论文部分内容阅读
摘要：代轨道交通为广大市民提供了一种方便快捷的出行方式，随着轨道交通的发展，乘客对地铁车辆的运行舒适性有了更高的要求，车厢内的照明环境也越来越影响到乘客的乘车感受。为了推进可持续发展和节能减排进程，推广LED灯具在地铁上的应用，由现在智能手机上的自动调节亮度得到启发，设计研究一种通过光线的明暗强度变化自动调节LED灯亮度的系统。此系统以单片机为主控制器，通过组建无线信号网络进行无线信号传输，对LED灯具实现远程控制。通过本项目的研究有望提供一种结构新颖、成本低，使用寿命长，节电效果好，可靠性高的地铁LED照明方案，能长期有效地节约运营成本和维护费用，对保证轨道交通综合技术水平的提高有重大意义。
关键词：无线传输；LED；自动控制
1 研究现状
轨道车辆照明用电来自外部供电系统，轨道车辆的照明系统采用220V的交流电或110V的直流电具有很多优点，这样可以使得车载灯具及其它电器设备与普通市电照明的灯具具有良好的互换性，给相关产品的设计和研发带来极大的方便。在传统的照明具有有线固定式开关，颜色亮度大多不可调不可控，随着人们对方便的无线开关方式以及对室内灯色多彩多变的追求以及环保观念的增强，传统照明方式正向着无线控制、多变、节能的方向发展。同时，在实际的工程应用中，传感器网络开放性部署特点，使得节点极大可能遭受恶意行为的攻击和干扰。所以要采用一套系统的无线通信协议，以加强无线控制系统的健壮性。在利用外部供电220V的条件下，利用单片机数据处理，通过传感器和信号发射器的数据传输，实现对LED灯的无线控制。
2 自动调光原理分析
PWM（Pulse Width Modulation），脉冲宽度调制，简称脉宽调制。脉宽调制的原理是，控制对LED所施加脉冲周期不变，即脉冲信号的频率不改变，只改变周期的开关时间，这样周期内的高低电平所占时间会在周期的开关时产生变化，也就是占空比发生变化。脉宽调制的工作原理就是通过调节脉冲信号的占空比来调节通过LED的平均电压，进而控制LED的亮度变化。
通过PWM调光的优点有很多，比如调光的颜色不会有很大改变，即色偏小；可以得到更高亮度的灯光光照度，适合公共场合光照需要；通过PWM调光由于电压脉冲的频率不会改变，所以在调光的过程中基本不会出现频闪的现象；PWM可调制范围大，可以感受到很明显的光照度变化，脉冲的最大占空比与最小占空比的比值可以达到2950左右。
PWM调光也有其缺点，第一，它的实现需要配置PWM调光信号源，这样就会使成本高于模拟调光。第二，PWM调光容易使驱动电路产生噪音.
3 驱动芯片的选择
驱动芯片是驱动部分的核心，驱动芯片的选择尤为重要。本文采BTS7960驱动芯片。BTS7960驱动芯片通过驱动集成技术，将逻辑电平输入结构、电流取样诊断结构、转换速率调整器联接，并将失效发生时间，防止欠电压、过电流和短路结构连接到一个微处理器上。
4 LED照明系统整体结构设计
城市轨道交通车辆车厢的设计主要包括光照度采集设计，LED调光控制模块设计，主控制系统设计（单片机控制模块），无线传输模块设计，LED灯排的电路设计等。光照度采集模块中的光敏电阻负责采集来自地铁车厢的环境光强度，通过整流滤波电路以电信号的形式传输到单片机进行数据的处理，处理得来的信号经过调压滤波传送到NRF无线传输模块的引脚，NRF以传送字节的形式将控制信号传送到LED驱动电路控制模块，再经过驱动电路控制端的单片机信息进行处理，根据环境光强调制成对应的PWM占空比进行调制，对应的平均电流在驱动电路进行处理后驱动LED灯产生相应的光通量，整个系统形成閉环控制，将车厢光照度时刻保持在适应乘客的最佳状态。
度采集模块的2.4G无线信号，经控制模块单片机数据处理后进行PWM调制，形成对应的平均电流对LED灯排进行驱动，这一部分的工作是在驱动电路
如图，nRF接收到来自于单片机Flash的的信息，根据发送格式向驱动电路板上的nRF接收端发送指令。驱动电路模块的nRF信号接收器接收信号并将信号传送给驱动电路，进而控制LED灯排的亮度变化。
图 LED无线传输流程图
5 结论与展望
通过本次设计研究，发现了一种结构简单，成本低，设计方便系统的电路。电路的效率高；通过无线传输，控制PWM调节，按照此方法设计的系统能充分发挥LED的节能优势。缺点是电路缺乏过热保护模块，因为在LED工作过程中产生大量的热量，如果热量不及时散出，会影响到LED的寿命和发光质量，引起光衰等问题，因此，下一步的改进着重于自适应照明方面。
