陳海東，凌　云，黃文威，馮　磊，張曙云

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

基于單火線的LED照明燈調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳海東，凌云，黃文威，馮磊，張曙云

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

針對(duì)目前LED照明燈調(diào)光系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)多檔無級(jí)調(diào)光的缺陷，設(shè)計(jì)一套由亮度信號(hào)給定模塊、亮度信號(hào)接收模塊、亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊來實(shí)現(xiàn)LED照明燈調(diào)光系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用雙向晶閘管交流移相電路輸出正負(fù)半波缺失的亮度信號(hào)電壓波形，然后將其轉(zhuǎn)換成2位三進(jìn)制亮度數(shù)據(jù)，再通過單火線將該亮度信號(hào)發(fā)送到亮度信號(hào)接收模塊，由微控器對(duì)亮度信號(hào)進(jìn)行識(shí)別捕獲并輸出占空比可調(diào)的PWM信號(hào)，最后PWM信號(hào)通過LED驅(qū)動(dòng)器對(duì)LED照明燈亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了0～100%的多檔無級(jí)調(diào)光控制。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該調(diào)光系統(tǒng)的可行性，達(dá)到了預(yù)期效果。

LED照明燈；雙向晶閘管；單火線；微控器；PWM

0　引言

目前，常用的LED照明燈調(diào)光方法有以下3種。1）旋鈕調(diào)光控制。它使用的是分壓原理，在110～220 V之間，根據(jù)電壓的等級(jí)進(jìn)行調(diào)光。該方法應(yīng)用簡單，不產(chǎn)生任何干擾。缺點(diǎn)在于不靈活、效率低，而且在降低LED照明燈電流時(shí)，會(huì)引起白光LED照明燈向黃色光譜偏移，同時(shí)還會(huì)因?yàn)榉謮寒a(chǎn)生過多的熱量。

2）單火線通斷開關(guān)控制。例如，采用NU102專用芯片，利用普通墻面開關(guān)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED照明燈的亮度調(diào)節(jié)。該方法只提供4檔LED照明燈的調(diào)節(jié)亮度，對(duì)時(shí)間也有要求。

3）遙控器控制。遙控器控制主要以單片機(jī)為控制芯片，利用光敏二極管采集光亮度，并運(yùn)用脈寬調(diào)制（pulse width modulation，PWM）技術(shù)實(shí)現(xiàn)照明燈的亮度調(diào)節(jié)。通過紅外編碼、解碼實(shí)現(xiàn)主從機(jī)通信，并且具有記憶存儲(chǔ)功能，分為睡眠/工作2種模式。外圍電路具有簡單、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、效率高的特點(diǎn)。其缺點(diǎn)是一個(gè)LED照明燈需要配備一個(gè)遙控器，造成了遙控器數(shù)量多、管理麻煩、成本也偏高。

目前，LED照明燈驅(qū)動(dòng)器，主要采用PWM調(diào)光方法控制LED照明燈的亮度［1-2］。PWM調(diào)光方法主要是采用脈沖恒流源，通過改變脈沖寬度進(jìn)而改變LED照明燈的亮度。因?yàn)長ED照明燈的發(fā)光強(qiáng)度與PWM信號(hào)的占空比成正比，所以只需改變占空比就能夠改變LED照明燈的亮度。通過PWM調(diào)光可以精確地控制LED照明燈的亮度，并且不會(huì)產(chǎn)生任何色譜偏移。

根據(jù)當(dāng)前一些調(diào)光方法存在的缺陷，本研究設(shè)計(jì)一種靈活、高效、經(jīng)濟(jì)的調(diào)光系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用PWM調(diào)光的方法，通過周期性地開啟和關(guān)斷LED照明燈，來改變導(dǎo)通電流的時(shí)間，從而改變電流的平均值，使LED照明燈的平均亮度發(fā)生改變。該系統(tǒng)不需要重新布線，在原有單火線布線的基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED照明燈進(jìn)行多擋、無級(jí)調(diào)光。

1　總體方案設(shè)計(jì)

LED照明燈調(diào)光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由亮度信號(hào)給定模塊、亮度信號(hào)接收模塊、亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊三部分組成。

圖1　LED照明燈調(diào)光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1　Structure diagram of LED lamp dimming system

單火線具有傳輸電能和亮度信號(hào)的功能，亮度信號(hào)給定模塊產(chǎn)生的亮度信號(hào)通過單火線AC1傳送給亮度信號(hào)接收模塊。亮度信號(hào)接收模塊接收單火線AC1傳送的亮度信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為PWM脈沖送至亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊，亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)PWM脈沖控制LED照明燈的驅(qū)動(dòng)電流［3］，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)LED照明燈亮度的調(diào)節(jié)。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1亮度信號(hào)給定模塊

