田園

摘 要：該文以軌道車輛車廂LED照明控制系統(tǒng)為研究對象，提出了針對軌道車輛車廂LED照明控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。重點放在了控制系統(tǒng)的構(gòu)成和設(shè)計方面。系統(tǒng)以STC89C51單片機為控制核心，通過亮度傳感器采集車廂內(nèi)的亮度信息，對車廂內(nèi)LED照明系統(tǒng)進行亮度調(diào)節(jié)。實驗結(jié)果及實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)對車廂內(nèi)亮度調(diào)節(jié)誤差為±1Lx，達到了設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：軌道車輛 LED照明 STC89C51單片機

中圖分類號：TP368 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（a）-0089-02

目前我國城市軌道交通已經(jīng)進入高速發(fā)展時期，近幾年來興建的地鐵線、動車線及輕軌線迅速增長。由于其專線行使，可避免交通擁擠、時間延誤等因素，乘坐軌道客車出行成為大眾首選的交通工具。作為一種新型照明光源，具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點，并且其優(yōu)良的抗震性能非常適合軌道車輛車廂照明。雖尚未應(yīng)用于軌道交通運輸方面是由于不能直接使用交流市電供電，如果能夠開發(fā)專門的控制系統(tǒng)實現(xiàn)其在車輛上的照明應(yīng)用，在電能節(jié)約，環(huán)境保護上的收益將無可限量。基于此為在軌道車輛車廂照明領(lǐng)域推廣節(jié)能照明技術(shù)，該文對軌道車輛車廂照明控制系統(tǒng)進行了設(shè)計。

通過對軌道車輛供電原理的分析，從中找到一種解決軌道車輛LED照明的方案。內(nèi)容以單片機為控制核心，將亮度采集模塊采集到的環(huán)境亮度信息進行處理，生成具有不同占空比的PWM數(shù)字脈沖，將該信號傳遞到LED驅(qū)動器，實現(xiàn)了對LED燈亮度的調(diào)節(jié)。該方法提高軌道車輛照明控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

1 軌道車輛車廂LED照明控制系統(tǒng)設(shè)計原理

現(xiàn)在比較普遍的LED照明控制系統(tǒng)方案大多基于單片機系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)和無線控制系統(tǒng)這三大類。

由于本產(chǎn)品安置于車廂內(nèi)，要求體積小、重量輕，另外器件選用的成本問題也要納入考慮之內(nèi)以便于實現(xiàn)產(chǎn)品化，PLC控制器體積大，成本高的特點不適用于批量應(yīng)用。另外，無線控制器的抗干擾能力較差。綜合各方因素，我們決定采用單片機做為控制系統(tǒng)，其具有以下優(yōu)勢。

（1）單片機集成度高；

（2）單片機可靠性高，可連續(xù)長時間無故障工作；

（3）處理功能強，速度快；

（4）低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品；

（5）控制功能強。

如圖1所示為基于單片機系統(tǒng)設(shè)計的軌道車輛車廂LED普通照明系統(tǒng)的框圖。其工作方式如下。

（1）左上角和右上角的為軌道車輛車頭及車尾部分的單片機系統(tǒng)（MCU1、MCU2和采光系統(tǒng)），其中MCU 1、MCU2為單片機處理器。采光系統(tǒng)主要是環(huán)境亮度傳感模塊，這個模塊的主要功能是通過特定的亮度傳感器采集光亮，同時生成模擬量的信號，然后再通過A/D轉(zhuǎn)換芯片將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過數(shù)據(jù)口傳送給單片機，最后單片機將得到的信息存儲起來，等待處理。

（2）車頭處的單片機通過串口接收來自軌道車輛尾部單片機采集到的光亮信息來進行處理，根據(jù)兩頭外部光的強弱信息來算得適合車廂照明的光線亮度。

（3）車頭處的單片機通過串口向車廂內(nèi)的單片機傳輸光線亮度信息。車廂內(nèi)的單片機（MCU 3到MCU n）根據(jù)傳輸過來的值，向外部驅(qū)動電路發(fā)送不同的調(diào)光信息。外部的LED驅(qū)動器將接收到的數(shù)字信息進行處理，最后進行對LED的調(diào)光，進而控制整個車廂LED照明亮度。

2 軌道車輛車廂LED普通照明控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)的選擇

在設(shè)計系統(tǒng)的過程中，對控制系統(tǒng)的選擇至關(guān)重要，從系統(tǒng)的穩(wěn)定性，性能和價格等方面考慮選擇STC89C51單片機。

