一种LED照明远程控制系统

来清民，李金铭，张玉英

(河南教育学院电路与系统重点学科组，河南郑州 450046)

一种LED照明远程控制系统

来清民，李金铭，张玉英

(河南教育学院电路与系统重点学科组，河南郑州 450046)

介绍了一种LED照明远程控制系统的设计方法.该系统可通过现场总线通信使主控节点在线监控多台LED照明灯，并通过主控节点的软件全面分析从节点的运行参数，监控其运行状态.该系统具有数据传送可靠性高、抗干扰能力强、容易扩充新节点等特点.

控制系统;LED照明;现场总线;节点;驱动

0 引言

LED光源作为一种新型的照明技术，不仅具有节能、环保、寿命长和体积小的特点，而且与白炽灯、卤素灯相比还有便于控制和调光的优势，其应用前景举世瞩目，尤其是高亮度LED更被誉为21世纪最有价值的光源，必将引起照明领域一场新的革命，开创半导体照明光源的新时代.LED必将取代传统白炽灯、卤素灯和日光灯，成为第四代新光源［1］.

随着微机控制技术的发展，加快了智能照明控制系统的进步.微机智能控制系统不仅可以方便地控制灯光的亮度，还减少了电力线路及相应设施投资，便于安装维修.但它的网络通信大多采用传统的RS－485等通信方式［2］，因而普遍存在通信距离偏短、数据通信速度偏慢、出错率偏高、可靠性偏差等问题.现场总线的出现，为解决这些问题带来契机，本文介绍的LED照明远程控制系统就是采用现场总线控制技术，构成全分散式LED照明控制系统.该系统功能强大、可靠性得到很大提高，而且便于扩展新的节点［3］，特别适合商场、家庭和厂矿单位的LED照明控制需要.

1 LED照明控制系统主控制节点模块设计

LED照明远程控制系统设计采用CAN总线，CAN总线控制器工作于主从方式.这样就保证了系统的可靠性、降低了成本，并且使控制系统具有通用性、实时性和可扩展性等优点.

LED照明主控制节点可以通过CAN总线控制各个从节点LED灯的亮灭和亮度，能设置定时时间，控制LED照明定时开关灯，每个从节点的工作情况也通过CAN总线上传到主控节点，供主控节点查询监督.各个从节点也可以在本地通过按键控制本节点LED灯的使用.LED照明控制系统主控节点结构如图1所示.主控节点由STC89C52模块、CAN模块、总控制键盘模块和LCD1602显示模块构成.

STC89C52 CPU根据用户输入的节点号和亮度参数，向从节点发送控制信息，控制从节点LED灯按要求点亮或关闭;同时接收从节点发来的参数信息，通过LCD1602显示器显示出来.现场总线通信系统由CAN通信控制器和CAN总线收发器构成，CAN通信控制器是CAN总线接口电路的核心，主要完成CAN的通信协议，而CAN总线收发器的主要作用是提高CAN总线的保护和驱动能力.

LED照明从节点模块结构如图2所示.

图1 LED照明主控制节点电路结构Fig.1 Master node circuit structure of LED light

图2 LED照明从节点模块结构Fig.2 Module structure of LED light slave node

从节点接收上位机下传的控制信息和工作参数，经过CPU处理，控制LED照明灯的点亮和熄灭以及LED的亮度;并向上位机上传该节点工作参数和状态.从节点也有本地键盘，可以随时输入控制参数，点亮或者熄灭本地LED照明灯，并将本地LED照明参数上传给主控制中心.

2 CAN总线的LED照明控制系统的硬件设计

2.1 主节点键盘设计

主节点键盘采用4×4行列扫描键盘，P1口作为键盘扫描输入.按键名称和功能如表1，其中0号键用于启动系统进入设置状态，1号键和2号键设置LED灯点亮定时时间，3号键和4号键设置LED灯亮度，5号键～F号键对应节点0～节点A，共11个节点.

表1 按键名称和功能Tab.1 Names and functions of the keys

图3 液晶模块连接Fig.3 Connection of LCD module

2.2 主节点显示设计

为了简单起见，系统所选用的显示模块是LCD1602字符显示模块，能够显示2行16个字符.图3所示是LCD1602应用图.它与STC89C52 CPU接口方式为:DB0～DB7接CPU数据线AD0～AD7，RS接P2.0，RW接P2.1，E接P2.2，其中，滑动变阻器R8可以调节点阵的亮度，以便达到最佳的显示效果.