2.1.1三進(jìn)制亮度信號(hào)和引導(dǎo)波形

通過把正弦波交流電壓的正負(fù)半波分成3份不同的移相角，用2位三進(jìn)制數(shù)值表示亮度信號(hào)等級(jí)，如圖2所示。移相角對(duì)應(yīng)的三進(jìn)制數(shù)碼值分別為2， 1， 0。當(dāng)亮度信號(hào)給定模塊產(chǎn)生亮度信號(hào)時(shí)，會(huì)造成正負(fù)半波部分波形的缺失，它們?nèi)笔У牟糠炙鶎?duì)應(yīng)的移相角為中的一個(gè)，其中例如正半波移相角對(duì)應(yīng)的部分缺失和負(fù)半波移相角對(duì)應(yīng)的部分缺失，所對(duì)應(yīng)的2位三進(jìn)制亮度信號(hào)等級(jí)數(shù)值為20。因此從低到高9檔不同的亮度信號(hào)等級(jí)所對(duì)應(yīng)的2位三進(jìn)制數(shù)值是00， 01， 02， 10， 11， 12， 20， 21， 22。典型取值：，它們對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通時(shí)間分別為7.5， 5.0， 2.5 ms。

圖2　三進(jìn)制 角示意圖Fig. 2　Schematic diagram of alpha angles in ternary system

亮度信號(hào)接收模塊根據(jù)引導(dǎo)波的出現(xiàn)來判斷是否接收單火線AC1傳送的亮度信號(hào)等級(jí)。引導(dǎo)波形由一個(gè)不導(dǎo)通的負(fù)半波或者是一個(gè)不導(dǎo)通的完整波形緊接著一個(gè)完整導(dǎo)通的正半波組成［4］，如圖3所示。引導(dǎo)波的后面跟著亮度信號(hào)波形。

圖3　引導(dǎo)波形示意圖Fig. 3　Schematic diagram of guiding waveform

2.1.2單火線電源模塊和亮度信號(hào)的產(chǎn)生

亮度信號(hào)給定模塊電路如圖4所示。單火線電源模塊主要是由穩(wěn)壓器U1、低壓穩(wěn)壓器U2、電感、電容等組成。該電源模塊主要是把AC端輸入的220 V的交流電壓通過整流降壓變?yōu)?.3 V的直流電壓，給亮度信號(hào)模塊供電。U1選擇的型號(hào)是MP-6V-02S，U2選擇的型號(hào)是HT7233。

亮度信號(hào)給定模塊主要是由BCD旋轉(zhuǎn)編碼器、單片機(jī)、可控硅光耦、雙向晶閘管等組成。該模塊是用來產(chǎn)生不同亮度信號(hào)等級(jí)的電壓波形，然后通過單火線AC1傳送出去。BCD旋轉(zhuǎn)編碼器輸出BCD編碼0001～1001給單片機(jī)P2.1～P2.4的端口，其中BCD編碼0001～1001對(duì)應(yīng)1～9檔不同的亮度等級(jí)。單片機(jī)在根據(jù)P2.0接收到的過零檢測(cè)信號(hào)［5-6］，通過P1.1端口輸出的觸發(fā)信號(hào)控制可控硅光耦導(dǎo)通，根據(jù)可控硅光耦導(dǎo)通的時(shí)間，來控制雙向晶閘管V1導(dǎo)通角的大小，從而控制AC1輸出不同的亮度信號(hào)波形。

圖4　亮度信號(hào)給定模塊電路圖Fig. 4　Diagram of luminance signal circuit of a given module

亮度信號(hào)給定模塊輸入的是正弦波交流電，在沒有給定亮度信號(hào)時(shí)，AC1輸出的是完整的單相正弦波形。

亮度信號(hào)波形示例如圖5所示，其中圖5a是亮度等級(jí)為4的亮度信號(hào)波形。單片機(jī)控制模塊隨機(jī)停止觸發(fā)信號(hào)輸出的時(shí)刻在交流電壓負(fù)半波期間時(shí)，單火線AC1發(fā)送由一個(gè)不導(dǎo)通的負(fù)半波，緊接著一個(gè)完整導(dǎo)通的正半波組成的引導(dǎo)波。過零檢測(cè)模塊檢測(cè)到過零信號(hào)后，觸發(fā)的負(fù)半波移相角是90°。過零檢測(cè)模塊檢測(cè)到下一個(gè)過零信號(hào)后，觸發(fā)的正半波移相角是135°。亮度信號(hào)等級(jí)所對(duì)應(yīng)的2位三進(jìn)制數(shù)值為10。

