版軌道車輛車廂的LED照明控制系統(tǒng)設(shè)計

付來

摘要：我國這幾年大力進行基建，鐵路網(wǎng)四通八達，鐵路里程早已躍居世界前列。但是與此同時也存在一些問題，軌道車輛的照明設(shè)備老舊嚴重，多年得不到更新?lián)Q代，乘客的視覺感受得不到質(zhì)的提升，這與前者形成了強烈對比。所以當前的照明設(shè)備急需得到更換，以滿足日益增長的照明需求。隨著現(xiàn)代照明技術(shù)的發(fā)展，照明設(shè)備，照明手段，照明規(guī)模大小等的復(fù)雜程度大大提高，對其照明功能和質(zhì)量也有了更高的要求?，F(xiàn)有的LED照明已經(jīng)越來越不能滿足人們的日常需求，所以利用最新的計算機技術(shù)及照明計算軟件進行照明設(shè)計的建模和仿真，研究開發(fā)高效、節(jié)能、環(huán)保的軌道車輛車廂LED照明已經(jīng)顯得必不可少。

關(guān)鍵詞：LED照明系統(tǒng);EMC濾波電路

第1章 ?軌道車輛車廂LED照明驅(qū)動電源的探討

1.1軌道車輛車廂LED照明對電源的需求

LED驅(qū)動電源對于LED來說有著舉足輕重的作用，因此，對其的功能特性有著極為嚴格及特殊的要求，滿足完美適配的條件包括以下幾點：具有較高的可靠性、高效率、采用恒流驅(qū)動、高功率因數(shù)、散熱性好、浪涌保護性強、壽命長、采用PWM脈寬調(diào)制等。

1.2LED驅(qū)動電源的各部分設(shè)計方案

驅(qū)動芯片部分：經(jīng)過比對市面上的各種適用類產(chǎn)品，我最終選擇了一款成熟的經(jīng)過市場檢驗的芯片-PT4107，該芯片優(yōu)點良多，完美適配我接下來的電路設(shè)計。是EMC電路設(shè)計：為了降低電路中產(chǎn)生的多余電磁干擾，我要加上電磁兼容濾波器，使得電流經(jīng)過第一道安檢之后不那么狂躁，更加柔和的為LED照明服務(wù)。

整流濾波電路設(shè)計：因為直接相連220V的工頻交流電，不能直接給LED照明使用，所以需要將交流電先整流濾波轉(zhuǎn)換成直流電，然后給LED供能。所以整流濾波電路的加入就顯得必不可少。

PFC電路設(shè)計：功率因數(shù)主要與效率相關(guān)，它指的是有效功率和總耗電量之間的比值，它的數(shù)值大小正向代表了電能轉(zhuǎn)化效率高低。

降壓穩(wěn)壓電路設(shè)計：驅(qū)動芯片需要的電壓比較小，整流后需要降壓處理，降低到18V-20V的可適用電壓范圍，所以該電路的設(shè)置就尤為重要。

DC/DC變換器電路設(shè)計：這一部分我采用單端正激式模式，特點是僅僅在整個電路中使用一個MOS管。

1.3對驅(qū)動電路進行仿真分析

經(jīng)過比對常用的電路仿真軟件，最后決定利用Proteus進行仿真。我們將所需要的各個零部件都從軟件庫中提取出來，然后將電路圖中的驅(qū)動芯片替換為我們設(shè)計的版本進行設(shè)置。接著開始進行仿真：

第一步：在交流輸入端輸入220V，頻率為50Hz的正弦激勵源信號。

第二步：選擇全波整流電路，濾波電路選擇80Hz大小的濾波，電容選為100nF。

第三步：在DC/DC變換器中，電感選為30H，電容選擇500pF，在輸出端負載選擇用500Ω的電阻代替LED燈具。

第四步：驅(qū)動芯片鎖存器振蕩信號輸入端加載頻率為1kHz始終激勵源信號。

第2章 ?軌道車輛車廂LED照明控制方法的研究

2.1軌道車輛車廂LED照明控制系統(tǒng)設(shè)計方面

2.1.1選擇合適的LED照明方案

當前階段車輛車廂照明是以車廂為單位進行的，每個車廂都是獨立的采取控制，可以同時開關(guān)整個車廂的照明設(shè)備，開啟和熄滅的燈交替，以此來減少電能消耗，從而節(jié)省成本。隨著LED照明技術(shù)的不斷應(yīng)用和發(fā)展，傳統(tǒng)方式已經(jīng)跟不上當代所需，所以新的技術(shù)的出現(xiàn)已成必然之勢。采用集中供電和自適應(yīng)照明方案就是其中的佼佼者。軌道車輛車廂照明的發(fā)展方向是最終實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)光照強度，通過協(xié)調(diào)與控制器之間的通信問題。比較傳統(tǒng)的控制方法是在各個車廂中設(shè)置控制裝置，將電氣設(shè)備置于其中，由工作人員進入其中手動操作，這種方式操作比較繁瑣，低效，非常落后。而我將要介紹的方案則大大優(yōu)化了該部分的程序操作，提高了工作效率。

