浅谈轨道车辆LED照明控制系统设计

　　目前我国城市轨道交通已经进入高速发展时期,近几年来兴建的地铁线、动车线及轻轨线迅速增长。由于其专线行使，可避免交通拥挤、时间延误等因素，乘坐轨道客车出行成为大众首选的交通工具。LED作为一种新型照明光源，具有节能环保的优点，并且其优良的抗震性能非常适合轨道车辆车厢照明。虽尚未应用于轨道交通运输方面是由于LED不能直接使用交流市电供电，如果能够开发专门的控制系统实现其在车辆上的照明应用，在电能节约，环境保护上的收益将无可限量。基于此为在轨道车辆车厢照明领域推广LED节能照明技术，该文对轨道车辆车厢LED照明控制系统进行了设计。
　　通过对轨道车辆供电原理的分析，从中找到一种解决轨道车辆LED照明的方案。内容以单片机为控制核心，将亮度采集模块采集到的环境亮度信息进行处理，生成具有不同占空比的PWM数字脉冲，将该信号传递到LED驱动器，实现了对LED灯亮度的调节。该方法提高轨道车辆照明控制系统的稳定性和抗干扰能力。
　　1轨道车辆车厢LED照明控制系统设计原理
　　现在比较普遍的LED照明控制系统方案大多基于单片机系统、PLC系统和无线控制系统这三大类。
　　由于本产品安置于车厢内，要求体积小、重量轻，另外器件选用的成本问题也要纳入考虑之内以便于实现产品化，PLC控制器体积大，成本高的特点不适用于批量应用。另外，无线控制器的抗干扰能力较差。综合各方因素，我们决定采用单片机做为控制系统，其具有以下优势。
　　(1)单片机集成度高;
　　(2)单片机可靠性高，可连续长时间无故障工作;
　　(3)处理功能强，速度快;
　　(4)低电压，低功耗，便于生产便携式产品;
　　(5)控制功能强。
　　基于单片机系统设计的轨道车辆车厢LED普通照明系统的框图。其工作方式如下。
　　(1)左上角和右上角的为轨道车辆车头及车尾部分的单片机系统(MCU1、MCU2和采光系统)，其中MCU1、MCU2为单片机处理器。采光系统主要是环境亮度传感模块，这个模块的主要功能是通过特定的亮度传感器采集光亮，同时生成模拟量的信号，然后再通过A/D转换芯片将模拟量转换成数字量，通过数据口传送给单片机，最后单片机将得到的信息存储起来，等待处理。
　　(2)车头处的单片机通过串口接收来自轨道车辆尾部单片机采集到的光亮信息来进行处理，根据两头外部光的强弱信息来算得适合车厢照明的光线亮度。
　　(3)车头处的单片机通过串口向车厢内的单片机传输光线亮度信息。车厢内的单片机(MCU3到MCUn)根据传输过来的值，向外部驱动电路发送不同的调光信息。外部的LED驱动器将接收到的数字信息进行处理，最后进行对LED的调光，进而控制整个车厢LED照明亮度。
　　2轨道车辆车厢LED普通照明控制系统硬件设计
　　2.1控制系统的选择
　　在设计系统的过程中，对控制系统的选择至关重要，从系统的稳定性，性能和价格等方面考虑选择STC89C51单片机。
　　STC89C51是采用8051核的ISP(InSystemProgramming)系统的可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，片内含8KBytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，具有在系统可编程(ISP)的特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，不但速度更快了，而且还不用购买通用编程器。
　　2.2光亮处理模块设计
　　2.2.1信号采集电路设计
　　信号采集电路一共包括了三部分的内容，首先是ADC0809与单片机的连接电路图，而后是一个给ADC0809提供脉冲信号的4分频电路，最后的是一个亮度采集电路。
