LED路燈智能數(shù)字恒流源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 磊， 張曉斌

(西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系，陜西西安710129)

LED路燈智能數(shù)字恒流源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 磊， 張曉斌

(西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系，陜西西安710129)

LED路燈恒流源是LED路燈照明設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，而具有燈光自動(dòng)調(diào)節(jié)、通信等智能控制功能的LED路燈恒流源將會(huì)推動(dòng)LED路燈照明的快速發(fā)展。智能數(shù)字恒流源系統(tǒng)融合了基于HV9110B芯片控制的Buck電路、單片機(jī)中心控制單元以及通信單元，能夠?qū)崿F(xiàn)LED路燈根據(jù)外界自然光和自身溫度自動(dòng)調(diào)光，恒流源高精度的電流輸出，供電電源和LED路燈恒流源之間的通信和檢測(cè)調(diào)試等功能。設(shè)計(jì)了智能數(shù)字恒流源系統(tǒng)的總體電路結(jié)構(gòu)，各部分的電路設(shè)計(jì)，通信單元的軟件設(shè)計(jì)，控制故障顯示界面設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求。

智能數(shù)字恒流源；HV9910B；中心控制單元；通信單元

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，LED路燈以定向發(fā)光、功率消耗低、驅(qū)動(dòng)特性好、響應(yīng)速度快、抗震能力高、使用壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)成為最具有替代傳統(tǒng)光源優(yōu)勢(shì)的新一代節(jié)能光源，因此，LED路燈將成為道路照明節(jié)能改造的最佳選擇。LED照明是下一代照明產(chǎn)品的趨勢(shì)：一方面是由于其自身的優(yōu)點(diǎn)；另一方面，LED產(chǎn)業(yè)與目前各國(guó)所倡導(dǎo)的節(jié)能環(huán)保、營(yíng)造“綠色低碳”生活的政策相符。但是針對(duì)LED路燈所單獨(dú)開(kāi)發(fā)的恒流源驅(qū)動(dòng)裝置還很少，目前市場(chǎng)上的LED路燈恒流源價(jià)格較高，恒流輸出電流精度以及智能化程度還較低[1-2]。本文設(shè)計(jì)了一種能夠具有輸出較高精度的恒流電流，根據(jù)外界環(huán)境自動(dòng)智能調(diào)整LED路燈的亮度，實(shí)現(xiàn)供電電源和恒流源相互通信等功能的智能數(shù)字恒流源系統(tǒng)，另外本系統(tǒng)選用了較低成本的HV9910B電源控制芯片和Mage16單片機(jī)控制單元，大大降低了制造成本，更有利于市場(chǎng)推廣。

1 電路設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，方框內(nèi)為智能數(shù)字恒流源單元，主要包括以HV9910B恒流控制芯片為核心的功率變換電路，以VIPer22A-E芯片為核心的內(nèi)部電源，以Mage16為核心的智能控制單元、數(shù)據(jù)采集電路及高可靠性遠(yuǎn)程通信單元。

圖1 智能數(shù)字恒流源的整體結(jié)構(gòu)

1.2 功率電路設(shè)計(jì)

基于HV9910B的功率變換電路如圖2所示。芯片HV9-910B是開(kāi)環(huán)電流控制LED驅(qū)動(dòng)IC，可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)恒定頻率模式或恒定關(guān)斷時(shí)間模式，包含一個(gè)8.0～450 V的線性穩(wěn)壓器，在不需要外部低壓供電情況下，能夠有較寬的工作電壓。HV9910B包含一個(gè)PWM調(diào)光輸出，能夠允許占空比0～100%變化以及頻率高達(dá)幾千Hz的外部控制信號(hào)，同時(shí)包含一個(gè)0～250 mV的線性調(diào)光輸出，能夠用作LED電流的線性控制。

圖2 基于HV9910B的Buck恒流源驅(qū)動(dòng)電路

當(dāng)占空比小于0.5時(shí)，控制芯片HV9910B工作于恒定頻率模式；當(dāng)占空比大于0.5時(shí)，控制芯片HV9910B工作在恒定關(guān)斷時(shí)間模式。在本系統(tǒng)中，控制芯片工作于恒定關(guān)斷時(shí)間模式。輸出電流設(shè)定：

