版軌道車輛車廂的LED照明控制系統設計

付來

摘要：我國這幾年大力進行基建，鐵路網四通八達，鐵路里程早已躍居世界前列。但是與此同時也存在一些問題，軌道車輛的照明設備老舊嚴重，多年得不到更新換代，乘客的視覺感受得不到質的提升，這與前者形成了強烈對比。所以當前的照明設備急需得到更換，以滿足日益增長的照明需求。隨著現代照明技術的發展，照明設備，照明手段，照明規模大小等的復雜程度大大提高，對其照明功能和質量也有了更高的要求。現有的LED照明已經越來越不能滿足人們的日常需求，所以利用最新的計算機技術及照明計算軟件進行照明設計的建模和仿真，研究開發高效、節能、環保的軌道車輛車廂LED照明已經顯得必不可少。

關鍵詞：LED照明系統;EMC濾波電路

第1章 ?軌道車輛車廂LED照明驅動電源的探討

1.1軌道車輛車廂LED照明對電源的需求

LED驅動電源對于LED來說有著舉足輕重的作用，因此，對其的功能特性有著極為嚴格及特殊的要求，滿足完美適配的條件包括以下幾點：具有較高的可靠性、高效率、采用恒流驅動、高功率因數、散熱性好、浪涌保護性強、壽命長、采用PWM脈寬調制等。

1.2LED驅動電源的各部分設計方案

驅動芯片部分：經過比對市面上的各種適用類產品，我最終選擇了一款成熟的經過市場檢驗的芯片-PT4107，該芯片優點良多，完美適配我接下來的電路設計。是EMC電路設計：為了降低電路中產生的多余電磁干擾，我要加上電磁兼容濾波器，使得電流經過第一道安檢之后不那么狂躁，更加柔和的為LED照明服務。

整流濾波電路設計：因為直接相連220V的工頻交流電，不能直接給LED照明使用，所以需要將交流電先整流濾波轉換成直流電，然后給LED供能。所以整流濾波電路的加入就顯得必不可少。

PFC電路設計：功率因數主要與效率相關，它指的是有效功率和總耗電量之間的比值，它的數值大小正向代表了電能轉化效率高低。

降壓穩壓電路設計：驅動芯片需要的電壓比較小，整流后需要降壓處理，降低到18V-20V的可適用電壓范圍，所以該電路的設置就尤為重要。

DC/DC變換器電路設計：這一部分我采用單端正激式模式，特點是僅僅在整個電路中使用一個MOS管。

1.3對驅動電路進行仿真分析

經過比對常用的電路仿真軟件，最后決定利用Proteus進行仿真。我們將所需要的各個零部件都從軟件庫中提取出來，然后將電路圖中的驅動芯片替換為我們設計的版本進行設置。接著開始進行仿真：

第一步：在交流輸入端輸入220V，頻率為50Hz的正弦激勵源信號。

第二步：選擇全波整流電路，濾波電路選擇80Hz大小的濾波，電容選為100nF。

第三步：在DC/DC變換器中，電感選為30H，電容選擇500pF，在輸出端負載選擇用500Ω的電阻代替LED燈具。

第四步：驅動芯片鎖存器振蕩信號輸入端加載頻率為1kHz始終激勵源信號。

第2章 ?軌道車輛車廂LED照明控制方法的研究

2.1軌道車輛車廂LED照明控制系統設計方面

2.1.1選擇合適的LED照明方案

當前階段車輛車廂照明是以車廂為單位進行的，每個車廂都是獨立的采取控制，可以同時開關整個車廂的照明設備，開啟和熄滅的燈交替，以此來減少電能消耗，從而節省成本。隨著LED照明技術的不斷應用和發展，傳統方式已經跟不上當代所需，所以新的技術的出現已成必然之勢。采用集中供電和自適應照明方案就是其中的佼佼者。軌道車輛車廂照明的發展方向是最終實現智能調節光照強度，通過協調與控制器之間的通信問題。比較傳統的控制方法是在各個車廂中設置控制裝置，將電氣設備置于其中，由工作人員進入其中手動操作，這種方式操作比較繁瑣，低效，非常落后。而我將要介紹的方案則大大優化了該部分的程序操作，提高了工作效率。

