网络化智能调光LED隧道照明系统

　　摘要：本课题的主要研究内容是根据《公路隧道通风照明设计规范》要求研究设计了网络化智能调光LED隧道灯控制系统。照明灯具采用可调光的LED光源，结合无线通信模块搭建无线灯具网络，以及控制系统输入参数采集的无线传感器网络；系统通过传感器网络采集洞内外亮度，车速车流量作为控制输入参数，经监控计算机处理实现隧道照明的实时调光控制[1]。

　　智能隧道灯介绍

　　智能LED隧道灯硬件部分分为LED驱动电路、LED调光电路、传感器驱动电路、通信模块以及数模转换模块。目前已完成以红外传感器控制的调光LED隧道灯样品的部分设计。

　　LED隧道灯恒流源驱动电路

　　电路由EMI输入抑制电路、输入整流滤波电路、IC辅助供电电路、功率调节电路、输出整流滤波、恒压与恒流输出反馈控制电路等组成。

　　恒压与恒流输出反馈控制电路以芯片LM358为核心，该芯片内置两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器。通过采集LED灯上的电流电压输入到放大器中与基准电压作比较，比较结果输出到光耦。光耦导通状态的变化对功率调节模块进行影响。

　　功率调节模块以L6562为控制芯片。当由于某种原因LED电流减小时，通过LM358输出到光耦，光耦放大后输出给L6562。芯片对输入信号进行反相处理，输出脉冲宽度增大。宽度增大的输出脉冲驱动功率转换级的开关管，进行一次PWM调节，通过增加占空比的方式使次级输出电压增加。这样LED两端的电压也增大，于是电流随之增大，这就维持了LED的电流恒定。同样，若由于某种原因使LED电流增大时，其控制过程相反[2]。

　　调光模块设计

　　调光模块采用NE555组成的延时开关电路，该模块接收传感器的输出信号，通过电容充放电实现延时功能。NE555输出端接光耦，功能类似于开关，光耦另一端电路通过改变LM358的基准比较电压来改变运算放大器的输出，进而控制功率调节模块达到调光的功能。

　　传感器模块设计

　　传感器可使用红外或微波检测，可放置于隧道口或集成到灯具中。当传感器集成在灯具中时，可将检测车辆的信号直接输入到调光模块的输入端。如果将传感器放置于隧道口，则可以检测车流量以及车速等信息。并将该信息发送到上位机通过算法对调光模块进行远程控制。

　　控制器设计

　　驱动电路

　　变压器次级线圈感应电压经二极管整流，两个C11为滤波电路，得到直流输出电压。

　　恒压电路工作原理：U3B、TL431、R34、R35、U3、PC817组成电压控制环路。TL431是精密电压调整器，阴极K与控制极R直接短路构成精密的2.5V基准电压。2.5V基准电压由电阻R36送到U3B正相输入端；而反相输入端则由R34、R35的分压比来设定。若输出电压上升，则R35电压也上升，该电压与反相端2.5V基准电压比较，U3B输出误差信号，该信号流入光耦中的LED，进而通过反馈控制网络控制一次PWM输出占空比，使输出电压工作在恒压状态。

　　恒流电路工作原理：U3A、TL431、R45、R32、U3、PC817组成电流控制环路。R45是输出电流取样电阻，输出电流在R45上产生R45/IOUT的电压降。该电压送到U3A的反相输入端，而2.5V基准电压则由R38、R39、R40组成的分压电路，再将分压电压送到正相输入端，输出电流在R45上的电压降与2.5V基准电压分压电压进行比较，输出误差信号改变光耦LED中的电流，进而通过反馈控制网络控制一次PWM输出占空比，使输出恒流。采用由放大器组成的恒压、恒流控制电路可实现很高的恒压与恒流精度。因电路采用放大器形式，因此R45的电阻值可选为mΩ级，对电路转换效率基本无影响。

　　供电部分

　　EMI输入电路工作原理：交流电输入经过串联NTC热敏电阻。NTC的电阻值随温度升高而减小，这样在开机一瞬间避免了输入电流过大。并联在交流两端的压敏电阻TUR1的作用是抑制浪涌电压。当压敏电阻器两端所加电压低于标称额定电压值时，压敏电阻器的电阻值接近无穷大，内部几乎无电流流过。当压敏电阻器两端电压略高于标称额定电压时，压敏电阻器将迅速击穿导通，是输入短路，保护后边的电路。C01、C02、C03的作用是吸收差模干扰，C04的作用是消除从后边电路中流入电网的差模干扰。共模线圈L01的作用是吸收共模干扰。

