軌道車輛車廂LED照明控制系統

郝明亮， 姜艷青， 尹曉靜， 王華振， 高 智

（1.長春研奧電器有限公司，吉林長春 130012；2.長春工業大學機電工程學院，吉林長春 130012）

軌道車輛車廂LED照明控制系統

郝明亮1， 姜艷青2， 尹曉靜2， 王華振2， 高 智2

（1.長春研奧電器有限公司，吉林長春 130012；2.長春工業大學機電工程學院，吉林長春 130012）

結合LED節能環保、超長壽命的優點，采用了恒流驅動方式。以STC89C51單片機為控制核心，采用PWM技術對LED燈發光強度進行控制，通過亮度傳感器采集車廂內的亮度信息，對車廂內LED照明系統進行亮度調節。仿真結果表明，系統LED發光亮度均勻，達到了設計要求。

軌道車輛；LED照明；PWM技術；LED交流驅動器

0 引 言

隨著科技的進步，軌道車輛技術發展迅猛，我國高鐵的速度不斷被刷新，乘坐軌道車輛旅行已成為人們生活中的一部分。生活水平的不斷改善促使人們對乘坐軌道車輛旅行的質量要求也越來越高，這其中就包含車廂環境的照明要求。

目前，我國軌道車輛車廂照明大都采用的是熒光燈。但是熒光燈壽命較短，旅行生活中經常會遇到燈管損壞的現象，且往往得不到及時更換，給旅客的旅行生活造成許多不便。同時，能源日趨緊張和環境的日益惡化促使人們更多的去尋求節能環保的能源利用方式。LED具有效率高、壽命長、抗振性能好以及環保等優點［1］，它將電能轉化成光能的效率是白熾燈的10倍以上，也是目前廣泛應用的日光燈的2到3倍以上［2］，并且還有很大的發展空間。在壽命方面，LED燈的壽命在50 000h以上，與壽命只有數千小時的白熾燈和熒光燈相比較，優勢顯而易見。同時，LED不像易碎且包含有害氣體的日光燈那樣，對環境無污染，可以稱得上是綠色光源［3］。因此，將具有超長壽命的LED用在軌道車輛的車廂照明中，不僅可以節約電能，節省運營成本，而且減少了頻繁更換燈管的繁瑣工作。為了實現LED在軌道車輛車廂照明中的應用，設計了一種用于軌道車輛車廂的LED照明控制系統。通過對軌道車輛供電原理的分析，確定了一種解決軌道車輛LED照明的方案。以單片機為控制核心，將亮度采集模塊采集到的環境亮度信息進行處理，通過一定的算法生成具有不同占空比的PWM數字脈沖，將該信號傳遞到LED驅動器，實現了對LED燈亮度的調節。

1 軌道車輛車廂照明原理分析

軌道車輛照明用電來自外部供電系統。電能由發電廠輸送到牽引變電所，再由牽引變電所送到鐵路沿線的接觸網。軌道車輛上部的受電弓與接觸網的供電線路接觸，電能經過受電弓被引入軌道車輛的電器設備，其原理如圖1所示。

圖1 軌道車輛照明供電原理

在電能傳輸每一個環節都會進行一定的電壓變換。由牽引變電所輸出的接觸網上一般是十幾千伏至幾十千伏的交流電或直流電，經受電弓引入列車后，由列車上的變壓設備將該電能一部分降壓成380V的交流電，用于牽引動力部分的消耗；另一部分則是由輔助逆變器轉換成220V的交流電或者110V的直流電，用于列車內的照明以及其它車載電器設備使用［4］。軌道車輛的照明系統采用220V的交流電或110V的直流電具有很多優點，這樣可以使得車載燈具及其它電器設備與普通市電照明的燈具具有良好的互換性，給相關產品的設計和研發帶來極大的方便。

2 控制系統總體設計

軌道車輛車廂LED照明控制系統由主供電電路和控制電路兩部分組成。主供電電路是由220V交流電源、LED交流驅動器、LED燈具等組成。控制電路由微處理核心、亮度采集模塊、串口電路、控制核心電路等組成。硬件系統框圖如圖2所示。

圖2 硬件系統框圖

主供電電路的電能來源于由輔助逆變器產生的220V交流電，由于LED是單向導通器件，所以只能用直流電為其供電，因此，需要由LED交流驅動器轉換成特定電壓的直流電，再直接輸入LED燈具使之發光。