2.1.2集中式控制方法

集中式控制方法是在軌道車輛的一節車廂中設置一個總控制室，然后將所需要的控制裝備安裝在其中，以此來調控和檢測車輛中全部車廂的照明情況，不再需要其他多余的控制室。傳統的開關加上繼電器的方法已經落后，能夠實現的功能較為簡單，但是操作卻極其復雜，浪費了大量的人力，早就該得到淘汰。所以傳統手工操作已經落伍，如今各種智能設備如雨后春筍般出現，實現去除人工，達到智能自動控制的目的變得越來越可行。集中控制的優點還在于給列車節省了大量的空間，集中控制便于檢測和調控，在實際操作方面，使用智能化設備，簡單快捷，解放了人工，只需要配備一名工作人員就能夠實現對整輛車的有效有序的燈光管理，此外如果開啟自動調節模式，甚至不需要人工便可以實現自動調控，這真是大大節省了成本。

2.2控制系統通信方式的選擇

通過對比各類通信方式，最終決定選用CAN總線通信方式，CAN中文含義是控制器局域網絡，其通信方式屬于串行通信，其優點突出，在國際上使用也比較廣泛，經過實踐的檢驗，可靠性高，具有錯誤檢測能力，在各種極端條件下都能夠正常工作，。優點如下：網絡各節點之間的數據通信實時性強、已經形成國際標準、產品開發周期有效降低等等。使用CAN總線通信方式會讓我們的控制系統更加高效穩定的工作，對信息的處理能力更加快速，精確，從而使得整個電路的協作能力更加突出，使得LED燈光的調控游刃有余。

2.3控制系統的選擇

通過對比市面上適用的單片機，從價格、穩定性、平均使用壽命等考慮，在眾多產品中我最終選擇了STC89C51單片機。其性能優良，最高工作時鐘頻率為80MHz，其內含的Flash只讀程序存儲器可反復使用，并且不會影響其反應速度和靈敏度，從而降低了更換的頻率，節約了成本。除此之外，內部還集成了8位中央處理器，功能非常強大，可以同時多路進行信息處理，存儲單元則是ISP Flash存儲單元，和PC端的程序可以進行交互體驗。最大的優點是可以將所需要的程序代碼直接下載進單片機內部，從而不再需要額外增加通用編程器。

2.4光亮處理模塊設計

該部分一共設計了三個板塊，包括ADC0809和單片機的相連圖、一個提供脈沖信號的4分頻電路和亮度采集電路等，這三個部分互相緊密連接，功能強大。我們采用的單片機外部晶振固定頻率是2MHZ，所以頻率只有幾百kHZ的ADC0809需要一個4分頻的電路實現500kHZ的脈沖信號供給，然后才能正常工作。對于四分頻電路部分，我選用了74LS74，其時鐘上升沿觸發。在工作過程中，當信號采集器采集到車廂中的亮度以后提交給ADC0809，后者將其由模擬信號轉變為數字亮，然后通過D0-D7引腳傳送到P0口，單片機識別后再進行下一步的操作。

第3章 ?結論

在通過參與對軌道車輛車廂LED照明系統整個設計流程之后，我從這個過程中所做的研究工作如下：通過閱讀相關文獻了解了LED的發光特性，LED的發展歷史，以及在照明領域的獨特地位。讓我認識到了LED在今后發展的巨大潛力，以及當前我國在該項技術上的不足以及優勢;通過對LED照明特性的分析，選擇了最合適的LED驅動電源，采用了恒流式驅動電源的最佳方案，同時通過層層篩選，最終決定選用PT4107作為應用芯片，該芯片的優良性能完全能夠滿足使用要求，并由此設計出了LED驅動電源電路圖。

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