LED路灯智能数字恒流源系统设计

2016-03-11张晓斌

电源技术 2016年4期

关键词：单灯恒流源调光

杨磊，张晓斌

(西北工业大学自动化学院电气工程系，陕西西安710129)

LED路灯智能数字恒流源系统设计

杨磊，张晓斌

(西北工业大学自动化学院电气工程系，陕西西安710129)

LED路灯恒流源是LED路灯照明设计的关键，而具有灯光自动调节、通信等智能控制功能的LED路灯恒流源将会推动LED路灯照明的快速发展。智能数字恒流源系统融合了基于HV9110B芯片控制的Buck电路、单片机中心控制单元以及通信单元，能够实现LED路灯根据外界自然光和自身温度自动调光，恒流源高精度的电流输出，供电电源和LED路灯恒流源之间的通信和检测调试等功能。设计了智能数字恒流源系统的总体电路结构，各部分的电路设计，通信单元的软件设计，控制故障显示界面设计。实验结果表明该系统满足设计和应用要求。

智能数字恒流源；HV9910B；中心控制单元；通信单元

随着我国城市化进程的加快，LED路灯以定向发光、功率消耗低、驱动特性好、响应速度快、抗震能力高、使用寿命长、绿色环保等优势成为最具有替代传统光源优势的新一代节能光源，因此，LED路灯将成为道路照明节能改造的最佳选择。LED照明是下一代照明产品的趋势：一方面是由于其自身的优点；另一方面，LED产业与目前各国所倡导的节能环保、营造“绿色低碳”生活的政策相符。但是针对LED路灯所单独开发的恒流源驱动装置还很少，目前市场上的LED路灯恒流源价格较高，恒流输出电流精度以及智能化程度还较低[1-2]。本文设计了一种能够具有输出较高精度的恒流电流，根据外界环境自动智能调整LED路灯的亮度，实现供电电源和恒流源相互通信等功能的智能数字恒流源系统，另外本系统选用了较低成本的HV9910B电源控制芯片和Mage16单片机控制单元，大大降低了制造成本，更有利于市场推广。

1 电路设计

1.1 总体方案设计

如图1所示，方框内为智能数字恒流源单元，主要包括以HV9910B恒流控制芯片为核心的功率变换电路，以VIPer22A-E芯片为核心的内部电源，以Mage16为核心的智能控制单元、数据采集电路及高可靠性远程通信单元。

图1 智能数字恒流源的整体结构

1.2 功率电路设计

基于HV9910B的功率变换电路如图2所示。芯片HV9-910B是开环电流控制LED驱动IC，可通过编程实现恒定频率模式或恒定关断时间模式，包含一个8.0～450 V的线性稳压器，在不需要外部低压供电情况下，能够有较宽的工作电压。HV9910B包含一个PWM调光输出，能够允许占空比0～100%变化以及频率高达几千Hz的外部控制信号，同时包含一个0～250 mV的线性调光输出，能够用作LED电流的线性控制。

图2 基于HV9910B的Buck恒流源驱动电路

当占空比小于0.5时，控制芯片HV9910B工作于恒定频率模式；当占空比大于0.5时，控制芯片HV9910B工作在恒定关断时间模式。在本系统中，控制芯片工作于恒定关断时间模式。输出电流设定：

1.3 智能控制电路的设计

单片机控制单元包括单片机Mage16及其外围电路，热敏电阻MF58构成的温度采集电路和电流感应芯片ACS712组成的电流采集电路[3]。单片机对恒流源的工作状态进行监控，并与集中供电电源进行数据交换，输出可调的PWM波控制LED亮度。

1.4 通信电路设计

在LED路灯集中供电场合，一个供电电源至少同时为30个LED路灯供电，而这些路灯分布在道路两侧，路灯之间的最大距离为上千米甚至数千米，如果集中供电电源要与这些路灯之间进行通信，普通的数据通信方式很难满足抗干扰和抗衰减的要求。因此，在LED电源供电时，专门设计了一个针对集中供电电源与LED路灯负载之间的通信电路，具有电路简单、可靠性高、通信距离远等特点。如图3所示，上半部分是发送节点，下半部分是接收节点，TXD是MCU的发送口，RXD是MCU的接收口，DC_IN+和DC_IN-是集中供电电源为LED路灯供电的直流传输线，VI线是信号传输线。

