跑道关闭时机场标识灯自适应控制系统设计

张积洪，江 晓

（中国民航大学 航空自动化学院，天津 300300）

0 引言

目前，国内民航机场在跑道关闭时，没有专门的灯光指示设备，一般都是采用简陋的LED灯条，或者是普通的大功率灯泡。这样不仅达不到期望的指示要求，更造成了能源的浪费。基于这种现状，本文阐述了一种可以依靠外界光强自动调节指示灯亮度的灯光指示系统，该系统具有以下优点：

1)采用太阳能充电，节省能源，响应国家节能减排号召。

2)具有过冲、过放电、电流波动保护的电源管理模块，保证了整个系统供电的可靠性。

3)采用数字光强传感器，增强了传感器的抗干扰能力。

4)指示灯采用了集成了恒流源的大功率LED灯组，保证了指示灯光的识别距离。

5)调光方式采用目前最先进的脉宽调制（PWM）方法，既节能，又保证LED指示灯的寿命。

6)整个系统安装于十字形易折杆上，可在意外发生时，最大限度地保护客机。

本系统满足了新型机场关闭自适应指示灯的专业要求：

第一，采用的内部集成恒流源的大功率LED灯组，可以满足飞行员1.2Km即识别的距离要求。

第二，根据外界光照强度，自动调节大功率LED指示灯的亮度，比如在阳光很强的中午，LED指示灯也会相应变量；在夜晚，LED指示灯又会适当变暗，使其满足民航业要求的5级光强，这样可以让飞行员很舒服的识别出指示灯又可有充分时间采取变道措施，降落到其他跑道。

第三，充分利用太阳能PWM充电，提高了充电效率；并且指示灯亮度调节采用了2KHz的PWM调节，最大程度的节省了能源。

第四，采用自身铅蓄电池供电，因此可以很方便又可随意放置于机场的任何地方，作指示用。

1 灯光指示系统的灯光部分设计

指示灯部分采用了24个内部集成了恒流源的大功率LED灯组，单灯组规格为12V，0.35A。

2 系统的供电部分设计

2.1 铅蓄电池组的选择

机场跑道由于施工等问题，关闭时间少则几小时，多则几天，故本系统采用12V，120AH铅蓄电池供电。24个LED灯组最大功率为24×12V×0.35A＝100.8W，一组铅蓄电池可持续提供1440W一小时，故一组蓄电池可供系统工作14小时，系统按最大连续使用时间72小时，并留有20%余量计算，采用6组12V,120AH的铅蓄电池供电。

2.2 铅蓄电池的充电方式

方式一：铅蓄电池的充电采用200W太阳能板三块并联充电，整套系统满冲时间为14.5小时，在电源管理模块的控制下，太阳能充电方式采用PWM调制式，比传统太阳能充电效率提高3%-6%。充电1小时，即可保证系统工作6小时以上。

方式二：采用专门的充电器进行快速充电。

2.3 电源管理模块

为了保证系统充放电的平稳性，本系统采用了带有过冲，过放，过流过载保护功能的电源管理模块HBSC20I（12V，20A），当蓄电池放电电压低于11.1V即断开供电，当充电电压大于14.6V时断开充电电路，当1.25倍额定电流60秒断开供电电路，当1.5倍额定电流5秒钟即可动作断开供电，工作温度-35℃ +55℃，极大地保证了系统的可靠性。

3 系统的光强采集模块

3.1 数字光强传感模块 GY-30

由于本系统主要面向于民航机场，应用环境具有强干扰特点，故在光强采集部分运用了抗干扰能力强的集成了数字光强传感芯片BH1750FVI的光感模块GY-30。

集成数字光强传感器模块GY-30板上集成有：BH1750FVI芯片、3.3V低功耗稳压器（3V—5V供电兼容）、电平转换（3V—5V系统通信兼容）。因此5V供电电源可以直接接到光强模块的Vcc引脚，为了保险起见也可以在+5V电源加上滤波电容，这里选用10uF的电解电容和0.1uF的瓷片电容并联。

