陳修竹++闞碩++田少博++朱佳磊++姚海浪

摘要：代軌道交通為廣大市民提供了一種方便快捷的出行方式，隨著軌道交通的發(fā)展，乘客對(duì)地鐵車輛的運(yùn)行舒適性有了更高的要求，車廂內(nèi)的照明環(huán)境也越來越影響到乘客的乘車感受。為了推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能減排進(jìn)程，推廣LED燈具在地鐵上的應(yīng)用，由現(xiàn)在智能手機(jī)上的自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度得到啟發(fā)，設(shè)計(jì)研究一種通過光線的明暗強(qiáng)度變化自動(dòng)調(diào)節(jié)LED燈亮度的系統(tǒng)。此系統(tǒng)以單片機(jī)為主控制器，通過組建無線信號(hào)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線信號(hào)傳輸，對(duì)LED燈具實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。通過本項(xiàng)目的研究有望提供一種結(jié)構(gòu)新穎、成本低，使用壽命長(zhǎng)，節(jié)電效果好，可靠性高的地鐵LED照明方案，能長(zhǎng)期有效地節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本和維護(hù)費(fèi)用，對(duì)保證軌道交通綜合技術(shù)水平的提高有重大意義。

關(guān)鍵詞：無線傳輸；LED；自動(dòng)控制

1 研究現(xiàn)狀

軌道車輛照明用電來自外部供電系統(tǒng)，軌道車輛的照明系統(tǒng)采用220V的交流電或110V的直流電具有很多優(yōu)點(diǎn)，這樣可以使得車載燈具及其它電器設(shè)備與普通市電照明的燈具具有良好的互換性，給相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研發(fā)帶來極大的方便。在傳統(tǒng)的照明具有有線固定式開關(guān)，顏色亮度大多不可調(diào)不可控，隨著人們對(duì)方便的無線開關(guān)方式以及對(duì)室內(nèi)燈色多彩多變的追求以及環(huán)保觀念的增強(qiáng)，傳統(tǒng)照明方式正向著無線控制、多變、節(jié)能的方向發(fā)展。同時(shí)，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，傳感器網(wǎng)絡(luò)開放性部署特點(diǎn)，使得節(jié)點(diǎn)極大可能遭受惡意行為的攻擊和干擾。所以要采用一套系統(tǒng)的無線通信協(xié)議，以加強(qiáng)無線控制系統(tǒng)的健壯性。在利用外部供電220V的條件下，利用單片機(jī)數(shù)據(jù)處理，通過傳感器和信號(hào)發(fā)射器的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的無線控制。

2 自動(dòng)調(diào)光原理分析

PWM（Pulse Width Modulation），脈沖寬度調(diào)制，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制。脈寬調(diào)制的原理是，控制對(duì)LED所施加脈沖周期不變，即脈沖信號(hào)的頻率不改變，只改變周期的開關(guān)時(shí)間，這樣周期內(nèi)的高低電平所占時(shí)間會(huì)在周期的開關(guān)時(shí)產(chǎn)生變化，也就是占空比發(fā)生變化。脈寬調(diào)制的工作原理就是通過調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)的占空比來調(diào)節(jié)通過LED的平均電壓，進(jìn)而控制LED的亮度變化。

通過PWM調(diào)光的優(yōu)點(diǎn)有很多，比如調(diào)光的顏色不會(huì)有很大改變，即色偏??；可以得到更高亮度的燈光光照度，適合公共場(chǎng)合光照需要；通過PWM調(diào)光由于電壓脈沖的頻率不會(huì)改變，所以在調(diào)光的過程中基本不會(huì)出現(xiàn)頻閃的現(xiàn)象；PWM可調(diào)制范圍大，可以感受到很明顯的光照度變化，脈沖的最大占空比與最小占空比的比值可以達(dá)到2950左右。

PWM調(diào)光也有其缺點(diǎn)，第一，它的實(shí)現(xiàn)需要配置PWM調(diào)光信號(hào)源，這樣就會(huì)使成本高于模擬調(diào)光。第二，PWM調(diào)光容易使驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生噪音.