3 从节点LED照明驱动设计

3.1 LED照明简介

LED(Light Emitting Diode)又称发光二极管，是一种可将电能转换为光能的半导体发光器件.LED照明是利用固体半导体芯片作为发光材料，当发光二极管两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射产生可见光.这种发光机制有别于传统照明，是一种半导体固体冷光源，其发光效应为电致发光.

大功率LED照明芯片属于低压直流器件，且是一种电流型器件，其正向导通电压的典型值3.0 V～4.0 V，驱动电流为350 mA～1 000 mA，根据功率不同驱动电流会更大.根据LED伏安特性可知，为了使LED工作在稳定、可靠的状态，必须为LED提供恒定电流［4］.所以，恒流电源被认为是研发LED半导体照明光源的一项重要内容.LED半导体照明光源所用到的LED一般多为白光LED，可以用作白光LED驱动电源的集成器件品种较多，大致分属恒流源、电荷泵和开关电源3种类型.

3.2 从节点LED照明驱动电路设计

3.2.1 AX2015简介

AX2015是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，用于驱动一颗或多颗串联LED.AX2015输入电压范围从8 V～30 V，输出电流可调，最大可达1.2 A.根据不同的输入电压和外部器件，AX2015可以驱动高达数十瓦的LED.AX2015内置功率开关，采用高端电流采样设置LED平均电流，并通过DIM引脚可以接受模拟调光和很宽范围的PWM调光.当DIM的电压低于0.3 V时，功率开关关断，AX2015进入极低工作电流的待机状态.AX2015采用SOT89－5封装.AX2015引脚功能如表2所示.AX2015被广泛用于LED MR16灯、LED MR11灯、LED洗墙灯、LED投光灯、LED车灯等照明.

AX2015的特点为:外围电路极简单，极少的外部元器件，很宽的输入电压范围:8 V～30 V，最大输出电流1.2 A，复用DIM引脚进行LED开关、模拟调光和PWM调光，5%的输出电流精度，高达97%的效率，输出可调的恒流控制方法.

表2AX2015引脚功能Tab.2 Function of Pin AX2015

图4 AX2015驱动电路原理图Fig.4 Drive circuit principle diagram of AX2015

3.2.2 基于AX2015的3W LED照明灯驱动原理

如图4所示，在12 V～24 V电压范围里，可交直流两用，D1～D4组成整流桥，该桥有两个功能，在输入是交流电源的时候，把交流整流成直流;在输入是直流电源的时候，起极性转换作用，无论输入电源的极性如何，都能保证电路正常工作.C1，C2是滤波电容，把脉动直流变换成平滑的直流.R1和R2并联是取样电阻，为了叙述方便，把R1和R2并联电阻用RS表示，它决定恒流源的绝对精度.L1是镇流电感，把100 KHz的脉冲电流变换成三角波电流，L1的电感量会影响工作电压范围内恒流源的稳定性.D5是续流二极管，在芯片内部MOS管处于截止状态时为储存在电感中的电流提供放电回路.由于工作在高频脉冲状态，D5应选用正向压降小、恢复速度快的肖特基二极管.芯片的DIM端可外接PWM脉冲或直流电压调光，也可以接热敏电阻作辅助温度控制和自动亮度控制.如果不用这些功能，DIM端口悬空.

AX2015和电感L1、电流采样电阻RS形成一个自振荡的连续电感电流模式的降压型恒流LED控制器.VIN上电时，电感L1和电流采样电阻RS的初始电流为零，LED输出电流也为零.这时候，CS比较器的输出为高，内部功率开关导通，SW的电位为低.电流通过电感L1、电流采样电阻RS、LED和内部功率开关从VIN流到地，电流上升的斜率由VIN、电感L1和LED压降决定，在RS上产生一个压差VCSN，当(VIN－VCSN)＞11 mV时，CS比较器的输出变低，内部功率开关关断，电流以另一个斜率流过电感L1、电流采样电阻RS、LED和肖特基二极管D5，当(VIN－VCSN)＜80 mV时，功率开关重新打开，这样LED上的平均电流为高端电流采样结构使得外部元器件数量很少，采用1%精度的采样电阻，LED输出电流控制在±5%的精度.

