網絡化智能調光LED隧道照明系統

摘要：本課題的主要研究內容是根據《公路隧道通風照明設計規范》要求研究設計了網絡化智能調光LED隧道燈控制系統。照明燈具采用可調光的LED光源，結合無線通信模塊搭建無線燈具網絡，以及控制系統輸入參數采集的無線傳感器網絡；系統通過傳感器網絡采集洞內外亮度，車速車流量作為控制輸入參數，經監控計算機處理實現隧道照明的實時調光控制[1]。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/197922.htm

關鍵詞：LED；隧道燈；調光；網絡化

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LED驅動電路、LED調光電路、傳感器驅動電路、通信模塊以及數模轉換模塊。目前已完成以紅外傳感器控制的調光LED隧道燈樣品的部分設計。

LED隧道燈恒流源驅動電路

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、功率調節電路、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，該芯片內置兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器。通過采集LED燈上的電流電壓輸入到放大器中與基準電壓作比較，比較結果輸出到光耦。光耦導通狀態的變化對功率調節模塊進行影響。

功率調節模塊以L6562為控制芯片。當由于某種原因LED電流減小時，通過LM358輸出到光耦，光耦放大后輸出給L6562。芯片對輸入信號進行反相處理，輸出脈沖寬度增大。寬度增大的輸出脈沖驅動功率轉換級的開關管，進行一次PWM調節，通過增加占空比的方式使次級輸出電壓增加。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，其控制過程相反[2]。

調光模塊設計

調光模塊采用NE555組成的延時開關電路，該模塊接收傳感器的輸出信號，通過電容充放電實現延時功能。NE555輸出端接光耦，功能類似于開關，光耦另一端電路通過改變LM358的基準比較電壓來改變運算放大器的輸出，進而控制功率調節模塊達到調光的功能。

傳感器模塊設計

傳感器可使用紅外或微波檢測，可放置于隧道口或集成到燈具中。當傳感器集成在燈具中時，可將檢測車輛的信號直接輸入到調光模塊的輸入端。如果將傳感器放置于隧道口，則可以檢測車流量以及車速等信息。并將該信息發送到上位機通過算法對調光模塊進行遠程控制。

控制器設計

驅動電路

變壓器次級線圈感應電壓經二極管整流，兩個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組成電壓控制環路。TL431是精密電壓調整器，陰極K與控制極R直接短路構成精密的2.5V基準電壓。2.5V基準電壓由電阻R36送到U3B正相輸入端；而反相輸入端則由R34、R35的分壓比來設定。若輸出電壓上升，則R35電壓也上升，該電壓與反相端2.5V基準電壓比較，U3B輸出誤差信號，該信號流入光耦中的LED，進而通過反饋控制網絡控制一次PWM輸出占空比，使輸出電壓工作在恒壓狀態。

恒流電路工作原理：U3A、TL431、R45、R32、U3、PC817組成電流控制環路。R45是輸出電流取樣電阻，輸出電流在R45上產生R45/ IOUT的電壓降。該電壓送到U3A的反相輸入端，而2.5V基準電壓則由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基準電壓分壓電壓進行比較，輸出誤差信號改變光耦LED中的電流，進而通過反饋控制網絡控制一次PWM輸出占空比，使輸出恒流。采用由放大器組成的恒壓、恒流控制電路可實現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，對電路轉換效率基本無影響。

供電部分

EMI輸入電路工作原理：交流電輸入經過串聯NTC熱敏電阻。NTC的電阻值隨溫度升高而減小，這樣在開機一瞬間避免了輸入電流過大。并聯在交流兩端的壓敏電阻TUR1的作用是抑制浪涌電壓。當壓敏電阻器兩端所加電壓低于標稱額定電壓值時，壓敏電阻器的電阻值接近無窮大，內部幾乎無電流流過。當壓敏電阻器兩端電壓略高于標稱額定電壓時，壓敏電阻器將迅速擊穿導通，是輸入短路，保護后邊的電路。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，整流后經過L1濾波，R21的作用是斷電后泄流，避免斷電后電感內部電流對人造成傷害。

DZ、D4、R20、C7的作用是保護芯片。當晶體管斷開時，變壓器初級線圈產生的反擊電壓脈沖將會與輸入電壓疊加，同時加到Q1的D、S兩端，此時二極管D4導通，并對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吸收電壓產生的積累電荷泄放，為下次吸收做準備。

調光模塊[3]

無論調光模塊是直接從傳感器接受脈沖信號還是接收轉換為模擬量的控制信號，該控制信號經過電容流向NPN三極管的基極，導通三極管。三極管導通后2腳處于低電平狀態，7腳外接電容瞬間放電，同時3腳處于高電平。此時PNP三極管由導通狀態變為關斷狀態，光耦也由導通狀態變為關斷狀態。由于三極管導通只是瞬時狀態，再次關斷后，電容開始充電，充電速度由變阻器決定。當電容充電到一定電壓時，2腳電壓恢復高電平，3腳輸出變為低電平，PNP三極管導通，光耦導通。

功率調整模塊[4]

由于某種原因使LED電流減小時，恒流電路采集到變化（減小）的電流值，進行誤差放大后，通過控制PC817的導通狀態，輸出給功率調節電路。功率調節電路中的L6562芯片對輸入信號進行反相處理，輸出脈沖寬度增大。寬度增大的輸出脈沖驅動晶體管Q1，從而使得初級線圈中電壓增大，進而次級輸出電壓增加。這樣，LED兩端的電壓也增大，于是流過LED的電流也增大，這就維持發光二極管的電流恒定。同樣，若由于某種原因使發光二極管的電流增大時，其控制過程相反。這種恒流驅動器的優點就在于：不管LED的管壓降差異有多大，其結溫和環境溫度的變化引起二極管的電流變化有多大，都能通過高速的恒流電路的快速調整，來維持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。補償網絡設置在該腳與INV端（1腳），以完成電壓控制環路的穩定性和保證有高的PF值與低的諧波失真（THD）。

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

4腳（CS）：輸入到PWM比較器。MOSFET管電流流過取樣電阻，在電阻產生電壓降，該電壓與內部的正弦電壓形成基準信號，與乘法器比較來決定MOSFET的關閉。

5腳（ZCD）：升壓電感去磁偵測輸入端。工作在臨界傳導模式，用負極性信號的后沿來觸發MOSFET的導通。

6腳（GND）：地。柵極驅動和信號回路的通路都應該匯集到該地引腳端。

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

8腳（CCV）：電壓供給IC內部信號與柵極驅動，供電電壓被限制在22V以下。

結語

網絡化智能調光LED隧道燈的突破意義就在于它將隧道內燈具的開關與否以及亮度與車流量掛鉤，進行實時監測實時控制。通過傳感器采集詳細的車流量、車速等信息，通過算法進行分析得出最合理的調光方案并通過無線通訊發送給燈具進行控制。在運行過程中，系統直接降低了維護的人工費用、燈具的功率、線纜費用以及燈具輸出功率，從而大大降低了初期建設費用以及年運營費用。這種控制方法不僅通過調光合理控制燈具工作狀態，同時根據人眼的視覺特點避免造成了車輛剛進隧道式產生的炫目現象，使人眼平滑的從自然光過渡過來，大幅提高了安全系數。

參考文獻：

[1] 韓直，基于等效亮度的公路隧道照明需求研究[J].中國交通信息產業，2007：11

[2] 周志敏，周紀海，紀愛華.LED驅動電路設計與應用[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燈照明系統無級調光控制方式研究[J].公路隧道，2010，（3）：10-13

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