控制系統以STC89C51單片機為控制核心，所有單片機都分別是各個模塊的微處理核心。照度傳感器與模數轉換芯片構成了亮度采集模塊。照度傳感器采集的環境亮度信號為模擬量，經模數轉換芯片AD處理得到數字信號，再將數字信號送入單片機1（圖2中MUC1），數字量被單片機1處理后得到環境的亮度值。共有8個照度傳感器分布在車廂的不同位置。單片機1將來自8個傳感器傳來的亮度信息進行融合處理，得到車廂內部需要的光線亮度信息。單片機1再將處理得到的光線亮度信息通過串口輸送給車廂內部與LED交流驅動器相連的各個單片機（MUC①，MUC②，…）。這些單片機向LED交流驅動器發送PWM信號，對LED燈的發光強度進行調節。

就整個控制系統來看，單片機1作為系統的主機，其它各個單片機為從機。該控制系統可以根據需要，既可以同時控制車廂內所有的LED燈的亮度，也可以通過可尋址的方法控制某個燈的亮度。

3 硬件設計

硬件設計的主要部分包括亮度采集模塊設計、LED交流驅動器設計、系統控制核心部分設計。

3.1 亮度采集模塊的設計

亮度采集模塊包括了3部分的內容，首先是模數轉換芯片ADC0809，它與單片機的P0引腳連接，而后是74LS74芯片，用來給ADC0809提供時鐘源信號的4分頻電路，最后是照度傳感器，共有8個，分布在車廂的不同位置。

模數轉換芯片ADC0809將8個亮度傳感器采集到的模擬量轉換成數字量，然后通過D0～D7引腳傳送給單片機的P0口。模數轉換芯片ADC0809需要外部提供一個500kHz的時鐘。單片機外部的晶振頻率是12MHz的，當不訪問外部內存時，ALE引腳以六分之一振蕩頻率固定輸出正脈沖，其固定頻率是2MHz。因此，需要一個4分頻的電路來實現500kHz的時鐘信號。于是采用74LS74來實現4分頻的功能，74LS74實際上就是一個集成的雙D觸發器，并且是時鐘上升沿觸發。

3.2 LED交流驅動器的設計

LED交流驅動器用來將220V交流電轉換成一定電壓的直流電供LED燈使用。LED交流驅動器分為恒流式和穩壓式兩種［5］。恒流式驅動器能夠輸出恒定的電流，隨著外部負載的變化自動調整輸出電壓。穩壓式驅動器輸出電壓是穩定的，隨著負載的變化輸出電流會有所變化［6］。由于LED的發光強度會隨著電流的變化發生很大的波動，因此，文中選用恒流式驅動方式。驅動器需要一個功率足夠大的驅動芯片，因此，文中選用PT4107驅動芯片。PT4107是一款高壓降壓式LED驅動控制芯片，支持18～450V的電壓范圍，可以在20～300kHz的頻率范圍內工作。通過驅動芯片控制外部MOS管的導通，將單片機輸出的可變占空比的PWM數字脈沖導入使能端，可以實現對LED燈的調光功能。LED交流驅動電路如圖3所示。

圖3 LED交流驅動電路

為了防止異常過電壓對電路的損害，設計了抗浪涌保護電路。利用壓敏電阻的閥門特性，可以很好地實現對過電壓的保護［7］。

由于LED驅動器為開關電路，這就不可避免地產生電磁干擾的問題，另外，整流電路、高頻變壓器等都容易引起電磁干擾的問題，設計了EMC（電磁兼容性）濾波電路來消除電磁干擾。為了提高驅動器的效率，減少電源設備對外輻射和傳導干擾，文中設計的驅動器采用了PFC（功率因數校正）技術，減少了元器件的使用量，降低了設計成本，并且提高了驅動器的整體能效。驅動器的原理框圖如圖4所示。

3.3 系統控制核心部分的設計

STC89C51單片機具有運算速度快、編程方便、集成化程度高、穩定性高等優點，適合于處理計算復雜、動態連續的環境亮度信息［8］。STC89C51采用的是精簡指令集結構的8051CPU，能夠保證照明控制系統對環境亮度信息的快速處理能力。STC89C51有足夠的通用I／O口，可以設置成多種模式，ISP／IAP特性無需專用的程序設計器，可以直接通過串口下載用戶程序，給LED照明控制系統的程序設計帶來了極大的方便。系統控制核心電路如圖5所示。

圖4 驅動器的原理框圖

圖5 系統控制核心電路

控制核心電路主要包括單片機和傳感器。由于單片機內部P0口沒有上拉電阻，為了加強P0口的驅動能力，文中在P0口加了上拉電阻。而P2口加上拉電阻主要是出于增強P2口的抗干擾能力。P0口用來實現與ADC0809芯片之間信息的傳輸通道，通過P0口接收ADC0809芯片處理得到的環境亮度信息的數字量，經過處理后通過串口通知下位機單片機，下位機單片機根據該信息輸出一定占空比的PWM信號到LED交流驅動器，來控制LED燈的發光亮度。P2口是實現對ADC0809芯片操作指令的控制。