2.1.2集中式控制方法

集中式控制方法是在軌道車輛的一節(jié)車廂中設(shè)置一個總控制室，然后將所需要的控制裝備安裝在其中，以此來調(diào)控和檢測車輛中全部車廂的照明情況，不再需要其他多余的控制室。傳統(tǒng)的開關(guān)加上繼電器的方法已經(jīng)落后，能夠?qū)崿F(xiàn)的功能較為簡單，但是操作卻極其復(fù)雜，浪費了大量的人力，早就該得到淘汰。所以傳統(tǒng)手工操作已經(jīng)落伍，如今各種智能設(shè)備如雨后春筍般出現(xiàn)，實現(xiàn)去除人工，達到智能自動控制的目的變得越來越可行。集中控制的優(yōu)點還在于給列車節(jié)省了大量的空間，集中控制便于檢測和調(diào)控，在實際操作方面，使用智能化設(shè)備，簡單快捷，解放了人工，只需要配備一名工作人員就能夠?qū)崿F(xiàn)對整輛車的有效有序的燈光管理，此外如果開啟自動調(diào)節(jié)模式，甚至不需要人工便可以實現(xiàn)自動調(diào)控，這真是大大節(jié)省了成本。

2.2控制系統(tǒng)通信方式的選擇

通過對比各類通信方式，最終決定選用CAN總線通信方式，CAN中文含義是控制器局域網(wǎng)絡(luò)，其通信方式屬于串行通信，其優(yōu)點突出，在國際上使用也比較廣泛，經(jīng)過實踐的檢驗，可靠性高，具有錯誤檢測能力，在各種極端條件下都能夠正常工作，。優(yōu)點如下：網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強、已經(jīng)形成國際標準、產(chǎn)品開發(fā)周期有效降低等等。使用CAN總線通信方式會讓我們的控制系統(tǒng)更加高效穩(wěn)定的工作，對信息的處理能力更加快速，精確，從而使得整個電路的協(xié)作能力更加突出，使得LED燈光的調(diào)控游刃有余。

2.3控制系統(tǒng)的選擇

通過對比市面上適用的單片機，從價格、穩(wěn)定性、平均使用壽命等考慮，在眾多產(chǎn)品中我最終選擇了STC89C51單片機。其性能優(yōu)良，最高工作時鐘頻率為80MHz，其內(nèi)含的Flash只讀程序存儲器可反復(fù)使用，并且不會影響其反應(yīng)速度和靈敏度，從而降低了更換的頻率，節(jié)約了成本。除此之外，內(nèi)部還集成了8位中央處理器，功能非常強大，可以同時多路進行信息處理，存儲單元則是ISP Flash存儲單元，和PC端的程序可以進行交互體驗。最大的優(yōu)點是可以將所需要的程序代碼直接下載進單片機內(nèi)部，從而不再需要額外增加通用編程器。

2.4光亮處理模塊設(shè)計

該部分一共設(shè)計了三個板塊，包括ADC0809和單片機的相連圖、一個提供脈沖信號的4分頻電路和亮度采集電路等，這三個部分互相緊密連接，功能強大。我們采用的單片機外部晶振固定頻率是2MHZ，所以頻率只有幾百kHZ的ADC0809需要一個4分頻的電路實現(xiàn)500kHZ的脈沖信號供給，然后才能正常工作。對于四分頻電路部分，我選用了74LS74，其時鐘上升沿觸發(fā)。在工作過程中，當信號采集器采集到車廂中的亮度以后提交給ADC0809，后者將其由模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字亮，然后通過D0-D7引腳傳送到P0口，單片機識別后再進行下一步的操作。

第3章 ?結(jié)論

在通過參與對軌道車輛車廂LED照明系統(tǒng)整個設(shè)計流程之后，我從這個過程中所做的研究工作如下：通過閱讀相關(guān)文獻了解了LED的發(fā)光特性，LED的發(fā)展歷史，以及在照明領(lǐng)域的獨特地位。讓我認識到了LED在今后發(fā)展的巨大潛力，以及當前我國在該項技術(shù)上的不足以及優(yōu)勢;通過對LED照明特性的分析，選擇了最合適的LED驅(qū)動電源，采用了恒流式驅(qū)動電源的最佳方案，同時通過層層篩選，最終決定選用PT4107作為應(yīng)用芯片，該芯片的優(yōu)良性能完全能夠滿足使用要求，并由此設(shè)計出了LED驅(qū)動電源電路圖。

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