的波形，第三條是交流電經全波整流后的波形，第四條為交流電經橋式整流的波形。

輸入的交流電經橋式整流后的電壓計算公式如下。

式中Vo是經整流后輸出直流電壓，Vi是整流前的交流電壓。

由此公式（1）、（2）、（3）計算可得，飛機提供給頻閃燈系統的電壓是115V、400Hz 交流電，當次級繞組感量為0.165H 時，變壓后電壓為46.3VAC，整流后輸出的直流電壓可滿足65VDC，即滿足頻閃燈正常工作時的需求。

3.2.2 放大電路

放大電路可以增加信號的輸出功率，它通常通過外部電源獲得能量，輸出與輸入信號一致的波形，但振幅要更強于輸入信號。推挽電路作為一種常用的放大電路，被廣泛的應用于各式開關電路及功放電路中，其電路主要由兩個參數相同、極性相反的晶體管或場效應管相連而成，其電路結構如圖4 所示。

圖4 推挽電路的基本結構

圖5 輸出波形圖

兩只極性相反的三極管均工作在線性放大區，共基極、共發射極，當輸入信號處于正半周期時，上方的NPN 管工作在導通狀態負責放大并將信號從發射極輸出，此時下方PNP 管處于截止狀態；而當輸入信號處于負半周期時，下方三極管導通，放大后的信號從發射極輸出，此時NPN 型三極管截止[3]。兩只三極管分別工作半個周期，其輸出的ic2、ic3波形分別如圖5 所示。

LED 組件需要較高的電壓進行驅動，故需要外加一偏置電路建立一定的直流偏置，使三極管工作在甲乙類狀態下，其電路結構如圖6 所示。

圖6 甲乙類電源互補對稱電路結構圖

當電路處于靜態時波形如下，其上為單片機輸出的PWM控制信號的波形，其下經放大電路放大后的波形。

圖7 放大電路的工作波形

3.2.3 單片機控制

單片機是一種超大規模集成電路技術，將具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM等功能集成到一塊芯片上，是一個體積雖小但功能完善的微型計算機系統。選用單片機作為控制器的主要原因是單片機具有集成度高、存儲空間大、外圍可擴展能力強以及控制能力出眾的優點。作為應用最廣泛的單片機之一，51 單片機系列一直廣泛應用于工業測控系統中，其穩定可靠的電路結構使它成為頻閃燈控制器的不二選擇[4]。

51 單片機作為電路的核心控制器，起到控制LED 組件閃光速度，閃光頻率及故障判斷的作用，需要使用到單片機自帶的定時器。51 單片機的定時器共有四種工作方式，本次設計選擇使定時器0 工作在方式1 來產生一個PWM信號。

圖8 PWM 信號產生的原理框圖

由于51 單片機外接的晶振頻率為11.0592MHz，所以51 單片機的一個機器周期為12/11.0592 微秒，為方便計時，需為定時器0 需要裝載一個初值，設每50 毫秒計入一次中斷程序，則這個初值應為0.05/（12/（11.0592*10^6）），即初值約為46080，設置好中斷定時后，根據手冊標準，頻閃燈的閃光頻率應在每分鐘42+3/-2 次之間，所以一個閃光周期約為1.43 秒且每個周期內LED 發光時間約為250 毫秒，閃光的占空比為15.5%～17.8%，對于單片機而言，由于每次中斷的定時為50 毫秒，所以大約每進入29 次中斷完成一個閃光周期，每次進入中斷后計數器加一，當計數器所計的變量Time 小于24 時，單片機通過2.1 腳輸出一個高電平，當變量Time 大于24 而小于29 時，單片機2.1 腳輸出低電平信號，當Time 等于29 時表明一個閃光周期結束，計數器歸零后重復上述操作，按控制規律變化的電位信號就是所需的PWM控制信號。

當PWM波輸出為高時，單片機會輸出一個+5V 的電信號，電流無法流通場效應管，LED 處于熄滅，當PWM 波輸出為低時，單片機引腳等效接地，場效應管導通，電流流經場效應管加在LED 組件兩端，LED 正常工作，至此一個閃光周期工作結束。