弱电部分通过光耦PC817与强电部分隔离开来，当发送高电平时，PNP三极管Q3截止，PNP三极管Q2基极没有电流，也为截止状态，信号传输线VI上的电压为0 V，光耦U7的二极管侧不导通，RXD处接收到高电平。当发送低电平时，Q3导通，光耦U4中流过Q2的基极电流，使Q2导通，信号传输线VI上的电压为105～37 V(与接收节点的数量有关)，这个电压足够使光耦U7的二极管侧导通，RXD处接收到低电平。此通信电路的最大特点是使用电流传送信号，抗干扰能力强，其通信速率可达200 Hz，通信节点可达50个以上，完全满足分布式LED路灯与集中供电电源之间的通信需求[4]。

图3 LED恒流源和供电设备通信电路

2 LED恒流与供电设备通信软件设计

供电电源与LED灯之间的通信采用双向半工通信。电源为主控方，LED路灯为副方，电源对LED灯的控制采用群控和巡检结合的方法[5]。

供电电源使用普通I/O口作为通讯接口，供电电源工作后，开启定时器，定时间隔为10 ms，在定时器中断时，对发送接口赋值，每隔10 ms赋值一次，表示传送通讯字的一位。待通讯字传送完毕后，主机信息发送结束。此后，电源以10 ms为周期读取接收端口的电平值，接收从机发送的信息。同样，LED灯的单片机也使用普通I/O口作为通讯接口，其收发数据的原理与供电电源相同[6]。

供电电源开机后，电源采用广播式通讯对所控的各个电源发送调光(巡检)命令字。具体的命令字格式如图4(a)所示。

由于供电电源和LED灯通信没有时钟同步，须采取程序同步的方法，因此命令字的前三位(D0，D1，D2)固定为110，用于在下降沿触发LED路灯单片机的外部中断，LED路灯单片机进入中断子程序，延时5 ms后开启定时器，定时间隔为10 ms，LED路灯恒流源单片机以10 ms为周期收发数据。命令字的第四位(D3)用于设定命令类型(调光或巡检)，D3为1时，为调光命令，D3为0时，为巡检命令。调光时(D3=1)，命令字的5～7位(D4，D5，D6)表示LED路灯的亮度等级(设定有0，20%，40%，60%，80%，100%六个亮度等级)。巡检时(D3=0)，命令字的5～7位设定为保留位(可均设定为1)。命令字的第八位(D7)为结束位。发送调光命令时，LED路灯接收到命令后，根据命令字中的亮度等级进行调光[7-8]。发送巡检命令时，LED路灯接收到命令后，继续等待供电电源的单灯巡检指令。

供电电源发送的单灯巡检指令格式如图4(b)所示，其中前两位(D0，D1)分别设定为0和1，为起始位(主-从)；3～7位为LED灯编号位，从00001开始编号(编号00000设定为供电电源编号)，可以有31个路灯，第八位为结束位(D8=1)。30路LED路灯均接收单灯巡检指令，并提取LED灯编号，若编号与自身编号对应，则进行回应；若非自身编号，则等待并继续接收指令。

巡检命令字每隔10 min定时发送，实现一次巡检。巡检时，供电电源首先发送巡检命令，LED路灯接收到巡检命令后，与供电电源实现时钟同步。同步后，供电电源开始逐个发送单灯巡检命令，实现巡检过程。