圖5b是亮度等級(jí)為8的亮度信號(hào)波。單片機(jī)控制模塊隨機(jī)停止輸出觸發(fā)信號(hào)的時(shí)刻在交流電壓正半波期間時(shí)，單火線AC1首先發(fā)送由一個(gè)不導(dǎo)通的完整波，緊接著一個(gè)完整導(dǎo)通的正半波組成的引導(dǎo)波。過零檢測(cè)模塊檢測(cè)到過零信號(hào)后，觸發(fā)的負(fù)半波移相角是45°。過零檢測(cè)模塊檢測(cè)到下一個(gè)過零信號(hào)后，觸發(fā)的正半波移相角是90°。亮度信號(hào)等級(jí)所對(duì)應(yīng)的2位三進(jìn)制數(shù)值為21。

圖5　亮度信號(hào)波形示例圖Fig. 5　Sample graph of luminance signal waveform

2.2亮度信號(hào)接收模塊

亮度信號(hào)接收模塊電路如圖6所示。亮度信號(hào)接收模塊主要是將接收到的亮度信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)，然后單片機(jī)將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)輸送給亮度控制調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊。

圖6　亮度信號(hào)接收模塊電路圖Fig. 6　Circuit diagram of luminance signal receiving module

由二極管、電容、電阻、穩(wěn)壓管等組成的單片機(jī)供電模塊向單片機(jī)U5提供直流電源VCC，單片機(jī)U5中P2.0和P2.1具有信號(hào)的捕獲功能。單片機(jī)根據(jù)正負(fù)半波導(dǎo)通角的大小，判斷識(shí)別亮度信號(hào)等級(jí)。正負(fù)半波整流整形電路主要是把正負(fù)半波的導(dǎo)通角波形整形成相對(duì)應(yīng)的矩形波，矩形波的寬度隨著導(dǎo)通角大小的改變而發(fā)生變化［7］。

正半波整流整形電路由二極管D7、電阻R7、穩(wěn)壓管DW3組成，主要是對(duì)正半波整流整形［5］。當(dāng)初始亮度等級(jí)設(shè)置為4，穩(wěn)壓管D3陰極得到寬度接近10 ms的低電平脈沖信號(hào)，經(jīng)過10 ms得到寬度接近10 ms的高電平脈沖信號(hào)，再經(jīng)過一段時(shí)間，穩(wěn)壓管DW3陰極得到的高電平脈沖信號(hào)寬度接近2.5 ms，該脈沖信號(hào)被送至單片機(jī)U5的捕捉比較輸入端P2.0。

負(fù)半波整流整形電路由二極管D8、電阻R8、穩(wěn)壓管DW4組成，主要是對(duì)負(fù)半波整流整形。當(dāng)初始亮度等級(jí)設(shè)置為4，穩(wěn)壓管DW4陰極得到寬度接近10 ms的高電平脈沖信號(hào)，經(jīng)過10 ms得到寬度接近10 ms的低電平脈沖信號(hào)，再經(jīng)過一段時(shí)間，穩(wěn)壓管DW4陰極得到的高電平脈沖信號(hào)寬度接近5 ms，該脈沖信號(hào)被送至單片機(jī)U5的捕捉比較輸入端P2.1。

單片機(jī)檢測(cè)出P2.0輸入脈沖信號(hào)寬度為2.5 ms，檢測(cè)出P2.1輸入脈沖信號(hào)寬度為5 ms，對(duì)應(yīng)的2位三進(jìn)制數(shù)值為10，可以判斷有亮度信號(hào)等級(jí)為4的控制信號(hào)。單片機(jī)U5把捕獲到的亮度信號(hào)波形通過其內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成PWM脈沖波形，通過PWM輸出端P1.2輸送給LED驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)而對(duì)LED進(jìn)行調(diào)光，使LED照明燈亮度為44%。把LED亮度等級(jí)分為1～9，通過改變BC D旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的編碼0001～1001，控制LED照明燈的亮度，從而實(shí)現(xiàn)了LED照明燈的亮度從0到100%的調(diào)節(jié)，也就實(shí)現(xiàn)了多擋、無級(jí)調(diào)光。

本研究設(shè)計(jì)的LED照明燈調(diào)光系統(tǒng)，采用的控制單片機(jī)型號(hào)是MSP430G2553。

2.3亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊

亮度信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示。

圖7　亮度信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路圖Fig. 7　Circuit diagram of brightness signal drive