系统利用单片机技术和无线传输技术相结合，将LED驱动的电流通过PWM调节，达到了预先期望，在不同的外界光强情况下能够得到不同的LED灯光亮度，从而保持车厢环境光照度保持在一个最佳状态。通过本文对轨道车辆用电的分析，可以考虑将本设计研究应用到轨道车厢照明中去，对未来LED的发展和轨道车厢照明系统的改进具有突破性作用。
关键词：无线传输；LED；自动控制
1 研究现状
轨道车辆照明用电来自外部供电系统，轨道车辆的照明系统采用220V的交流电或110V的直流电具有很多优点，这样可以使得车载灯具及其它电器设备与普通市电照明的灯具具有良好的互换性，给相关产品的设计和研发带来极大的方便。在传统的照明具有有线固定式开关，颜色亮度大多不可调不可控，随着人们对方便的无线开关方式以及对室内灯色多彩多变的追求以及环保观念的增强，传统照明方式正向着无线控制、多变、节能的方向发展。同时，在实际的工程应用中，传感器网络开放性部署特点，使得节点极大可能遭受恶意行为的攻击和干扰。所以要采用一套系统的无线通信协议，以加强无线控制系统的健壮性。在利用外部供电220V的条件下，利用单片机数据处理，通过传感器和信号发射器的数据传输，实现对LED灯的无线控制。
2 自动调光原理分析
PWM（Pulse Width Modulation），脉冲宽度调制，简称脉宽调制。脉宽调制的原理是，控制对LED所施加脉冲周期不变，即脉冲信号的频率不改变，只改变周期的开关时间，这样周期内的高低电平所占时间会在周期的开关时产生变化，也就是占空比发生变化。脉宽调制的工作原理就是通过调节脉冲信号的占空比来调节通过LED的平均电压，进而控制LED的亮度变化。
通过PWM调光的优点有很多，比如调光的颜色不会有很大改变，即色偏小；可以得到更高亮度的灯光光照度，适合公共场合光照需要；通过PWM调光由于电压脉冲的频率不会改变，所以在调光的过程中基本不会出现频闪的现象；PWM可调制范围大，可以感受到很明显的光照度变化，脉冲的最大占空比与最小占空比的比值可以达到2950左右。
PWM调光也有其缺点，第一，它的实现需要配置PWM调光信号源，这样就会使成本高于模拟调光。第二，PWM调光容易使驱动电路产生噪音.
3 驱动芯片的选择
驱动芯片是驱动部分的核心，驱动芯片的选择尤为重要。本文采BTS7960驱动芯片。BTS7960驱动芯片通过驱动集成技术，将逻辑电平输入结构、电流取样诊断结构、转换速率调整器联接，并将失效发生时间，防止欠电压、过电流和短路结构连接到一个微处理器上。
4 LED照明系统整体结构设计
城市轨道交通车辆车厢的设计主要包括光照度采集设计，LED调光控制模块设计，主控制系统设计（单片机控制模块），无线传输模块设计，LED灯排的电路设计等。光照度采集模块中的光敏电阻负责采集来自地铁车厢的环境光强度，通过整流滤波电路以电信号的形式传输到单片机进行数据的处理，处理得来的信号经过调压滤波传送到NRF无线传输模块的引脚，NRF以传送字节的形式将控制信号传送到LED驱动电路控制模块，再经过驱动电路控制端的单片机信息进行处理，根据环境光强调制成对应的PWM占空比进行调制，对应的平均电流在驱动电路进行处理后驱动LED灯产生相应的光通量，整个系统形成閉环控制，将车厢光照度时刻保持在适应乘客的最佳状态。
度采集模块的2.4G无线信号，经控制模块单片机数据处理后进行PWM调制，形成对应的平均电流对LED灯排进行驱动，这一部分的工作是在驱动电路
如图，nRF接收到来自于单片机Flash的的信息，根据发送格式向驱动电路板上的nRF接收端发送指令。驱动电路模块的nRF信号接收器接收信号并将信号传送给驱动电路，进而控制LED灯排的亮度变化。
图 LED无线传输流程图
5 结论与展望
通过本次设计研究，发现了一种结构简单，成本低，设计方便系统的电路。电路的效率高；通过无线传输，控制PWM调节，按照此方法设计的系统能充分发挥LED的节能优势。缺点是电路缺乏过热保护模块，因为在LED工作过程中产生大量的热量，如果热量不及时散出，会影响到LED的寿命和发光质量，引起光衰等问题，因此，下一步的改进着重于自适应照明方面。
系统利用单片机技术和无线传输技术相结合，将LED驱动的电流通过PWM调节，达到了预先期望，在不同的外界光强情况下能够得到不同的LED灯光亮度，从而保持车厢环境光照度保持在一个最佳状态。通过本文对轨道车辆用电的分析，可以考虑将本设计研究应用到轨道车厢照明中去，对未来LED的发展和轨道车厢照明系统的改进具有突破性作用。