STC89C51是采用8051核的ISP（In System Programming）系統(tǒng)的可編程芯片，最高工作時鐘頻率為80MHz，片內(nèi)含8K Bytes的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，具有在系統(tǒng)可編程（ISP）的特性，配合PC端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載進單片機內(nèi)部，不但速度更快了，而且還不用購買通用編程器。

2.2 光亮處理模塊設(shè)計

2.2.1 信號采集電路設(shè)計

信號采集電路一共包括了三部分的內(nèi)容，首先是ADC0809與單片機的連接電路圖，而后是一個給ADC0809提供脈沖信號的4分頻電路，最后的是一個亮度采集電路。

由于設(shè)計中所用的單片機外部晶振固定頻率是2MHZ。但ADC0809工作頻率為幾百kHZ（作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的ADC0809需要外部提供一個500KHZ的時鐘）。因此2MHZ對于來說其脈沖信號仍然是不合適的，需要一個4分頻的電路來實現(xiàn)500kHZ的脈沖信號。于是我們采用74LS74來實現(xiàn)四分頻的功能。74LS74實際上就是一個集成的雙D觸發(fā)器，并且是時鐘上升沿觸發(fā)。此信號采集電路的工作過程為亮度傳感器采集到車廂內(nèi)的光強信號后，將此模擬信號傳遞給模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，而后模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809將通過D0～D7引腳傳送給單片機的P0口。

2.2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的選擇

光亮處理模塊最核心的東西-模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的好壞很大程度上將影響到整個系統(tǒng)的精度和可靠性。轉(zhuǎn)換時間越短的芯片其效果越好?；诖薃D公司的ADC0809完全能夠滿足使用的要求。

ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機直接接口。由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共享A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖存器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。光傳感器將采集到的模擬光信號傳送給模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，一個給ADC0809提供脈沖信號的4分頻電路使輸入的模擬信號最終輸出為數(shù)字信號。endprint

2.3 LED驅(qū)動模塊的設(shè)計

在軌道車輛中，燈光的光照亮度有一定的要求，由于車廂在行駛當中常處于震動搖晃的狀態(tài)，LED照明燈也長時間保持通電狀態(tài)，這就要求其驅(qū)動功率足夠大，由于大功率的LED需要低電壓、大電流的驅(qū)動裝置。這就要求導致需要LED驅(qū)動功率足夠大，同時LED驅(qū)動芯片周圍的電路要相對簡單，這不僅能夠減少成本，同時也能降低維護難度。

LED交流驅(qū)動器用來將220 V交流電轉(zhuǎn)換成一定電壓的直流電供LED燈使用。LED交流驅(qū)動器分為恒流式和穩(wěn)壓式兩種。恒流式驅(qū)動器能夠輸出恒定的電流，隨著外部負載的變化自動調(diào)整輸出電壓。穩(wěn)壓式驅(qū)動器輸出電壓是穩(wěn)定的，隨著負載的變化輸出電流會有所變化。由于LED的發(fā)光強度會隨著電流的變化發(fā)生很大的波動，因此本文選用恒流式驅(qū)動方式。驅(qū)動器需要一個功率足夠大的驅(qū)動芯片，該文選用PT4107驅(qū)動芯片。PT4107是一款高壓降壓式LED驅(qū)動控制芯片，支持18 V到450 V的電壓范圍，可以在20kHZ～300kHZ的頻率范圍內(nèi)工作。通過驅(qū)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(shù)字脈沖導入使能端，可以實現(xiàn)對LED燈的調(diào)光功能。

3 軟件設(shè)計

軌道車輛照明控制系統(tǒng)的軟件部分主要是寫入單片機內(nèi)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(nèi)的亮度值。通過將采集到的亮度值與預(yù)設(shè)值進行對比，利用模糊控制對LED燈發(fā)光亮度進行調(diào)整。

4 實驗結(jié)果與分析

使用軌道車輛車廂LED照明控制系統(tǒng)對一節(jié)車廂進行照明實驗，分別在清晨天由暗變亮的時候和傍晚天由亮變暗的時候進行，以及白天通過對車窗的遮擋來模擬外部環(huán)境的亮度變化對車廂內(nèi)亮度的影響。迅速的遮擋車窗可以用來模擬車輛突然駛?cè)霟o光照條件的隧道。記錄并分析其隨時間的變化情況，結(jié)果表明，車廂內(nèi)亮度穩(wěn)定，亮度調(diào)整誤差在±1Lx范圍內(nèi)。通過迅速的遮擋車窗，模擬軌道車輛突然駛?cè)霟o光照條件的隧道，結(jié)果LED燈能迅速變亮，系統(tǒng)響應(yīng)時間為100 ms鐘。

