1、淺析軌道車輛車廂LED照明控制系統(tǒng)0引言隨著科技的進步，軌道車輛技術(shù)發(fā)展迅猛，我國高鐵的速度不斷被刷新，乘坐軌道車輛 旅行已成為人們生活中的一部分。生活水平的不斷改善促使人們對乘坐軌道車輛旅行的質(zhì)量 要求也越來越高，這其中就包含車廂環(huán)境的照明要求。目前，我國軌道車輛車廂照明大都采用的是熒光燈。但是熒光燈壽命較短，旅行生活中 經(jīng)常會遇到燈管損壞的現(xiàn)象，且往往得不到及時更換，給旅客的旅行生活造成許多不便。同 時，能源日趨緊張和環(huán)境的日益惡化促使人們更多的去尋求節(jié)能環(huán)保的能源利用方式。LED具 有效率高、壽命長、抗振性能好以及環(huán)保等優(yōu)點，它將電能轉(zhuǎn)化成光能的效率是白熾燈的10 倍以上，也是目前廣泛應(yīng)

2、用的日光燈的2到3倍以上，并且還有很大的發(fā)展空間。在壽命方 面，LED燈的壽命在50000h以上，與壽命只有數(shù)千小時的白熾燈和熒光燈相比較，優(yōu)勢顯而 易見。同時，LED不像易碎且包含有害氣體的日光燈那樣，對環(huán)境無污染，可以稱得上是綠 色光源。因此，將具有超長壽命的LED用在軌道車輛的車廂照明中，不僅可以行約電能，節(jié) 省運營成本，而且減少了頻繁更換燈管的繁瑣工作。為了實現(xiàn)LED在軌道車輛車廂照明中的 應(yīng)用，設(shè)計了一種用于軌道車輛車廂的LED照明控制系統(tǒng)。通過對軌道車輛供電原理的分析， 確定了一種解決軌道車輛LED照明的方案。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，通過一

3、定的算法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)。1軌道車輛車廂照明原理分析軌道車輛照明用電來自外部供電系統(tǒng)。電能由發(fā)電廠輸送到牽引變電所，再由牽引變電 所送到鐵路沿線的接觸網(wǎng)。軌道車輛上部的受電弓與接觸網(wǎng)的供電線路接觸，電能經(jīng)過受電 弓被引入軌道車輛的電器設(shè)備。在電能傳輸每一個環(huán)節(jié)都會進行一定的電壓變換。由牽引變電所輸出的接觸網(wǎng)上一般是 十幾千伏至幾十千伏的交流電或直流電，經(jīng)受電弓引入列車后，由列車上的變壓設(shè)備將該電 能一部分降壓成380V的交流電，用于牽引動力部分的消耗;另一部分則是由輔助逆變器轉(zhuǎn)換 成220V的交流電或者110V的直流電

4、，用于列車內(nèi)的照明以及其它車載電器設(shè)備使用。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，這樣可以使得車載燈具 及其它電器設(shè)備與普通巾電照明的燈具具有良好的互換性，給相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計和研發(fā)帶來極 大的方便。2控制系統(tǒng)總體設(shè)計軌道車輛車廂LED照明控制系統(tǒng)由主供電電路和控制電路兩部分組成。主供電電路是由 220V交流電源、LED交流驅(qū)動器、LED燈具等組成。控制電路由微處理核心、亮度采集模塊、 串口電路、控制核心電路等組成。主供電電路的電能來源于由輔助逆變器產(chǎn)生的220V交流電，由于LED是單向?qū)ㄆ骷? 所以只能用直流電為其供電，因此，需要由LED交流驅(qū)動器轉(zhuǎn)換成特定電

5、壓的直流電，再直接輸入LED燈具使之發(fā)光。控制系統(tǒng)以STC89c51單片機為控制核心，所有單片機都分別是各個模塊的微處理核心。 照度傳感器與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成了亮度采集模塊。照度傳感器采集的環(huán)境亮度信號為模擬量, 經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD處理得到數(shù)字信號，再將數(shù)字信號送入單片機1,數(shù)字量被單片機1處理 后得到環(huán)境的亮度值。共有8個照度傳感器分布在車廂的不同位置.單片機1將來自8個傳 感器傳來的亮度信息進行融合處理，得到車廂內(nèi)部需要的光線亮度信息。單片機1再將處理 得到的光線亮度信息通過串口輸送給車廂內(nèi)部與LED交流驅(qū)動器相連的各個單片機。這些單 片機向LED交流驅(qū)動器發(fā)送PWM信號，對LED燈的發(fā)光強

6、度進行調(diào)節(jié)。就整個控制系統(tǒng)來看，單片機1作為系統(tǒng)的主機，其它各個單片機為從機。該控制系統(tǒng) 可以根據(jù)需要，既可以同時控制車廂內(nèi)所有的LED燈的亮度，也可以通過可尋址的方法控制 某個燈的亮度。3硬件設(shè)計硬件設(shè)計的主要部分包括亮度采集模塊設(shè)計、LED交流驅(qū)動器設(shè)計、系統(tǒng)控制核心部分 設(shè)計。3.1亮度采集模塊的設(shè)計亮度采集模塊包括了 3部分的內(nèi)容，首先是模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809,它與單片機的P0引 腳連接，而后是74LS74芯片，用來給ADC0809提供時鐘源信號的4分頻電路，最后是照度傳 感器，共有8個，分布在車廂的不同位置。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809將8個亮度傳感器采集到的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然