　　由于设计中所用的单片机外部晶振固定频率是2MHZ。但ADC0809工作频率为几百kHZ(作为模数转换芯片的ADC0809需要外部提供一个500KHZ的时钟)。因此2MHZ对于来说其脉冲信号仍然是不合适的，需要一个4分频的电路来实现500kHZ的脉冲信号。于是我们采用74LS74来实现四分频的功能。74LS74实际上就是一个集成的双D触发器，并且是时钟上升沿触发。此信号采集电路的工作过程为亮度传感器采集到车厢内的光强信号后，将此模拟信号传递给模数转换芯片ADC0809并转换成数字量，而后模数转换芯片ADC0809将通过D0 D7引脚传送给单片机的P0口。
　　2.2.2模数转换芯片的选择
　　光亮处理模块最核心的东西-模数转换芯片的好坏很大程度上将影响到整个系统的精度和可靠性。转换时间越短的芯片其效果越好。基于此AD公司的ADC0809完全能够满足使用的要求。
　　ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共享A/D转换器进行转换。三态输出锁存器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。光传感器将采集到的模拟光信号传送给模数转换芯片，一个给ADC0809提供脉冲信号的4分频电路使输入的模拟信号最终输出为数字信号。
　　2.3LED驱动模块的设计
　　在轨道车辆中，灯光的光照亮度有一定的要求，由于车厢在行驶当中常处于震动摇晃的状态，LED照明灯也长时间保持通电状态，这就要求其驱动功率足够大，由于大功率的LED需要低电压、大电流的驱动装置。这就要求导致需要LED驱动功率足够大，同时LED驱动芯片周围的电路要相对简单，这不仅能够减少成本，同时也能降低维护难度。
　　LED交流驱动器用来将220V交流电转换成一定电压的直流电供LED灯使用。LED交流驱动器分为恒流式和稳压式两种。恒流式驱动器能够输出恒定的电流，随着外部负载的变化自动调整输出电压。稳压式驱动器输出电压是稳定的，随着负载的变化输出电流会有所变化。由于LED的发光强度会随着电流的变化发生很大的波动，因此本文选用恒流式驱动方式。驱动器需要一个功率足够大的驱动芯片，该文选用PT4107驱动芯片。PT4107是一款高压降压式LED驱动控制芯片，支持18V到450V的电压范围，可以在20kHZ 300kHZ的频率范围内工作。通过驱动芯片控制外部MOS管的导通，将单片机输出的可变占空比的PWM数字脉冲导入使能端，可以实现对LED灯的调光功能。
　　3软件设计
　　轨道车辆照明控制系统的软件部分主要是写入单片机内的程序。首先对不同传感器采集的亮度信息进行一个综合判断，看是否有个别亮度值与其它传感器的亮度值差距较大，如果有，将会忽略该值，以防止个别传感器信息不真实，比如有游客用手电照射。利用一定的算法，将其它有效的亮度信息进行融合，得到车厢内的亮度值。通过将采集到的亮度值与预设值进行对比，利用模糊控制对LED灯发光亮度进行调整。
　　4实验结果与分析
　　使用轨道车辆车厢LED照明控制系统对一节车厢进行照明实验，分别在清晨天由暗变亮的时候和傍晚天由亮变暗的时候进行，以及白天通过对车窗的遮挡来模拟外部环境的亮度变化对车厢内亮度的影响。迅速的遮挡车窗可以用来模拟车辆突然驶入无光照条件的隧道。记录并分析其随时间的变化情况，结果表明，车厢内亮度稳定，亮度调整误差在1Lx范围内。通过迅速的遮挡车窗，模拟轨道车辆突然驶入无光照条件的隧道，结果LED灯能迅速变亮，系统响应时间为100ms钟。
　　5结语
　　该文设计了一种轨道车辆车厢LED照明控制系统，该系统充分利用了LED照明具有的效率高、寿命长、抗振性能好和环保的优点，满足了轨道车辆对当前照明控制系统的要求。以STC89C51单片机为控制核心，通过串口进行主机与从机之间的通信，实现了信息的良好的交流。通过采光模块进行车厢环境亮度的采集实现对车厢环境亮度的控制。基于PT4107驱动芯片设计了恒流式LED交流驱动器，满足了LED照明的驱动要求。实验结果表明，设计的轨道车辆车厢LED照明控制系统使车厢内的亮度误差控制在1Lx范围内，系统响应时间为100ms内，达到了设计要求。