轨道车辆车厢LED照明控制系统

郝明亮， 姜艳青， 尹晓静， 王华振， 高 智

（1.长春研奥电器有限公司，吉林长春 130012；2.长春工业大学机电工程学院，吉林长春 130012）

轨道车辆车厢LED照明控制系统

郝明亮1， 姜艳青2， 尹晓静2， 王华振2， 高 智2

（1.长春研奥电器有限公司，吉林长春 130012；2.长春工业大学机电工程学院，吉林长春 130012）

结合LED节能环保、超长寿命的优点，采用了恒流驱动方式。以STC89C51单片机为控制核心，采用PWM技术对LED灯发光强度进行控制，通过亮度传感器采集车厢内的亮度信息，对车厢内LED照明系统进行亮度调节。仿真结果表明，系统LED发光亮度均匀，达到了设计要求。

轨道车辆；LED照明；PWM技术；LED交流驱动器

0 引 言

随着科技的进步，轨道车辆技术发展迅猛，我国高铁的速度不断被刷新，乘坐轨道车辆旅行已成为人们生活中的一部分。生活水平的不断改善促使人们对乘坐轨道车辆旅行的质量要求也越来越高，这其中就包含车厢环境的照明要求。

目前，我国轨道车辆车厢照明大都采用的是荧光灯。但是荧光灯寿命较短，旅行生活中经常会遇到灯管损坏的现象，且往往得不到及时更换，给旅客的旅行生活造成许多不便。同时，能源日趋紧张和环境的日益恶化促使人们更多的去寻求节能环保的能源利用方式。LED具有效率高、寿命长、抗振性能好以及环保等优点［1］，它将电能转化成光能的效率是白炽灯的10倍以上，也是目前广泛应用的日光灯的2到3倍以上［2］，并且还有很大的发展空间。在寿命方面，LED灯的寿命在50 000h以上，与寿命只有数千小时的白炽灯和荧光灯相比较，优势显而易见。同时，LED不像易碎且包含有害气体的日光灯那样，对环境无污染，可以称得上是绿色光源［3］。因此，将具有超长寿命的LED用在轨道车辆的车厢照明中，不仅可以节约电能，节省运营成本，而且减少了频繁更换灯管的繁琐工作。为了实现LED在轨道车辆车厢照明中的应用，设计了一种用于轨道车辆车厢的LED照明控制系统。通过对轨道车辆供电原理的分析，确定了一种解决轨道车辆LED照明的方案。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，通过一定的算法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。

1 轨道车辆车厢照明原理分析

轨道车辆照明用电来自外部供电系统。电能由发电厂输送到牵引变电所，再由牵引变电所送到铁路沿线的接触网。轨道车辆上部的受电弓与接触网的供电线路接触，电能经过受电弓被引入轨道车辆的电器设备，其原理如图1所示。

图1 轨道车辆照明供电原理

在电能传输每一个环节都会进行一定的电压变换。由牵引变电所输出的接触网上一般是十几千伏至几十千伏的交流电或直流电，经受电弓引入列车后，由列车上的变压设备将该电能一部分降压成380V的交流电，用于牵引动力部分的消耗；另一部分则是由辅助逆变器转换成220V的交流电或者110V的直流电，用于列车内的照明以及其它车载电器设备使用［4］。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。

2 控制系统总体设计

轨道车辆车厢LED照明控制系统由主供电电路和控制电路两部分组成。主供电电路是由220V交流电源、LED交流驱动器、LED灯具等组成。控制电路由微处理核心、亮度采集模块、串口电路、控制核心电路等组成。硬件系统框图如图2所示。

图2 硬件系统框图

主供电电路的电能来源于由辅助逆变器产生的220V交流电，由于LED是单向导通器件，所以只能用直流电为其供电，因此，需要由LED交流驱动器转换成特定电压的直流电，再直接输入LED灯具使之发光。

控制系统以STC89C51单片机为控制核心，所有单片机都分别是各个模块的微处理核心。照度传感器与模数转换芯片构成了亮度采集模块。照度传感器采集的环境亮度信号为模拟量，经模数转换芯片AD处理得到数字信号，再将数字信号送入单片机1（图2中MUC1），数字量被单片机1处理后得到环境的亮度值。共有8个照度传感器分布在车厢的不同位置。单片机1将来自8个传感器传来的亮度信息进行融合处理，得到车厢内部需要的光线亮度信息。单片机1再将处理得到的光线亮度信息通过串口输送给车厢内部与LED交流驱动器相连的各个单片机（MUC①，MUC②，…）。这些单片机向LED交流驱动器发送PWM信号，对LED灯的发光强度进行调节。