单灯回应指令格式如图4(c)所示，其中前两位(D0，D1)分别设定为1和0，为起始位(从-主)，3～7位均为0，设定为供电电源编号，第八位为结束位(D8=1)。

图4 LED恒流源的控制指令

供电电源接收到单灯回应指令后，对LED灯编号加1，继续发送下一个单灯巡检指令。直至编号为30，实现一次遍历巡检。若电源没有接收到单灯回应指令，则延时30 ms，再次发送单灯巡检指令。若连续五次均未收到LED灯的单灯回应指令，则认为该LED灯出现故障，将故障信息保存，上传至上位机。此后对LED灯编号加1，发送下一个单灯巡检指令。

供电电源只有在自身温度超过设定的温度范围时，才对LED灯发送调光命令字[9-10]。其他情况下，处于不控状态。环境温度小于30℃时，亮度等级为100%，温度为30～33℃时，亮度等级为80%，温度为33～36℃时，亮度等级为60%，温度为36～39℃时，亮度等级为40%，温度为39～45℃时，亮度等级为20%，温度超过45℃时，亮度等级为0。系统整体的通讯过程如图5所示。

图5 通信流程

3 实验结果

如图6所示为恒流源的驱动波形，其中通道1是开关管DS级间的电压波形，通道2是开关管的驱动波形，可以看出恒流源工作波形非常稳定，开关管工作在恒定关断时间模式。

图7所示为恒流源PWM调光波形，其中通道1是恒流源的输出电压，通道2是开关管的驱动波形，PWM信号的占空比约为80%，当PWM信号为高电平时，HV9910B输出驱动信号控制开关管工作，输出恒定电流；当PWM信号为低电平时，HV9910B不输出驱动信号，恒流源输出电流为0，在PWM信号为低电平期间输出电压降不到0是由LED负载的特性决定的[11]，LED负载是由很多个LED串联组成的，每个LED都有一定的导通电压，当供电电压降到低于LED导通电压值的时候，LED便不再导通，此时流过LED的电流为0。

图6 恒流源驱动波形

图7 恒流源PWM调光波形

供电电源与PC机之间通过RS232接口进行串口通信。通过在上位机上运行的远程管理软件可以控制大电源开机、关机，大电源定时向上位机发送自身运行的状态信息和故障信息，供上位机进行分析和处理。

图8是在上位机上运行的供电电源管理软件界面，由左侧的数据记录区、右侧的LED显示区和开、关机按钮等组成。数据记录区会显示电源管理过程中每一条有效指令，LED显示区包括32个LED指示灯，每个指示灯分别代表一个由大电源供电的LED路灯的工作状态，分为三种(灰色：LED路灯关闭，绿色：LED路灯正常工作，红色：LED路灯故障)。

图8 供电电源软件管理界面

当上位机接收到大电源发送过来的状态信息后，经过分析处理，将处理结果在界面上显示出来，供管理人员查看和处理。图9界面中显示灯1和灯3正常，灯2出现了故障。

图9 LED路灯故障显示界面

4 结论

LED路灯智能恒流源系统有效提高了电源的利用效率，根据外界光亮和自身温度智能调整LED路灯的亮度，更加高效地利用电能，并且可以实现上位机与单个路灯之间的通信，能够及时发现故障路灯，实现路灯的及时快速维修，具有成本低，电流输出精度高等优点，具有很好的应用前景。

本文主要目的是研究电地暖在运行一段时间后，室内温度的变化。而要求出室内温度的变化，需要求出地板的导热量，地板与室内空气的对流换热量，地板与周围墙壁的辐射换热量，外墙的蓄热量，室内空气的蓄热量，及传出的热量。因此需要知道5个特征点的温度，即：地板上表面的温度，地板下表面温度，室内空气的温度，外墙内表面温度，外墙外表面的温度。

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图2 三种算法收敛曲线图

4 结语

本文建立充电站的投资、运行成本和土地占用成本以及用户行驶路径损耗费用等多目标优化数学模型，并采用超效率DEA评价方法确定各目标权重，把多目标优化问题转化为单目标问题求解，将全局思想融入到萤火虫算法中求解充电站的规划问题。最后，通过算例仿真，验证本文应用改进算法的有效性和实用性以及模型的实际意义。

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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

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