　　BR1为整流桥，整流后经过L1滤波，R21的作用是断电后泄流，避免断电后电感内部电流对人造成伤害。

　　DZ、D4、R20、C7的作用是保护芯片。当晶体管断开时，变压器初级线圈产生的反击电压脉冲将会与输入电压叠加，同时加到Q1的D、S两端，此时二极管D4导通，并对C7充电，C7把加到Q1的尖峰脉冲电压吸收，防止击穿。R20作用是把C7吸收电压产生的积累电荷泄放，为下次吸收做准备。

　　调光模块[3]

　　无论调光模块是直接从传感器接受脉冲信号还是接收转换为模拟量的控制信号，该控制信号经过电容流向NPN三极管的基极，导通三极管。三极管导通后2脚处于低电平状态，7脚外接电容瞬间放电，同时3脚处于高电平。此时PNP三极管由导通状态变为关断状态，光耦也由导通状态变为关断状态。由于三极管导通只是瞬时状态，再次关断后，电容开始充电，充电速度由变阻器决定。当电容充电到一定电压时，2脚电压恢复高电平，3脚输出变为低电平，PNP三极管导通，光耦导通。

　　功率调整模块[4]

　　由于某种原因使LED电流减小时，恒流电路采集到变化(减小)的电流值，进行误差放大后，通过控制PC817的导通状态，输出给功率调节电路。功率调节电路中的L6562芯片对输入信号进行反相处理，输出脉冲宽度增大。宽度增大的输出脉冲驱动晶体管Q1，从而使得初级线圈中电压增大，进而次级输出电压增加。这样，LED两端的电压也增大，于是流过LED的电流也增大，这就维持发光二极管的电流恒定。同样，若由于某种原因使发光二极管的电流增大时，其控制过程相反。这种恒流驱动器的优点就在于：不管LED的管压降差异有多大，其结温和环境温度的变化引起二极管的电流变化有多大，都能通过高速的恒流电路的快速调整，来维持LED的电流恒定。

　　1脚(INV)：误差放大器反向输入端。PFC输出电压由分压电阻分压后送入该脚。

　　2脚(COMP)：误差放大器输出端。补偿网络设置在该脚与INV端(1脚)，以完成电压控制环路的稳定性和保证有高的PF值与低的谐波失真(THD)。

　　3脚(MULT)：乘法器输入端。该脚通过分压电阻分压，连接到整流器整流电压端，提供基准的正弦电压给电流环。

　　4脚(CS)：输入到PWM比较器。MOSFET管电流流过取样电阻，在电阻产生电压降，该电压与内部的正弦电压形成基准信号，与乘法器比较来决定MOSFET的关闭。

　　5脚(ZCD)：升压电感去磁侦测输入端。工作在临界传导模式，用负极性信号的后沿来触发MOSFET的导通。

　　6脚(GND)：地。栅极驱动和信号回路的通路都应该汇集到该地引脚端。

　　7脚(GD)：栅极驱动输出。图腾柱输出能直接驱动MOSFET管或IGBT管，对源极峰值推动电流是600mA，吸收电流时800mA。该脚的驱动电压被钳制在12V左右，避免因CCU电压过高而使驱动电压也升高。

　　8脚(CCV)：电压供给IC内部信号与栅极驱动，供电电压被限制在22V以下。

　　结语

　　网络化智能调光LED隧道灯的突破意义就在于它将隧道内灯具的开关与否以及亮度与车流量挂钩，进行实时监测实时控制。通过传感器采集详细的车流量、车速等信息，通过算法进行分析得出最合理的调光方案并通过无线通讯发送给灯具进行控制。在运行过程中，系统直接降低了维护的人工费用、灯具的功率、线缆费用以及灯具输出功率，从而大大降低了初期建设费用以及年运营费用。这种控制方法不仅通过调光合理控制灯具工作状态，同时根据人眼的视觉特点避免造成了车辆刚进隧道式产生的炫目现象，使人眼平滑的从自然光过渡过来，大幅提高了安全系数。

　　参考文献：

　　[1] 韩直，基于等效亮度的公路隧道照明需求研究[J].中国交通信息产业，2007：11

　　[2] 周志敏，周纪海，纪爱华.LED驱动电路设计与应用[M].北京：人民邮电出版社，2006：12

　　[3] 周建，吕晓峰，杨洋.公路隧道LED灯照明系统无级调光控制方式研究[J].公路隧道，2010，(3)：10-13

　　[4] 王彦锋，公路隧道照明节能研究田[D].西安：长安大学，2009：5-7

　　[5] 马永强，李静强，冯立营.基于ZigBee技术的射频芯片CC2430[J].新器件新技术，2006，(3)：45-47

　　张天择