1.3 智能控制電路的設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制單元包括單片機(jī)Mage16及其外圍電路，熱敏電阻MF58構(gòu)成的溫度采集電路和電流感應(yīng)芯片ACS712組成的電流采集電路[3]。單片機(jī)對(duì)恒流源的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并與集中供電電源進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，輸出可調(diào)的PWM波控制LED亮度。

1.4 通信電路設(shè)計(jì)

在LED路燈集中供電場(chǎng)合，一個(gè)供電電源至少同時(shí)為30個(gè)LED路燈供電，而這些路燈分布在道路兩側(cè)，路燈之間的最大距離為上千米甚至數(shù)千米，如果集中供電電源要與這些路燈之間進(jìn)行通信，普通的數(shù)據(jù)通信方式很難滿足抗干擾和抗衰減的要求。因此，在LED電源供電時(shí)，專門設(shè)計(jì)了一個(gè)針對(duì)集中供電電源與LED路燈負(fù)載之間的通信電路，具有電路簡(jiǎn)單、可靠性高、通信距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。如圖3所示，上半部分是發(fā)送節(jié)點(diǎn)，下半部分是接收節(jié)點(diǎn)，TXD是MCU的發(fā)送口，RXD是MCU的接收口，DC_IN+和DC_IN-是集中供電電源為L(zhǎng)ED路燈供電的直流傳輸線，VI線是信號(hào)傳輸線。

弱電部分通過(guò)光耦PC817與強(qiáng)電部分隔離開(kāi)來(lái)，當(dāng)發(fā)送高電平時(shí)，PNP三極管Q3截止，PNP三極管Q2基極沒(méi)有電流，也為截止?fàn)顟B(tài)，信號(hào)傳輸線VI上的電壓為0 V，光耦U7的二極管側(cè)不導(dǎo)通，RXD處接收到高電平。當(dāng)發(fā)送低電平時(shí)，Q3導(dǎo)通，光耦U4中流過(guò)Q2的基極電流，使Q2導(dǎo)通，信號(hào)傳輸線VI上的電壓為105～37 V(與接收節(jié)點(diǎn)的數(shù)量有關(guān))，這個(gè)電壓足夠使光耦U7的二極管側(cè)導(dǎo)通，RXD處接收到低電平。此通信電路的最大特點(diǎn)是使用電流傳送信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)，其通信速率可達(dá)200 Hz，通信節(jié)點(diǎn)可達(dá)50個(gè)以上，完全滿足分布式LED路燈與集中供電電源之間的通信需求[4]。

圖3 LED恒流源和供電設(shè)備通信電路

2 LED恒流與供電設(shè)備通信軟件設(shè)計(jì)

供電電源與LED燈之間的通信采用雙向半工通信。電源為主控方，LED路燈為副方，電源對(duì)LED燈的控制采用群控和巡檢結(jié)合的方法[5]。

供電電源使用普通I/O口作為通訊接口，供電電源工作后，開(kāi)啟定時(shí)器，定時(shí)間隔為10 ms，在定時(shí)器中斷時(shí)，對(duì)發(fā)送接口賦值，每隔10 ms賦值一次，表示傳送通訊字的一位。待通訊字傳送完畢后，主機(jī)信息發(fā)送結(jié)束。此后，電源以10 ms為周期讀取接收端口的電平值，接收從機(jī)發(fā)送的信息。同樣，LED燈的單片機(jī)也使用普通I/O口作為通訊接口，其收發(fā)數(shù)據(jù)的原理與供電電源相同[6]。

供電電源開(kāi)機(jī)后，電源采用廣播式通訊對(duì)所控的各個(gè)電源發(fā)送調(diào)光(巡檢)命令字。具體的命令字格式如圖4(a)所示。

由于供電電源和LED燈通信沒(méi)有時(shí)鐘同步，須采取程序同步的方法，因此命令字的前三位(D0，D1，D2)固定為110，用于在下降沿觸發(fā)LED路燈單片機(jī)的外部中斷，LED路燈單片機(jī)進(jìn)入中斷子程序，延時(shí)5 ms后開(kāi)啟定時(shí)器，定時(shí)間隔為10 ms，LED路燈恒流源單片機(jī)以10 ms為周期收發(fā)數(shù)據(jù)。命令字的第四位(D3)用于設(shè)定命令類型(調(diào)光或巡檢)，D3為1時(shí)，為調(diào)光命令，D3為0時(shí)，為巡檢命令。調(diào)光時(shí)(D3=1)，命令字的5～7位(D4，D5，D6)表示LED路燈的亮度等級(jí)(設(shè)定有0，20%，40%，60%，80%，100%六個(gè)亮度等級(jí))。巡檢時(shí)(D3=0)，命令字的5～7位設(shè)定為保留位(可均設(shè)定為1)。命令字的第八位(D7)為結(jié)束位。發(fā)送調(diào)光命令時(shí)，LED路燈接收到命令后，根據(jù)命令字中的亮度等級(jí)進(jìn)行調(diào)光[7-8]。發(fā)送巡檢命令時(shí)，LED路燈接收到命令后，繼續(xù)等待供電電源的單燈巡檢指令。