5 結(jié)語

該文設(shè)計了一種軌道車輛車廂LED照明控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用了LED照明具有的效率高、壽命長、抗振性能好和環(huán)保的優(yōu)點，滿足了軌道車輛對當前照明控制系統(tǒng)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(xiàn)了信息的良好的交流。通過采光模塊進行車廂環(huán)境亮度的采集實現(xiàn)對車廂環(huán)境亮度的控制?；赑T4107驅(qū)動芯片設(shè)計了恒流式LED交流驅(qū)動器，滿足了LED照明的驅(qū)動要求。實驗結(jié)果表明，設(shè)計的軌道車輛車廂LED照明控制系統(tǒng)使車廂內(nèi)的亮度誤差控制在±1Lx范圍內(nèi)，系統(tǒng)響應(yīng)時間為100 ms內(nèi)，達到了設(shè)計要求。

參考文獻

[1] 王雅芳.基于照明特性分析的串聯(lián)飽和恒流驅(qū)動設(shè)計[J].電力電子技術(shù)， 2009，43（4）：53-54.

[2] 張琳.淺析城市軌道交通車輛用輔助電源系統(tǒng)[J].科技資訊，2007（22）.

[3] 馬紅波，鄭聰，馮全源.Twin-Bus型單相離線式LED照明驅(qū)動[J].電機與控制學報，2011，15（3）：7-11.

[4] 張云莉，周曉平，朱雙霞.基于單片機的教室節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2012，34（2）：103-105.endprint

2.3 LED驅(qū)動模塊的設(shè)計

在軌道車輛中，燈光的光照亮度有一定的要求，由于車廂在行駛當中常處于震動搖晃的狀態(tài)，LED照明燈也長時間保持通電狀態(tài)，這就要求其驅(qū)動功率足夠大，由于大功率的LED需要低電壓、大電流的驅(qū)動裝置。這就要求導致需要LED驅(qū)動功率足夠大，同時LED驅(qū)動芯片周圍的電路要相對簡單，這不僅能夠減少成本，同時也能降低維護難度。

LED交流驅(qū)動器用來將220 V交流電轉(zhuǎn)換成一定電壓的直流電供LED燈使用。LED交流驅(qū)動器分為恒流式和穩(wěn)壓式兩種。恒流式驅(qū)動器能夠輸出恒定的電流，隨著外部負載的變化自動調(diào)整輸出電壓。穩(wěn)壓式驅(qū)動器輸出電壓是穩(wěn)定的，隨著負載的變化輸出電流會有所變化。由于LED的發(fā)光強度會隨著電流的變化發(fā)生很大的波動，因此本文選用恒流式驅(qū)動方式。驅(qū)動器需要一個功率足夠大的驅(qū)動芯片，該文選用PT4107驅(qū)動芯片。PT4107是一款高壓降壓式LED驅(qū)動控制芯片，支持18 V到450 V的電壓范圍，可以在20kHZ～300kHZ的頻率范圍內(nèi)工作。通過驅(qū)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(shù)字脈沖導入使能端，可以實現(xiàn)對LED燈的調(diào)光功能。

3 軟件設(shè)計

軌道車輛照明控制系統(tǒng)的軟件部分主要是寫入單片機內(nèi)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(nèi)的亮度值。通過將采集到的亮度值與預(yù)設(shè)值進行對比，利用模糊控制對LED燈發(fā)光亮度進行調(diào)整。

4 實驗結(jié)果與分析

使用軌道車輛車廂LED照明控制系統(tǒng)對一節(jié)車廂進行照明實驗，分別在清晨天由暗變亮的時候和傍晚天由亮變暗的時候進行，以及白天通過對車窗的遮擋來模擬外部環(huán)境的亮度變化對車廂內(nèi)亮度的影響。迅速的遮擋車窗可以用來模擬車輛突然駛?cè)霟o光照條件的隧道。記錄并分析其隨時間的變化情況，結(jié)果表明，車廂內(nèi)亮度穩(wěn)定，亮度調(diào)整誤差在±1Lx范圍內(nèi)。通過迅速的遮擋車窗，模擬軌道車輛突然駛?cè)霟o光照條件的隧道，結(jié)果LED燈能迅速變亮，系統(tǒng)響應(yīng)時間為100 ms鐘。

