隧道建設(shè)對(duì)于我國(guó)改善道路交通現(xiàn)狀,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的平穩(wěn)快速發(fā)展具有重要意義。隧道智能照明控制系統(tǒng)作為隧道建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié),也日益受到更多的關(guān)注。在隧道智能照明控制系統(tǒng)中,隧道的照明強(qiáng)度能夠根據(jù)洞外亮度、車流量以及車速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié),這就要求隧道照明的燈具具有良好的調(diào)光性能,能夠接收到中控機(jī)發(fā)出的調(diào)光指令,實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度的平穩(wěn)調(diào)節(jié)。
LED燈具與傳統(tǒng)的熒光燈、高壓鈉燈等不同,其亮度能夠在0~100%之間自由平滑的調(diào)節(jié),并不影響其使用壽命,而且調(diào)節(jié)控制方法簡(jiǎn)單有效。再加上LED燈具本來(lái)在節(jié)能方面的巨大優(yōu)勢(shì),使得LED燈具在現(xiàn)代隧道照明當(dāng)中應(yīng)用的越來(lái)越廣泛。但現(xiàn)在在隧道照明當(dāng)中應(yīng)用的LED燈具的布置和控制方式往往還按照以往對(duì)于高壓鈉燈的布置和控制方式來(lái)進(jìn)行,根本發(fā)揮不出LED本身所存在的優(yōu)勢(shì),所以設(shè)計(jì)一款高效、節(jié)能、易于控制的LED燈具就顯得很重要。
本文根據(jù)隧道智能照明控制系統(tǒng)對(duì)于燈具的要求,設(shè)計(jì)了一款基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),可以利用PWM技術(shù)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)光的LED燈具。
1 總體設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)計(jì)要求,我們可以得到如圖1所示的LED燈具的電路結(jié)構(gòu)圖。220 V市電先經(jīng)過(guò)EMI濾波電路后經(jīng)過(guò)整流電路變?yōu)橹绷麟?,然后?jīng)過(guò)功率校正電路來(lái)提高電源的功率因數(shù),防止對(duì)電網(wǎng)造成諧波干擾。燈具模塊中具有的無(wú)線通信ZigBee模塊可以將所有LED燈具組成一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò),每一個(gè)LED燈具都可以接受到主控制器發(fā)送的調(diào)光控制指令,經(jīng)過(guò)PWM模塊施加到LED的驅(qū)動(dòng)電路上,來(lái)平滑地改變LED燈具的亮度,實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制。
圖1:LED燈具結(jié)構(gòu)圖
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 前級(jí)電路
根據(jù)LED燈具對(duì)于直流驅(qū)動(dòng)電流的要求,LED燈具的前級(jí)電路主要包括EMI整流電路、橋式整流電路以及功率因數(shù)校正電路,具體的電路如圖2所示。
圖2:前級(jí)電路圖
濾波電路中電阻起到過(guò)壓保護(hù)的作用,C1、C2、L1、L2組成的濾波電路有效地抑制了電磁干擾,同時(shí)也使LED燈具產(chǎn)生的電磁干擾不會(huì)影響到電網(wǎng)。由4個(gè)二極管組成的橋式整流電路將交流電轉(zhuǎn)換成直流電,同時(shí)通過(guò)C3進(jìn)行高頻噪聲的濾波。功率因數(shù)校正電路以L6561控制器為核心,整流電路輸出電壓經(jīng)過(guò)R9、R10分壓器采樣,通過(guò)L6561升壓變換得到直流輸出電壓。整個(gè)電路在L6561的控制下,使得整流二極管的導(dǎo)通角幾乎為180度,能夠與交流的輸入電壓保持相同的相位,從而將功率因數(shù)提高到接近于1。同時(shí),該電路還起到了高功率因數(shù)的開關(guān)電源的作用。2.2 LED驅(qū)動(dòng)電路