就整个控制系统来看，单片机1作为系统的主机，其它各个单片机为从机。该控制系统可以根据需要，既可以同时控制车厢内所有的LED灯的亮度，也可以通过可寻址的方法控制某个灯的亮度。

3 硬件设计

硬件设计的主要部分包括亮度采集模块设计、LED交流驱动器设计、系统控制核心部分设计。

3.1 亮度采集模块的设计

亮度采集模块包括了3部分的内容，首先是模数转换芯片ADC0809，它与单片机的P0引脚连接，而后是74LS74芯片，用来给ADC0809提供时钟源信号的4分频电路，最后是照度传感器，共有8个，分布在车厢的不同位置。

模数转换芯片ADC0809将8个亮度传感器采集到的模拟量转换成数字量，然后通过D0～D7引脚传送给单片机的P0口。模数转换芯片ADC0809需要外部提供一个500kHz的时钟。单片机外部的晶振频率是12MHz的，当不访问外部内存时，ALE引脚以六分之一振荡频率固定输出正脉冲，其固定频率是2MHz。因此，需要一个4分频的电路来实现500kHz的时钟信号。于是采用74LS74来实现4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。

3.2 LED交流驱动器的设计

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［5］。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［6］。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，文中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，因此，文中选用PT4107驱动芯片。PT4107是一款高压降压式LED驱动控制芯片，支持18～450V的电压范围，可以在20～300kHz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。LED交流驱动电路如图3所示。

图3 LED交流驱动电路

为了防止异常过电压对电路的损害，设计了抗浪涌保护电路。利用压敏电阻的阀门特性，可以很好地实现对过电压的保护［7］。

由于LED驱动器为开关电路，这就不可避免地产生电磁干扰的问题，另外，整流电路、高频变压器等都容易引起电磁干扰的问题，设计了EMC（电磁兼容性）滤波电路来消除电磁干扰。为了提高驱动器的效率，减少电源设备对外辐射和传导干扰，文中设计的驱动器采用了PFC（功率因数校正）技术，减少了元器件的使用量，降低了设计成本，并且提高了驱动器的整体能效。驱动器的原理框图如图4所示。

3.3 系统控制核心部分的设计

STC89C51单片机具有运算速度快、编程方便、集成化程度高、稳定性高等优点，适合于处理计算复杂、动态连续的环境亮度信息［8］。STC89C51采用的是精简指令集结构的8051CPU，能够保证照明控制系统对环境亮度信息的快速处理能力。STC89C51有足够的通用I／O口，可以设置成多种模式，ISP／IAP特性无需专用的程序设计器，可以直接通过串口下载用户程序，给LED照明控制系统的程序设计带来了极大的方便。系统控制核心电路如图5所示。

图4 驱动器的原理框图

图5 系统控制核心电路

控制核心电路主要包括单片机和传感器。由于单片机内部P0口没有上拉电阻，为了加强P0口的驱动能力，文中在P0口加了上拉电阻。而P2口加上拉电阻主要是出于增强P2口的抗干扰能力。P0口用来实现与ADC0809芯片之间信息的传输通道，通过P0口接收ADC0809芯片处理得到的环境亮度信息的数字量，经过处理后通过串口通知下位机单片机，下位机单片机根据该信息输出一定占空比的PWM信号到LED交流驱动器，来控制LED灯的发光亮度。P2口是实现对ADC0809芯片操作指令的控制。

4 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。

根据照明系统的设计标准，车厢内距离地板面高800mm处的照明强度≥250lx［9］，因此，编程时是将传感器获得的照度值与该值做相减运算，再根据差值的正负与大小，选择一定占空比的PWM脉冲信号，传送给LED交流驱动器的驱动芯片。在编程时设计了多个差值的范围，为了使调光迅速而又准确，差值的绝对值越大，使不同差值范围对应的PWM占空比的变化越大，差值的绝对值越小，使不同差值范围对应的PWM占空比的变化越小。程序不断对车厢内实时的照度值进行动态采集并比较，比较结果一旦超出预订范围，就及时地对灯的亮度做出调整，达到控制车厢内亮度稳定的目的。