3.3 監控部分

3.3.1 溫度檢測

盡管LED 作為一種冷光源，它的發熱量相較白熾燈和氙燈有了顯著的下降，但狹小的安裝空間導致LED 燈及其電路中的電阻等元器件在工作時依然會積累不小的熱量，若溫度過高則會對電路產生損傷，甚至還會影響到飛機的安全飛行。為了保證頻閃燈能工作在正常溫度下，LED 組件需要對LED 燈串的溫度進行實時監測。

圖9 DS18B20 的封裝圖

DS18B20 作為最常用的數字溫度傳感器，具有抗干擾、體積小、精度高等優點，其工作范圍在-55℃～+125℃，更高的分辨率賦予它更高的測溫精度，獨特的單線接口方式且不需要任何外圍元件的輔助使得檢測電路無需設計的過于冗雜，十分適合作為頻閃燈系統的溫度檢測傳感器。（圖9）

當監控單片機所讀取的溫度超過預先設定的溫度值時，監控單片機的2.1 腳會被拉低至低電平監控用單片機的2.1 腳與控制電路的單片機的2.2 腳相連，當控制電路的單片機檢測到失效信號后，將會改變頻閃燈的工作周期及閃光頻率，并在閃爍約5 秒后熄滅。發生改變后的波形如圖10 所示，其中第一個是失效信號的波形，第二個是控制信號的波形，橫坐標每格為450 毫秒。

圖10 失效前后控制波形的對比

3.3.2 壽命監控

本設計選用51 單片機作為頻閃燈工作狀態的監控器。為了記錄頻閃燈的工作時長，首先需要51 單片機的計數器0 工作在方式1，依舊設置每50 毫秒進入一次中斷，當頻閃燈開啟時單片機開始計時，計時的最小單位為秒，所以每進入二十次中斷程序后，秒數自加1，若變量秒數大于等于60，則將變量秒數置零，變量分自加一，當變量分大于等于60 時，將變量分清零，變量時自加1，當工作40000 小時后，LED 開始逐漸出現光強不達標等失效表現，所以在變量時累加到大于等于40000 時，單片機的2.1 腳也會被拉低至低電平，頻閃燈的工作周期及閃光頻率發生改變并在持續約5 秒后熄滅，這一行為將保持到更換新的LED 組件為止。

3.4 仿真結果分析

根據測試標準對仿真電路進行檢測，使用直流電源替換交流電源接入頻閃等電路，開始仿真，當直流電源設置為65V 時，LED 燈組正常閃爍，將電壓升至100v 時，LED 亮度增加，閃爍頻率依舊為每分鐘42 次。在檢測變壓控制盒時，將輸入控制盒的交流電壓設置為115V、400Hz，使用示波器對控制盒輸出的電流進行監測，觀察其波形符合圖11 要求，測試使用的負載燈滿足按每分鐘40～45 次的頻率標準閃爍，所以仿真電路整體設計滿足使用頻閃燈的使用需求。

圖11

4 結論

本設計所做的是對飛機新型頻閃燈控制策略的研究及建模仿真，為了使頻閃燈能精準可靠的工作，頻閃燈控制電路需要完成對輸入交流電的整流、變壓、產生控制信號和對控制信號的放大等功能。

首先，控制電路需要將輸入的交流電變壓整流成電路所需的直流電提供給單片機和LED 燈，控制芯片需要實現單穩態觸發多諧振蕩的功能來輸出符合要求的PWM信號，PWM信號經放大電路放大后控制場效應管的通斷，進而控制頻閃燈的閃爍周期及閃光時長，監控芯片則需要實現計時器的功能并且需要與頻閃燈同步工作，當不滿足頻閃燈正常工作的條件時發出失效信號表明頻閃燈處于失效狀態，而控制芯片則需要對失效信號做出相應的反應以提醒機組和維修人員頻閃燈故障。