7、后通過DO D7引腳傳送給單片機的P0 口。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809需要外部提供一個500kHz的時鐘。單 片機外部的晶振頻率是12MHz的，當不訪問外部內(nèi)存時，ALE引腳以六分之一振蕩頻率固定 輸出正脈沖，其固定頻率是2MHzo因此，需要一個4分頻的電路來實現(xiàn)500kHz的時鐘信號。 于是采用74LS74來實現(xiàn)4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)。3. 2LED交流驅(qū)動器的設(shè)計LED交流驅(qū)動器用來將220V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

8、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，文中選用恒流式驅(qū)動方式。 驅(qū)動器需要一個功率足夠大的驅(qū)動芯片，因此，文中選用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18450V的電壓范圍，可以在20300kHz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。為了防止異常過電壓對電路的損害，設(shè)計了抗浪涌保護電路。利用壓敏電阻的閥門特性,可以很好地實現(xiàn)對過電壓的保護。由于LED驅(qū)動器

9、為開關(guān)電路，這就不可避免地產(chǎn)生電磁干擾的問題，另外，整流電路、 高頻變壓器等都容易引起電磁干擾的問題，設(shè)計了 EMC（電磁兼容性）濾波電路來消除電磁干 擾。為了提高驅(qū)動器的效率，減少電源設(shè)備對外輻射和傳導干擾，文中設(shè)計的驅(qū)動器采用了 PFC（功率因數(shù)校正）技術(shù)，減少了元器件的使用量，降低了設(shè)計成本，并且提高了驅(qū)動器的整 體能效。3. 3系統(tǒng)控制核心部分的設(shè)計STC89C51單片機具有運算速度快、編程方便、集成化程度高、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，適合于 處理計算復雜、動態(tài)連續(xù)的環(huán)境亮度信息。STC89c51采用的是精簡指令集結(jié)構(gòu)的8051CPU, 能夠保證照明控制系統(tǒng)對環(huán)境亮度信息的快速處理能力。STC8

10、9C51有足夠的通用I/O 口，可 以設(shè)置成多種模式，ISP/IAP特性無需專用的程序設(shè)計器，可以直接通過串口下載用戶程序， 給LED照明控制系統(tǒng)的程序設(shè)計帶來了極大的方便。控制核心電路主要包括單片機和傳感器。由于單片機內(nèi)部P0 口沒有上拉電阻，為了加強 P0 口的驅(qū)動能力，文中在P0 口加了上拉電阻。而P2 口加上拉電阻主要是出于增強P2 口的 抗干擾能力。P0 口用來實現(xiàn)與ADC0809芯片之間信息的傳輸通道，通過P0 口接收ADC0809 芯片處理得到的環(huán)境亮度信息的數(shù)字量，經(jīng)過處理后通過串口通知下位機單片機，下位機單 片機根據(jù)該信息輸出一定占空比的PWM信號到LED交流驅(qū)動器，來控制L

11、ED燈的發(fā)光亮度。 P2 口是實現(xiàn)對ADC0809芯片操作指令的控制。4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。根據(jù)照明系統(tǒng)的設(shè)計標準，車廂內(nèi)距離地板而高800nlm處的照明強度2501X,因此，編 程時是將傳感器獲得的照度值與該值做相減運算，再根據(jù)差值的

12、正負與大小，選擇一定占空 比的PWM脈沖信號，傳送給LED交流驅(qū)動器的驅(qū)動芯片。在編程時設(shè)計了多個差值的范圍， 為了使調(diào)光迅速而又準確，差值的絕對值越大，使不同差值范闈對應(yīng)的PWM占空比的變化越 大，差值的絕對值越小，使不同差值范圍對應(yīng)的PWM占空比的變化越小。程序不斷對車廂內(nèi) 實時的照度值進行動態(tài)采集并比較，比較結(jié)果一旦超出預訂范闈，就及時地對燈的亮度做出 調(diào)整，達到控制車廂內(nèi)亮度穩(wěn)定的目的。5仿真分析利用Proteus軟件對設(shè)計的軌道車輛車廂LED照明驅(qū)動電路進行仿真。可以看出，在初 始零時刻，驅(qū)動電路輸出電壓為零伏。延遲數(shù)亳秒之后開始逐漸增加，經(jīng)過大約400ms后進 入穩(wěn)定狀態(tài)，隨著時間

13、的延續(xù)，電壓值不再增長。仔細觀察會發(fā)現(xiàn)，輸出的電壓值穩(wěn)定后也不是一條平滑的直線，而是在做高頻率小幅振動。從水平時間軸的刻度可以判斷，微小波動 的頻率在數(shù)千赫茲以上。電流仿真曲線的走勢基本與電壓曲線相吻合。在開始時從零逐漸增加，大約400ms后進 入穩(wěn)定狀態(tài)。進入穩(wěn)定之后基本與時間軸平行，不再隨著時間而變化。同樣，電流仿真.曲線 也不是一條平滑的曲線，它也存在高頻率的微小振動。如果電流存在波動，LED的發(fā)光強度 也會存在波動。而如果電流波動頻率足夠大，超過100Hz,人眼是分辨不出LED燈亮度變化 的。只要電流的平均值不變，LED燈給人的感覺就是發(fā)光亮度均勻。LED驅(qū)動器電路的整體仿 真來看，輸出電壓與電流平穩(wěn)，能夠滿足LED的驅(qū)動要求。6結(jié)語設(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