LED的驅(qū)動(dòng)控制模塊采用的是TI公司開發(fā)的LM3407芯片,它是集成了N溝道功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管的脈沖寬度調(diào)制的浮動(dòng)式降壓轉(zhuǎn)換器,可以直接控制平均負(fù)載電流,專門用于大功率的LED顆粒的恒流控制,非常適合作為隧道照明控制系統(tǒng)中LED燈具的驅(qū)動(dòng)電路使用。本文設(shè)計(jì)了基于LM3407的一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)例,它能夠提供350 mA的恒定電流來(lái)驅(qū)動(dòng)6個(gè)串聯(lián)的LED燈組?;贚M3407的LED驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。
圖3:LED驅(qū)動(dòng)電路
在此電路中可以通過(guò)調(diào)整電阻RISNS1和RISNS2來(lái)調(diào)整該驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流,默認(rèn)情況下兩個(gè)電阻的取值都為1.13 Ω,最終可以使得整個(gè)電路的輸出電流為350 mA。整個(gè)電路開關(guān)頻率的調(diào)節(jié)是通過(guò)設(shè)定電阻RFS的阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)的,可以靈活的將驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)頻率設(shè)定在300 kHz到1 MHz之間。為了獲得較為恒定的電流輸出,LM3407需要工作在連續(xù)傳導(dǎo)模式下。為此,我們應(yīng)該使得電感器的紋波電流的幅值能夠盡可能的小。在此應(yīng)用下,電感器的默認(rèn)值是33μH。
在一般情況下,我們可以將脈沖信號(hào)施加到DIM腳,這樣就可以周期性地啟動(dòng)和禁止LM3407,從而控制輸出電流,達(dá)到對(duì)LED陣列調(diào)光的目的。
2.3 ZigBee模塊
無(wú)線通信模塊采用的是基于ZigBee技術(shù)的CC2430芯片,它是真正的系統(tǒng)芯片CMOS解決方案。該解決方案能夠滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHz ISM波段應(yīng)用,同時(shí)滿足低成本、低功耗的要求。通過(guò)添加ZigBee模塊,使得LED燈具具有無(wú)線組網(wǎng)功能,能夠?qū)ED燈具作為終端節(jié)點(diǎn)接入整個(gè)隧道照明控制系統(tǒng)當(dāng)中。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不但能夠?qū)ED燈具的電流、電壓等信息實(shí)時(shí)地傳遞給后臺(tái)服務(wù)器,同時(shí)能夠根據(jù)隧道運(yùn)行參數(shù)動(dòng)態(tài)地向LED燈具發(fā)出相應(yīng)的調(diào)光指令,調(diào)節(jié)隧道照明亮度。CC2430及其外圍電路如圖4所示。
圖4:CC2430及其外圍電路
圖5:SG3525及其外圍電路
2.4 PWM模塊 PWM波形的產(chǎn)生芯片采用Silicon General公司生產(chǎn)的SG3525。它是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強(qiáng)的單片集成PWM控制芯片。它簡(jiǎn)單可靠,使用靈活方便,輸出驅(qū)動(dòng)為推拉輸出形式,增加了驅(qū)動(dòng)能力。內(nèi)部的欠壓鎖定電路、軟啟動(dòng)控制電路、PWM鎖存器具有過(guò)流保護(hù)功能,頻率可調(diào),同時(shí)能限制最大占空比。PWM模塊及其外圍電路如圖5所示。
3 結(jié)束語(yǔ)
文中設(shè)計(jì)了一款基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò),能夠進(jìn)行PWM調(diào)光的LED燈具,通過(guò)對(duì)燈具每個(gè)模塊的具體分析與設(shè)計(jì),使得該款LED燈具能滿足隧道智能照明控制系統(tǒng)的要求,能夠廣泛地應(yīng)用于隧道智能照明控制系統(tǒng)中,具有較高的市場(chǎng)利用價(jià)值。