基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的LED調(diào)光燈具的設(shè)計

于東東

（東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620）

隧道建設(shè)對于我國改善道路交通現(xiàn)狀，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的平穩(wěn)快速發(fā)展具有重要意義[1]。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)行實時調(diào)節(jié)[2]，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)控制方法簡單有效[3]。再加上LED燈具本來在節(jié)能方面的巨大優(yōu)勢，使得LED燈具在現(xiàn)代隧道照明當(dāng)中應(yīng)用的越來越廣泛。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于高壓鈉燈的布置和控制方式來進(jìn)行[4]，根本發(fā)揮不出LED本身所存在的優(yōu)勢，所以設(shè)計一款高效、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)對于燈具的要求，設(shè)計了一款基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以利用PWM技術(shù)進(jìn)行無級調(diào)光的LED燈具。

1 總體設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，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EMI濾波電路后經(jīng)過整流電路變?yōu)橹绷麟?，然后?jīng)過功率校正電路來提高電源的功率因數(shù)，防止對電網(wǎng)造成諧波干擾。燈具模塊中具有的無線通信ZigBee模塊可以將所有LED燈具組成一個無線網(wǎng)絡(luò)，每一個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PWM模塊施加到LED的驅(qū)動電路上，來平滑地改變LED燈具的亮度，實現(xiàn)調(diào)光控制[5]。

圖1 LED燈具結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of LED lamp

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 前級電路

根據(jù)LED燈具對于直流驅(qū)動電流的要求，LED燈具的前級電路主要包括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。

濾波電路中電阻起到過壓保護(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，同時也使LED燈具產(chǎn)生的電磁干擾不會影響到電網(wǎng)。由4個二極管組成的橋式整流電路將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，同時通過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R9、R10分壓器采樣，通過L6561升壓變換得到直流輸出電壓。整個電路在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，該電路還起到了高功率因數(shù)的開關(guān)電源的作用[6]。

圖2 前級電路圖Fig.2 The former circuit

2.2 LED驅(qū)動電路

LED的驅(qū)動控制模塊采用的是TI公司開發(fā)的LM3407芯片，它是集成了N溝道功率MOS場效應(yīng)管的脈沖寬度調(diào)制的浮動式降壓轉(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)動電路使用。本文設(shè)計了基于LM3407的一個LED驅(qū)動電路的實例，它能夠提供350 mA的恒定電流來驅(qū)動6個串聯(lián)的LED燈組[7]。基于LM3407的LED驅(qū)動電路如圖3所示。

圖3 LED驅(qū)動電路Fig.3 LED drive circuit

在此電路中可以通過調(diào)整電阻RISNS1和RISNS2來調(diào)整該驅(qū)動電路的輸出電流，默認(rèn)情況下兩個電阻的取值都為1.13 Ω，最終可以使得整個電路的輸出電流為350 mA。整個電路開關(guān)頻率的調(diào)節(jié)是通過設(shè)定電阻RFS的阻值來實現(xiàn)的，可以靈活的將驅(qū)動電路的開關(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33 μH。

在一般情況下，我們可以將脈沖信號施加到DIM腳，這樣就可以周期性地啟動和禁止LM3407，從而控制輸出電流，達(dá)到對LED陣列調(diào)光的目的。

2.3 ZigBee模塊

無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，同時滿足低成本、低功耗的要求。通過添加ZigBee模塊，使得LED燈具具有無線組網(wǎng)功能，能夠?qū)ED燈具作為終端節(jié)點接入整個隧道照明控制系統(tǒng)當(dāng)中。無線網(wǎng)絡(luò)不但能夠?qū)ED燈具的電流、電壓等信息實時地傳遞給后臺服務(wù)器，同時能夠根據(jù)隧道運(yùn)行參數(shù)動態(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[8]。CC2430及其外圍電路如圖4所示。

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。它簡單可靠，使用靈活方便，輸出驅(qū)動為推拉輸出形式，增加了驅(qū)動能力。內(nèi)部的欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM鎖存器具有過流保護(hù)功能，頻率可調(diào)，同時能限制最大占空比。PWM模塊及其外圍電路如圖5所示。

3 結(jié)束語

文中設(shè)計了一款基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，能夠進(jìn)行PWM調(diào)光的LED燈具，通過對燈具每個模塊的具體分析與設(shè)計，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，具有較高的市場利用價值。

圖4 CC2430及其外圍電路Fig.4 CC2430 circuit

圖5 SG3525及其外圍電路Fig.5 SG3525 circuit

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