5 仿真分析

利用Proteus软件对设计的轨道车辆车厢LED照明驱动电路进行仿真，仿真结果分别图6和图7所示。

图6 电压仿真曲线

图7 电流仿真曲线

从图中可以看出，在初始零时刻，驱动电路输出电压为零伏。延迟数毫秒之后开始逐渐增加，经过大约400ms后进入稳定状态，随着时间的延续，电压值不再增长。仔细观察会发现，输出的电压值稳定后也不是一条平滑的直线，而是在做高频率小幅振动。从水平时间轴的刻度可以判断，微小波动的频率在数千赫兹以上。

电流仿真曲线的走势基本与电压曲线相吻合。在开始时从零逐渐增加，大约400ms后进入稳定状态。进入稳定之后基本与时间轴平行，不再随着时间而变化。同样，电流仿真曲线也不是一条平滑的曲线，它也存在高频率的微小振动。如果电流存在波动，LED的发光强度也会存在波动。而如果电流波动频率足够大，超过100Hz，人眼是分辨不出LED灯亮度变化的［10］。只要电流的平均值不变，LED灯给人的感觉就是发光亮度均匀。LED驱动器电路的整体仿真来看，输出电压与电流平稳，能够满足LED的驱动要求。

6 结 语

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、抗振性能好和环保等优点，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，实现了信息的良好交流。通过采光模块进行车厢环境亮度的采集，利用PWM技术能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。仿真结果表明，设计的轨道车辆车厢LED照明控制系统使车厢内的亮度均匀，达到了设计要求。

［1］王雅芳.基于照明特性分析的串联饱和恒流驱动设计［J］.电力电子技术，2009，43（4）：53-54.

［2］陈秉岩，周娟.铁路LED信号灯Buck转换器的设计［J］.电力电子技术，2007，41（10）：16-17.

［3］王香娟，虞世鸣，杨洁翔.LED家具室内照明光色设计［J］.照明工程学报，2011，22（5）：111-114.

［4］张琳.浅析城市轨道交通车辆用辅助电源系统［J］.科技资讯，2007，22：61-62.

［5］马红波，郑聪，冯全源.Twin-Bus型单相离线式LED照明驱动［J］.电机与控制学报，2011，15（3）：7-11.

［6］凌朝东，梁爱梅，刘一平.大功率白光LED恒流驱动芯片的设计研究［J］.电子技术应用，2009，8：67-70.

［7］丁树奎.轨道交通基于最小系统的测试仿真实验平台研究［J］.制造业自动化，2011，33（12）：48-50.

［8］张云莉，周晓平，朱双霞.基于单片机的教室节能控制系统设计［J］.制造业自动化，2012，34（2）：103-105.

［9］吴菲，赵银花.轨道客车车厢LED照明系统外观设计［J］.长春工业大学学报：自然科学版，2010，31（6）：480-484.

［10］梁文翰，贾文超.太阳能路灯模糊控制器［J］.长春工业大学学报：自然科学版，2012，33（2）：146-150.

Design of LED lighting control system for rail vehicle compartment

HAO Ming-liang1， JIANG Yan-qing2， YIN Xiao-jing2，WANG Hua-zhen2， GAO Zhi
（1.Changchun Yanyao Electric Co.Ltd.，Changchun 130012，China；2.School of Mechatronic Engineering，Changchun University of Technology，Changchun 130012，China）

The energy-saved and long-life-span LED is driven by constant current.STC89C51single chip is chosen as the controller and PWM technology is applied to control the light intensity.The brightness information collected by a brightness sensor is sent to the controller as the feedback for adjusting the brightness.The simulation results illustrate that the brightness of the LED luminous system is even，which arrives at the needed indexes.

rail vehicle；LED lighting；PWM；LED AC driver.

TP 272

A

1674-1374（2014）01-0036-06

2013-09-12

吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目（吉教科合字［2011］第84号）

郝明亮（1979－），男，汉族，吉林长春人，长春研奥电器有限公司工程师，主要从事轨道客车电气产品研发，E-mail：haomingliang＠vip.sina.com.