3.2.3 LED的调光控制

LED的最大平均电流由连接在VIN和CSN两端的电阻RS决定，通过在DIM管脚加入可变占空比的PWM信号可以调节输出电流以实现调光［5］.计算方法如下

这里，将DIM引脚接到从节点CPU的P2.4脚，CPU输出PWM脉冲控制LED灯的亮度和关闭.

4 CAN总线的LED照明控制系统的软件设计

4.1 系统的通信协议制定

4.1.1 节点标号帧

(1)主节点向被控制从节点发送请求应答，当相应从节点收到该帧后就向主节点发送该节点的亮度值(lightness)和定时值(time).

(2)主节点数据结构为数组Node［33］，每个节点用其中的3个字节，共11个节点33字节.其中Node［3* NO］为节点标号，Node［3*NO+1］为需要发送的字节数，此字节为常量0x01，Node［3*NO+2］为0xff.

4.1.2 设置信息帧

(1)利用节点标号帧，主节点得到相应从节点返回的信息后，可以在主控中心显示从节点亮度和定时值.用户可在主控制中心利用键盘远程控制从节点亮度和定时值，按下设置键，主节点就将设置好的信息发送出去，对应的从节点将从总线上得到.

(2)数据结构为数组uchar TranData［5］，其中TranData［0］为从节点的标号(即主节点希望哪个节点收到信息)，TranData［1］为需要发送的字节数，此字节为常量0x03，TranData［2］用于区分信息帧和标号帧，值为0x00，后两个字节为time和lightness.

4.1.3 从节点返回信息帧

(1)当主节点发送的节点标号帧被从节点收到后，从节点就将当前的本节点LED灯的亮度和定时信息反馈给主节点.

(2)数据结构为数组uchar TranData［4］，在从节点信息中与2区分，其中TranData［0］=0x00作为主节点的标号(主节点标号设为0x00)，TranData［1］=0x02，代表还需要发送2个字节，后2个字节为当前节点的定时值和亮度值.

(3)如果主节点发送的标号帧所对应的从节点因故障不在线时，主节点设置了revflag标志，当其为0时，液晶上显示NO X off(X为节点标号).

4.2 主节点软件设计

图5 主节点流程图Fig.5 Flow chart of the master node

主节点的程序主要处理各个节点之间传送的数据，部分函数说明如下.

主节点流程图如图5所示.

5 结论

由于LED照明灯拥有许多新的电子特性，便于实现智能化和人性化控制，文中的设计可对整个远程LED照明系统实现完全智能化控制.实验表明，该控制系统具有抗干扰能力强、性价比高和易于增加新的节点的特点，且该控制电路结构紧凑，成本低廉、通信距离远、实时性强、可靠性高，具有较强的通用性和广泛的应用前景.

［1］ 雷玉堂，黎慧.未来的照明光源——白光LED技术及其发展［J］.光学与光电技术，2003，1(5):33－34.

［2］ 顾娜，李正明.基于CAN总线的智能照明控制系统［J］.电子技术应用，2006(9):11－13.

［3］ 隋越，丘友全，张新池.基于CAN总线的LED隧道灯控制系统设计［J］.仪器仪表用户，2010，17(2):31－32.

［4］ 颜颖.白光LED照明驱动选择及其主要电路结构设计［J］.科技创业月刊，2010(9):191－192.

［5］ 杨珂，肖晗，解光军.白光LED驱动电路的研究进展［J］.电子科技，2008，21(4):7－11.

One Remote Control System for LED Lighting

LAI Qing-min，LI Jin-ming，ZHANG Yu-ying

(Group of Circuit and System Key Discipline，Henan Institute of Education，Zhengzhou450046，China)

A design method of remote control system for LED lighting is introduced.In the system，the master node can monitor several slave nodes by fieldbus communication，analyze running parameters comprehensively and monitor the state of slave nodes.It is very reliable and effective for anti-interference，and easy to connect to a new node.

control system;LED lighting;fieldbus;node;drive

TP211+.6

A

1007－0834(2012)01－0008－04

10.3969/j.issn.1007－0834.2012.01.003

2012－01－22

河南省科技攻关项目(102102210060);河南教育学院电路与系统重点学科资助项目

来清民(1960—)，男，河南灵宝人，河南教育学院电路与系统重点学科组教授，电路与系统重点学科学术带头人，主要研究方向:嵌入式应用系统.