版轨道车辆车厢的LED照明控制系统设计

付来

摘要：我国这几年大力进行基建，铁路网四通八达，铁路里程早已跃居世界前列。但是与此同时也存在一些问题，轨道车辆的照明设备老旧严重，多年得不到更新换代，乘客的视觉感受得不到质的提升，这与前者形成了强烈对比。所以当前的照明设备急需得到更换，以满足日益增长的照明需求。随着现代照明技术的发展，照明设备，照明手段，照明规模大小等的复杂程度大大提高，对其照明功能和质量也有了更高的要求。现有的LED照明已经越来越不能满足人们的日常需求，所以利用最新的计算机技术及照明计算软件进行照明设计的建模和仿真，研究开发高效、节能、环保的轨道车辆车厢LED照明已经显得必不可少。

关键词：LED照明系统;EMC滤波电路

第1章  轨道车辆车厢LED照明驱动电源的探讨

1.1轨道车辆车厢LED照明对电源的需求

LED驱动电源对于LED来说有着举足轻重的作用，因此，对其的功能特性有着极为严格及特殊的要求，满足完美适配的条件包括以下几点：具有较高的可靠性、高效率、采用恒流驱动、高功率因数、散热性好、浪涌保护性强、寿命长、采用PWM脉宽调制等。

1.2LED驱动电源的各部分设计方案

驱动芯片部分：经过比对市面上的各种适用类产品，我最终选择了一款成熟的经过市场检验的芯片-PT4107，该芯片优点良多，完美适配我接下来的电路设计。是EMC电路设计：为了降低电路中产生的多余电磁干扰，我要加上电磁兼容滤波器，使得电流经过第一道安检之后不那么狂躁，更加柔和的为LED照明服务。

整流滤波电路设计：因为直接相连220V的工频交流电，不能直接给LED照明使用，所以需要将交流电先整流滤波转换成直流电，然后给LED供能。所以整流滤波电路的加入就显得必不可少。

PFC电路设计：功率因数主要与效率相关，它指的是有效功率和总耗电量之间的比值，它的数值大小正向代表了电能转化效率高低。

降压稳压电路设计：驱动芯片需要的电压比较小，整流后需要降压处理，降低到18V-20V的可适用电压范围，所以该电路的设置就尤为重要。

DC/DC变换器电路设计：这一部分我采用单端正激式模式，特点是仅仅在整个电路中使用一个MOS管。

1.3对驱动电路进行仿真分析

经过比对常用的电路仿真软件，最后决定利用Proteus进行仿真。我们将所需要的各个零部件都从软件库中提取出来，然后将电路图中的驱动芯片替换为我们设计的版本进行设置。接着开始进行仿真：

第一步：在交流输入端输入220V，频率为50Hz的正弦激励源信号。

第二步：選择全波整流电路，滤波电路选择80Hz大小的滤波，电容选为100nF。

第三步：在DC/DC变换器中，电感选为30H，电容选择500pF，在输出端负载选择用500Ω的电阻代替LED灯具。

第四步：驱动芯片锁存器振荡信号输入端加载频率为1kHz始终激励源信号。

第2章  轨道车辆车厢LED照明控制方法的研究

2.1轨道车辆车厢LED照明控制系统设计方面

2.1.1选择合适的LED照明方案

当前阶段车辆车厢照明是以车厢为单位进行的，每个车厢都是独立的采取控制，可以同时开关整个车厢的照明设备，开启和熄灭的灯交替，以此来减少电能消耗，从而节省成本。随着LED照明技术的不断应用和发展，传统方式已经跟不上当代所需，所以新的技术的出现已成必然之势。采用集中供电和自适应照明方案就是其中的佼佼者。轨道车辆车厢照明的发展方向是最终实现智能调节光照强度，通过协调与控制器之间的通信问题。比较传统的控制方法是在各个车厢中设置控制装置，将电气设备置于其中，由工作人员进入其中手动操作，这种方式操作比较繁琐，低效，非常落后。而我将要介绍的方案则大大优化了该部分的程序操作，提高了工作效率。

2.1.2集中式控制方法

集中式控制方法是在轨道车辆的一节车厢中设置一个总控制室，然后将所需要的控制装备安装在其中，以此来调控和检测车辆中全部车厢的照明情况，不再需要其他多余的控制室。传统的开关加上继电器的方法已经落后，能够实现的功能较为简单，但是操作却极其复杂，浪费了大量的人力，早就该得到淘汰。所以传统手工操作已经落伍，如今各种智能设备如雨后春笋般出现，实现去除人工，达到智能自动控制的目的变得越来越可行。集中控制的优点还在于给列车节省了大量的空间，集中控制便于检测和调控，在实际操作方面，使用智能化设备，简单快捷，解放了人工，只需要配备一名工作人员就能够实现对整辆车的有效有序的灯光管理，此外如果开启自动调节模式，甚至不需要人工便可以实现自动调控，这真是大大节省了成本。

2.2控制系统通信方式的选择

通过对比各类通信方式，最终决定选用CAN总线通信方式，CAN中文含义是控制器局域网络，其通信方式属于串行通信，其优点突出，在国际上使用也比较广泛，经过实践的检验，可靠性高，具有错误检测能力，在各种极端条件下都能够正常工作，。优点如下：网络各节点之间的数据通信实时性强、已经形成国际标准、产品开发周期有效降低等等。使用CAN总线通信方式会让我们的控制系统更加高效稳定的工作，对信息的处理能力更加快速，精确，从而使得整个电路的协作能力更加突出，使得LED灯光的调控游刃有余。

2.3控制系统的选择

通过对比市面上适用的单片机，从价格、稳定性、平均使用寿命等考虑，在众多产品中我最终选择了STC89C51单片机。其性能优良，最高工作时钟频率为80MHz，其内含的Flash只读程序存储器可反复使用，并且不会影响其反应速度和灵敏度，从而降低了更换的频率，节约了成本。除此之外，内部还集成了8位中央处理器，功能非常强大，可以同时多路进行信息处理，存储单元则是ISP Flash存储单元，和PC端的程序可以进行交互体验。最大的优点是可以将所需要的程序代码直接下载进单片机内部，从而不再需要额外增加通用编程器。

2.4光亮处理模块设计

该部分一共设计了三个板块，包括ADC0809和单片机的相连图、一个提供脉冲信号的4分频电路和亮度采集电路等，这三个部分互相紧密连接，功能强大。我们采用的单片机外部晶振固定频率是2MHZ，所以频率只有几百kHZ的ADC0809需要一个4分频的电路实现500kHZ的脉冲信号供给，然后才能正常工作。对于四分频电路部分，我选用了74LS74，其时钟上升沿触发。在工作过程中，当信号采集器采集到车厢中的亮度以后提交给ADC0809，后者将其由模拟信号转变为数字亮，然后通过D0-D7引脚传送到P0口，单片机识别后再进行下一步的操作。

第3章  结论

在通过参与对轨道车辆车厢LED照明系统整个设计流程之后，我从这个过程中所做的研究工作如下：通过阅读相关文献了解了LED的发光特性，LED的发展历史，以及在照明领域的独特地位。让我认识到了LED在今后发展的巨大潜力，以及当前我国在该项技术上的不足以及优势;通过对LED照明特性的分析，选择了最合适的LED驱动电源，采用了恒流式驱动电源的最佳方案，同时通过层层筛选，最终决定选用PT4107作为应用芯片，该芯片的优良性能完全能够满足使用要求，并由此设计出了LED驱动电源电路图。

参考文献：

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