5 結(jié)語

該文設(shè)計了一種軌道車輛車廂LED照明控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用了LED照明具有的效率高、壽命長、抗振性能好和環(huán)保的優(yōu)點，滿足了軌道車輛對當前照明控制系統(tǒng)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(xiàn)了信息的良好的交流。通過采光模塊進行車廂環(huán)境亮度的采集實現(xiàn)對車廂環(huán)境亮度的控制?；赑T4107驅(qū)動芯片設(shè)計了恒流式LED交流驅(qū)動器，滿足了LED照明的驅(qū)動要求。實驗結(jié)果表明，設(shè)計的軌道車輛車廂LED照明控制系統(tǒng)使車廂內(nèi)的亮度誤差控制在±1Lx范圍內(nèi)，系統(tǒng)響應(yīng)時間為100 ms內(nèi)，達到了設(shè)計要求。

參考文獻

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[4] 張云莉，周曉平，朱雙霞.基于單片機的教室節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2012，34（2）：103-105.endprint

2.3 LED驅(qū)動模塊的設(shè)計

在軌道車輛中，燈光的光照亮度有一定的要求，由于車廂在行駛當中常處于震動搖晃的狀態(tài)，LED照明燈也長時間保持通電狀態(tài)，這就要求其驅(qū)動功率足夠大，由于大功率的LED需要低電壓、大電流的驅(qū)動裝置。這就要求導致需要LED驅(qū)動功率足夠大，同時LED驅(qū)動芯片周圍的電路要相對簡單，這不僅能夠減少成本，同時也能降低維護難度。

LED交流驅(qū)動器用來將220 V交流電轉(zhuǎn)換成一定電壓的直流電供LED燈使用。LED交流驅(qū)動器分為恒流式和穩(wěn)壓式兩種。恒流式驅(qū)動器能夠輸出恒定的電流，隨著外部負載的變化自動調(diào)整輸出電壓。穩(wěn)壓式驅(qū)動器輸出電壓是穩(wěn)定的，隨著負載的變化輸出電流會有所變化。由于LED的發(fā)光強度會隨著電流的變化發(fā)生很大的波動，因此本文選用恒流式驅(qū)動方式。驅(qū)動器需要一個功率足夠大的驅(qū)動芯片，該文選用PT4107驅(qū)動芯片。PT4107是一款高壓降壓式LED驅(qū)動控制芯片，支持18 V到450 V的電壓范圍，可以在20kHZ～300kHZ的頻率范圍內(nèi)工作。通過驅(qū)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(shù)字脈沖導入使能端，可以實現(xiàn)對LED燈的調(diào)光功能。

3 軟件設(shè)計

軌道車輛照明控制系統(tǒng)的軟件部分主要是寫入單片機內(nèi)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(nèi)的亮度值。通過將采集到的亮度值與預(yù)設(shè)值進行對比，利用模糊控制對LED燈發(fā)光亮度進行調(diào)整。

4 實驗結(jié)果與分析

使用軌道車輛車廂LED照明控制系統(tǒng)對一節(jié)車廂進行照明實驗，分別在清晨天由暗變亮的時候和傍晚天由亮變暗的時候進行，以及白天通過對車窗的遮擋來模擬外部環(huán)境的亮度變化對車廂內(nèi)亮度的影響。迅速的遮擋車窗可以用來模擬車輛突然駛?cè)霟o光照條件的隧道。記錄并分析其隨時間的變化情況，結(jié)果表明，車廂內(nèi)亮度穩(wěn)定，亮度調(diào)整誤差在±1Lx范圍內(nèi)。通過迅速的遮擋車窗，模擬軌道車輛突然駛?cè)霟o光照條件的隧道，結(jié)果LED燈能迅速變亮，系統(tǒng)響應(yīng)時間為100 ms鐘。

5 結(jié)語

該文設(shè)計了一種軌道車輛車廂LED照明控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用了LED照明具有的效率高、壽命長、抗振性能好和環(huán)保的優(yōu)點，滿足了軌道車輛對當前照明控制系統(tǒng)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(xiàn)了信息的良好的交流。通過采光模塊進行車廂環(huán)境亮度的采集實現(xiàn)對車廂環(huán)境亮度的控制?；赑T4107驅(qū)動芯片設(shè)計了恒流式LED交流驅(qū)動器，滿足了LED照明的驅(qū)動要求。實驗結(jié)果表明，設(shè)計的軌道車輛車廂LED照明控制系統(tǒng)使車廂內(nèi)的亮度誤差控制在±1Lx范圍內(nèi)，系統(tǒng)響應(yīng)時間為100 ms內(nèi)，達到了設(shè)計要求。

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[4] 張云莉，周曉平，朱雙霞.基于單片機的教室節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2012，34（2）：103-105.endprint