图 1 GY-30与单片机的接口

3.2 数字光强传感IC — BH1750FVI的特性

BH1750FVI光强传感IC是16位数字光强芯片，因具有如下特点而被采用为系统的光强采集传感器：

1)有很宽的光照识别范围(1—65535lx)，即使在漆黑的夜晚也能将几lx的光照转换成数字量输出到单片机。

2)工作温度为 -40℃ 85℃，满足机场使用，机场户外环境冬天可达-20℃，夏天40℃。

3)低功耗，5V供电时最大功耗仅有260mW。

4)受红外光影响极小。

5)测量精度高，当采用低速测量模式时，精度达到0.11 Lx，远远满足测量要求。

6)具有很好的光谱响应特性，如图2所示。

7)测量结果受温度影响很小，满足机场恶劣环境下的应用，如图3所示。

8)与单片机接口为最常用的I²C接口，易于实现数据通信。

图2 交谱响应曲线

图3 温度响应曲线

3.3 BH1750FVI的通信协议及过程

BH1750FVI与主控制器间的通信采用标准的I²C通信协议。I²C总线在传输数据过程中共有三种类型的信号：起始信号、终止信号和应答信号。主控器通过I²C接口向光传感模块发送命令和读取数据。

1)主控器向GY-30发送控制命令步骤：（1）主控器产生通信启动信号。（2）主控器发送8Bit地址数据（其中最后一位应为0，表示写操作）。（3）主控器读取GY-30的应答信号。（4）主控器发送8Bit命令数据。（5）主控器读取GY-30的应答信号。（6）主控器产生停止信号。

2)主控器从GY-30读取数据步骤：（1）主控器产生通信起始信号。（2）主控器发送8Bit地址信号（最后一位应为1，表示读操作）。（3）主控器读取GY-30的应答信号。（4）主控器读取高8位数据。（5）主控器产生应答信号。（6）主控器读取低8位数据。（7）主控器产生应答信号。（8）主控器产生停止信号。

3.4 GY-30数字光强传感模块与单片机通信的软件设计

在应用中，由于只需要一个GY-30与单片机通信，故将ADDR引脚直接接地，这样GY-30的设备地址就被设定为 0x46。BH1750FVI通过指令0x10被设置为H- resolution mode（高速转换模式）。

本系统采用标准C语言编程，以下是GY-30与单片机的软件通信程序：

由于I2C接口有标准的通信协议，并且限于篇幅，此处仅给出GY-30的主要通信程序部分：

4 灯光控制模块

灯光控制模块主要采用了以51系列单片机为核心，以一系列工业级芯片为辅的控制系统。整个控制系统的核心采用了工业级STC单片机，具有很高的抗干扰能力，并选用了PQFP-44封装的单片机芯片，极大的缩小了控制板的体积，使控制板小巧灵活。

4.1 控制模块的硬件设计

由于整套系统采用的12V蓄电池供电，而灯光控制模块的供电是5V供电，故采用高可靠性的DC-DC（12V—5V）给控制模块提供非常稳定的5V供电，大功率LED灯的开关选用大功率N沟道场效应管 IRF-3205（55V,110A）。大功率LED单灯组的工作电流很大（24组可达24×0.35A），所以LED的工作电路要与单片机工作电路隔离开，本系统采用工业级光耦芯片TLP521-2(I)，将两部分隔离开来。

电路图如图4所示。

图4 控制模块的电路原理图

4.2 大功率LED灯组亮度控制设计

目前，LED亮度控制主流采用两种方法，一是改变流过LED灯的电流大小，通常是串接不同阻值的电阻来实现。二是脉宽调制方法(PWM)，利用了人眼的视觉暂留原理，通过改变光脉冲的占空比来实现灰度控制。第一种方法从根本上讲就是通过增加了额外消耗来实现了调光，不仅浪费能源，而且缩短了LED的使用寿命。第二种方法为目前最先进的LED调光方法，既节省能源，又保证了LED的使用寿命，因此倍受青睐。

本控制系统采用改变频率为2K的PWM波的占空比来改变LED的平均电压，而达到亮度调节的目的。在民航界，灯光的亮度分为五个等级，故将2K的PWM波设置为5个不同的占空比，通过多次试验，确定占空比为0%，80%，60%，40%，20%的五种PWM波,低电平点亮LED。

4.3 LED亮度控制模块的程序设计框图

程序仅由软件产生延时，控制大功率LED指示灯的亮灭循环，并巧妙的将光强采集时刻植入到LED指示灯熄灭时采集，使得程序更简洁。程序采用简单可靠的顺序式结构，上电即复位。

5 结论

该系统在技术上采用了清洁能源太阳能充电，符合我们国家节能减排的要求；并有可靠的电源管理系统，为整套系统提供了可靠的能源保证。

图5 控制模块的程序结构框图

在实际条件测试下，本套系统可以在设计时间内可靠的连续工作，可以被广泛应用于各民航机场。

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