3 驅(qū)動(dòng)芯片的選擇

驅(qū)動(dòng)芯片是驅(qū)動(dòng)部分的核心，驅(qū)動(dòng)芯片的選擇尤為重要。本文采BTS7960驅(qū)動(dòng)芯片。BTS7960驅(qū)動(dòng)芯片通過驅(qū)動(dòng)集成技術(shù)，將邏輯電平輸入結(jié)構(gòu)、電流取樣診斷結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換速率調(diào)整器聯(lián)接，并將失效發(fā)生時(shí)間，防止欠電壓、過電流和短路結(jié)構(gòu)連接到一個(gè)微處理器上。

4 LED照明系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

城市軌道交通車輛車廂的設(shè)計(jì)主要包括光照度采集設(shè)計(jì)，LED調(diào)光控制模塊設(shè)計(jì)，主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（單片機(jī)控制模塊），無線傳輸模塊設(shè)計(jì)，LED燈排的電路設(shè)計(jì)等。光照度采集模塊中的光敏電阻負(fù)責(zé)采集來自地鐵車廂的環(huán)境光強(qiáng)度，通過整流濾波電路以電信號(hào)的形式傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，處理得來的信號(hào)經(jīng)過調(diào)壓濾波傳送到NRF無線傳輸模塊的引腳，NRF以傳送字節(jié)的形式將控制信號(hào)傳送到LED驅(qū)動(dòng)電路控制模塊，再經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路控制端的單片機(jī)信息進(jìn)行處理，根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)調(diào)制成對(duì)應(yīng)的PWM占空比進(jìn)行調(diào)制，對(duì)應(yīng)的平均電流在驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行處理后驅(qū)動(dòng)LED燈產(chǎn)生相應(yīng)的光通量，整個(gè)系統(tǒng)形成閉環(huán)控制，將車廂光照度時(shí)刻保持在適應(yīng)乘客的最佳狀態(tài)。

度采集模塊的2.4G無線信號(hào)，經(jīng)控制模塊單片機(jī)數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行PWM調(diào)制，形成對(duì)應(yīng)的平均電流對(duì)LED燈排進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這一部分的工作是在驅(qū)動(dòng)電路

如圖，nRF接收到來自于單片機(jī)Flash的的信息，根據(jù)發(fā)送格式向驅(qū)動(dòng)電路板上的nRF接收端發(fā)送指令。驅(qū)動(dòng)電路模塊的nRF信號(hào)接收器接收信號(hào)并將信號(hào)傳送給驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)而控制LED燈排的亮度變化。

圖 LED無線傳輸流程圖

5 結(jié)論與展望

通過本次設(shè)計(jì)研究，發(fā)現(xiàn)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，設(shè)計(jì)方便系統(tǒng)的電路。電路的效率高；通過無線傳輸，控制PWM調(diào)節(jié)，按照此方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能充分發(fā)揮LED的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。缺點(diǎn)是電路缺乏過熱保護(hù)模塊，因?yàn)樵贚ED工作過程中產(chǎn)生大量的熱量，如果熱量不及時(shí)散出，會(huì)影響到LED的壽命和發(fā)光質(zhì)量，引起光衰等問題，因此，下一步的改進(jìn)著重于自適應(yīng)照明方面。

系統(tǒng)利用單片機(jī)技術(shù)和無線傳輸技術(shù)相結(jié)合，將LED驅(qū)動(dòng)的電流通過PWM調(diào)節(jié)，達(dá)到了預(yù)先期望，在不同的外界光強(qiáng)情況下能夠得到不同的LED燈光亮度，從而保持車廂環(huán)境光照度保持在一個(gè)最佳狀態(tài)。通過本文對(duì)軌道車輛用電的分析，可以考慮將本設(shè)計(jì)研究應(yīng)用到軌道車廂照明中去，對(duì)未來LED的發(fā)展和軌道車廂照明系統(tǒng)的改進(jìn)具有突破性作用。