4 軟件設計

軌道車輛照明控制系統的軟件部分主要是寫入單片機內的程序。首先對不同傳感器采集的亮度信息進行一個綜合判斷，看是否有個別亮度值與其它傳感器的亮度值差距較大，如果有，將會忽略該值，以防止個別傳感器信息不真實，比如有游客用手電照射。利用一定的算法，將其它有效的亮度信息進行融合，得到車廂內的亮度值。通過將采集到的亮度值與預設值進行對比，利用模糊控制對LED燈發光亮度進行調整。

根據照明系統的設計標準，車廂內距離地板面高800mm處的照明強度≥250lx［9］，因此，編程時是將傳感器獲得的照度值與該值做相減運算，再根據差值的正負與大小，選擇一定占空比的PWM脈沖信號，傳送給LED交流驅動器的驅動芯片。在編程時設計了多個差值的范圍，為了使調光迅速而又準確，差值的絕對值越大，使不同差值范圍對應的PWM占空比的變化越大，差值的絕對值越小，使不同差值范圍對應的PWM占空比的變化越小。程序不斷對車廂內實時的照度值進行動態采集并比較，比較結果一旦超出預訂范圍，就及時地對燈的亮度做出調整，達到控制車廂內亮度穩定的目的。

5 仿真分析

利用Proteus軟件對設計的軌道車輛車廂LED照明驅動電路進行仿真，仿真結果分別圖6和圖7所示。

圖6 電壓仿真曲線

圖7 電流仿真曲線

從圖中可以看出，在初始零時刻，驅動電路輸出電壓為零伏。延遲數毫秒之后開始逐漸增加，經過大約400ms后進入穩定狀態，隨著時間的延續，電壓值不再增長。仔細觀察會發現，輸出的電壓值穩定后也不是一條平滑的直線，而是在做高頻率小幅振動。從水平時間軸的刻度可以判斷，微小波動的頻率在數千赫茲以上。

電流仿真曲線的走勢基本與電壓曲線相吻合。在開始時從零逐漸增加，大約400ms后進入穩定狀態。進入穩定之后基本與時間軸平行，不再隨著時間而變化。同樣，電流仿真曲線也不是一條平滑的曲線，它也存在高頻率的微小振動。如果電流存在波動，LED的發光強度也會存在波動。而如果電流波動頻率足夠大，超過100Hz，人眼是分辨不出LED燈亮度變化的［10］。只要電流的平均值不變，LED燈給人的感覺就是發光亮度均勻。LED驅動器電路的整體仿真來看，輸出電壓與電流平穩，能夠滿足LED的驅動要求。

6 結 語

設計了一種軌道車輛車廂LED照明控制系統，該系統充分利用了LED照明具有的效率高、壽命長、抗振性能好和環保等優點，滿足了軌道車輛對當前照明控制系統的要求。以STC89C51單片機為控制核心，通過串口進行主機與從機之間的通信，實現了信息的良好交流。通過采光模塊進行車廂環境亮度的采集，利用PWM技術能實現對車廂環境亮度的控制。基于PT4107驅動芯片設計了恒流式LED交流驅動器，滿足了LED照明的驅動要求。仿真結果表明，設計的軌道車輛車廂LED照明控制系統使車廂內的亮度均勻，達到了設計要求。

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Design of LED lighting control system for rail vehicle compartment

HAO Ming-liang1， JIANG Yan-qing2， YIN Xiao-jing2，WANG Hua-zhen2， GAO Zhi
（1.Changchun Yanyao Electric Co.Ltd.，Changchun 130012，China；2.School of Mechatronic Engineering，Changchun University of Technology，Changchun 130012，China）

The energy-saved and long-life-span LED is driven by constant current.STC89C51single chip is chosen as the controller and PWM technology is applied to control the light intensity.The brightness information collected by a brightness sensor is sent to the controller as the feedback for adjusting the brightness.The simulation results illustrate that the brightness of the LED luminous system is even，which arrives at the needed indexes.

rail vehicle；LED lighting；PWM；LED AC driver.

TP 272

A

1674-1374（2014）01-0036-06

2013-09-12

吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目（吉教科合字［2011］第84號）

郝明亮（1979－），男，漢族，吉林長春人，長春研奧電器有限公司工程師，主要從事軌道客車電氣產品研發，E-mail：haomingliang＠vip.sina.com.