該電路由二極管、電容等組成的電源電路給LED驅(qū)動(dòng)器U6供電。亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊用于將亮度信號(hào)接收模塊產(chǎn)生的PWM脈沖波形加以處理［8-9］，并驅(qū)動(dòng) LED 照明燈顯示相對(duì)應(yīng)的亮度。本研究通過對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器的使能控制端PWM_D輸入PWM脈沖信號(hào)，進(jìn)而通過增強(qiáng)型NMOS管來控制系統(tǒng)的開關(guān)。LED驅(qū)動(dòng)器U6的型號(hào)為HV9910。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通過控制單火線輸出端輸出的電壓波形來發(fā)送亮度控制信號(hào)，其方法如圖8所示。

圖8　亮度信號(hào)發(fā)送控制方法Fig. 8　Brightness signal transmission control method

亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊由單片機(jī)接收亮度信號(hào)［10］并控制亮度，其方法如圖9所示。

圖9　亮度控制調(diào)節(jié)方法Fig. 9　Brightness control adjustment method

4　系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

通過BCD旋轉(zhuǎn)編碼器輸出0000～1001的亮度等級(jí)對(duì)LED進(jìn)行調(diào)光，利用照度計(jì)測(cè)試LED燈的光照度。測(cè)試結(jié)果見表1。

表1　LED燈光照度測(cè)試結(jié)果Table 1　Test results of LED illumination intensity

在PWM調(diào)光時(shí)，LED平均電流的最大值Imax=700mA，最小值Imin=100 mA； 最大占空比Dmax=100%，最小占空比Dmin=10%。其關(guān)系式為

式（1）～（2）中，I是LED照明燈在未改變占空比大小時(shí)的電流。

PWM調(diào)光時(shí)，輸出平均電流與占空比的特性曲線如圖10所示。

圖10　Iavg與D的關(guān)系Fig. 10　Relationship diagram of the average output and current-duty ratio

由表1和圖10可知，本研究所設(shè)計(jì)的LED照明燈調(diào)光系統(tǒng)，有較多的檔位選擇并且能夠?qū)崿F(xiàn)無級(jí)調(diào)光，改變了目前調(diào)光系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)多檔無級(jí)調(diào)光的狀況。

5　結(jié)語

本研究所設(shè)計(jì)的單火線LED照明燈調(diào)光系統(tǒng)有如下特點(diǎn)。

1） 采用單火線方式控制LED燈亮度，無需遙控器，無需控制線，也不用重新敷設(shè)電源線。

2） 單火線上的亮度控制信號(hào)僅僅是在改變亮度時(shí)進(jìn)行短時(shí)發(fā)送，LED燈處在點(diǎn)亮狀態(tài)且不發(fā)出亮度控制信號(hào)時(shí)，單火線輸出端輸出的電壓波形為連續(xù)完整的單相正弦波，沒有諧波。

3）LED照明燈亮度調(diào)節(jié)共分9檔，采用旋鈕裝置調(diào)節(jié)，符合操作習(xí)慣。

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（責(zé)任編輯：鄧光輝）

Design of the Dimming System of Single Live Wire LED Lighting Lamps

CHEN Haidong，LING Yun，HUANG Wenwei，F(xiàn)ENG Lei，ZHANG Shuyun
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

A LED lighting system， based on the luminance signal sending module， the luminance signal receiving module， and the rightness adjustment module， has been designed to overcome the defects of current LED lighting dimming system， which fails to regulate the multi-grade stepless dimming. A bidirectional thyristor alternating current phase shift circuit has been adopted by this new system for an output in voltage waveform of a luminance signal with positive and negative half wave loss， which signal will be converted into luminance data based on double-digit ternary system. The converted luminance signal， then via a single live wire， will be sent to the the luminance signal receiving module， where it will be captured， identified and converted into a PWM signal with an adjustable duty ratio by a micro-controller. The PWM signal， sent out by the LED drive， is able to adjust the brightness of LED lighting lamps， thus realizing the multi-grade stepless dimming control within the range of 0～100%. The feasibility of the dimming system has thus been verified by experiments， with the desired results fully achieved.

LED lamp；bidirectional thyristor；single live wire；micro-controller；PWM

TM923.3

A

1673-9833（2016）03-0049-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.03.009

2016-03-31

湖南省教育廳科研基金資助項(xiàng)目（15C0404），湖南工業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（CX1502）

陳海東（1990-）男，安徽碭山人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化，E-mail：771840845@qq.com

凌云（1965-）男，湖南平江人，湖南工業(yè)大學(xué)教授，主要從事復(fù)雜工業(yè)過程建模與優(yōu)化控制，單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用等方面的研究，E-mail：l_yun888@126.com