供電電源發(fā)送的單燈巡檢指令格式如圖4(b)所示，其中前兩位(D0，D1)分別設(shè)定為0和1，為起始位(主-從)；3～7位為L(zhǎng)ED燈編號(hào)位，從00001開(kāi)始編號(hào)(編號(hào)00000設(shè)定為供電電源編號(hào))，可以有31個(gè)路燈，第八位為結(jié)束位(D8=1)。30路LED路燈均接收單燈巡檢指令，并提取LED燈編號(hào)，若編號(hào)與自身編號(hào)對(duì)應(yīng)，則進(jìn)行回應(yīng)；若非自身編號(hào)，則等待并繼續(xù)接收指令。

巡檢命令字每隔10 min定時(shí)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)一次巡檢。巡檢時(shí)，供電電源首先發(fā)送巡檢命令，LED路燈接收到巡檢命令后，與供電電源實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步。同步后，供電電源開(kāi)始逐個(gè)發(fā)送單燈巡檢命令，實(shí)現(xiàn)巡檢過(guò)程。

單燈回應(yīng)指令格式如圖4(c)所示，其中前兩位(D0，D1)分別設(shè)定為1和0，為起始位(從-主)，3～7位均為0，設(shè)定為供電電源編號(hào)，第八位為結(jié)束位(D8=1)。

圖4 LED恒流源的控制指令

供電電源接收到單燈回應(yīng)指令后，對(duì)LED燈編號(hào)加1，繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)單燈巡檢指令。直至編號(hào)為30，實(shí)現(xiàn)一次遍歷巡檢。若電源沒(méi)有接收到單燈回應(yīng)指令，則延時(shí)30 ms，再次發(fā)送單燈巡檢指令。若連續(xù)五次均未收到LED燈的單燈回應(yīng)指令，則認(rèn)為該LED燈出現(xiàn)故障，將故障信息保存，上傳至上位機(jī)。此后對(duì)LED燈編號(hào)加1，發(fā)送下一個(gè)單燈巡檢指令。

供電電源只有在自身溫度超過(guò)設(shè)定的溫度范圍時(shí)，才對(duì)LED燈發(fā)送調(diào)光命令字[9-10]。其他情況下，處于不控狀態(tài)。環(huán)境溫度小于30℃時(shí)，亮度等級(jí)為100%，溫度為30～33℃時(shí)，亮度等級(jí)為80%，溫度為33～36℃時(shí)，亮度等級(jí)為60%，溫度為36～39℃時(shí)，亮度等級(jí)為40%，溫度為39～45℃時(shí)，亮度等級(jí)為20%，溫度超過(guò)45℃時(shí)，亮度等級(jí)為0。系統(tǒng)整體的通訊過(guò)程如圖5所示。

圖5 通信流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖6所示為恒流源的驅(qū)動(dòng)波形，其中通道1是開(kāi)關(guān)管DS級(jí)間的電壓波形，通道2是開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形，可以看出恒流源工作波形非常穩(wěn)定，開(kāi)關(guān)管工作在恒定關(guān)斷時(shí)間模式。

圖7所示為恒流源PWM調(diào)光波形，其中通道1是恒流源的輸出電壓，通道2是開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形，PWM信號(hào)的占空比約為80%，當(dāng)PWM信號(hào)為高電平時(shí)，HV9910B輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管工作，輸出恒定電流；當(dāng)PWM信號(hào)為低電平時(shí)，HV9910B不輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，恒流源輸出電流為0，在PWM信號(hào)為低電平期間輸出電壓降不到0是由LED負(fù)載的特性決定的[11]，LED負(fù)載是由很多個(gè)LED串聯(lián)組成的，每個(gè)LED都有一定的導(dǎo)通電壓，當(dāng)供電電壓降到低于LED導(dǎo)通電壓值的時(shí)候，LED便不再導(dǎo)通，此時(shí)流過(guò)LED的電流為0。

圖6 恒流源驅(qū)動(dòng)波形

圖7 恒流源PWM調(diào)光波形

供電電源與PC機(jī)之間通過(guò)RS232接口進(jìn)行串口通信。通過(guò)在上位機(jī)上運(yùn)行的遠(yuǎn)程管理軟件可以控制大電源開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)，大電源定時(shí)向上位機(jī)發(fā)送自身運(yùn)行的狀態(tài)信息和故障信息，供上位機(jī)進(jìn)行分析和處理。

圖8是在上位機(jī)上運(yùn)行的供電電源管理軟件界面，由左側(cè)的數(shù)據(jù)記錄區(qū)、右側(cè)的LED顯示區(qū)和開(kāi)、關(guān)機(jī)按鈕等組成。數(shù)據(jù)記錄區(qū)會(huì)顯示電源管理過(guò)程中每一條有效指令，LED顯示區(qū)包括32個(gè)LED指示燈，每個(gè)指示燈分別代表一個(gè)由大電源供電的LED路燈的工作狀態(tài)，分為三種(灰色：LED路燈關(guān)閉，綠色：LED路燈正常工作，紅色：LED路燈故障)。

圖8 供電電源軟件管理界面

當(dāng)上位機(jī)接收到大電源發(fā)送過(guò)來(lái)的狀態(tài)信息后，經(jīng)過(guò)分析處理，將處理結(jié)果在界面上顯示出來(lái)，供管理人員查看和處理。圖9界面中顯示燈1和燈3正常，燈2出現(xiàn)了故障。

圖9 LED路燈故障顯示界面

4 結(jié)論

LED路燈智能恒流源系統(tǒng)有效提高了電源的利用效率，根據(jù)外界光亮和自身溫度智能調(diào)整LED路燈的亮度，更加高效地利用電能，并且可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與單個(gè)路燈之間的通信，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障路燈，實(shí)現(xiàn)路燈的及時(shí)快速維修，具有成本低，電流輸出精度高等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。

本文主要目的是研究電地暖在運(yùn)行一段時(shí)間后，室內(nèi)溫度的變化。而要求出室內(nèi)溫度的變化，需要求出地板的導(dǎo)熱量，地板與室內(nèi)空氣的對(duì)流換熱量，地板與周圍墻壁的輻射換熱量，外墻的蓄熱量，室內(nèi)空氣的蓄熱量，及傳出的熱量。因此需要知道5個(gè)特征點(diǎn)的溫度，即：地板上表面的溫度，地板下表面溫度，室內(nèi)空氣的溫度，外墻內(nèi)表面溫度，外墻外表面的溫度。

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圖2 三種算法收斂曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文建立充電站的投資、運(yùn)行成本和土地占用成本以及用戶行駛路徑損耗費(fèi)用等多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并采用超效率DEA評(píng)價(jià)方法確定各目標(biāo)權(quán)重，把多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問(wèn)題求解，將全局思想融入到螢火蟲算法中求解充電站的規(guī)劃問(wèn)題。最后，通過(guò)算例仿真，驗(yàn)證本文應(yīng)用改進(jìn)算法的有效性和實(shí)用性以及模型的實(shí)際意義。

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Design of LED street lamp intelligent digital constant-current source system

Constant-current source of LED street lights is the key design to the LED street lamp lighting system.The constant-current source with functions of automatic adjustment， communication and other intelligent control will promote the rapid development of LED street lamp lighting. Intelligent digital constant-current source system combines the Buck circuit based on HV9110B unit，single chip microcomputer center control unit and communication unit，can achieve the following functions:LED street lamp automatic dimmer according to the outside natural light and its temperature，high precision output current，communication and testing debugging between power supply and LED street lamps and so on.The overall circuit structure of the intelligent digital constant-current source system was designed， each part circuit， software of communication unit and the control and fault display interface were also designed.The experimental results show that this system satisfies the requirement of design and application.

intelligent digital constant-current source system;HV9910B;center control unit;communication unit

TM 91

A

1002-087 X(2016)04-0857-04

2015-09-03

楊磊(1986—)，男，河南省人，博士生，主要研究方向?yàn)轱w機(jī)電源。