基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的LED調(diào)光燈具的設(shè)計(jì)

摘要：為了滿足隧道智能照明的控制需求，提出了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的LED調(diào)光燈具的設(shè)計(jì)方案，并完成相關(guān)電路的設(shè)計(jì)。該LED燈具主要包括前級(jí)電路、LED驅(qū)動(dòng)電路、ZigBee無線模塊以及PWM產(chǎn)生模塊，能夠穩(wěn)定地滿足系統(tǒng)對(duì)于LED燈具的調(diào)光要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

隧道建設(shè)對(duì)于我國(guó)改善道路交通現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的平穩(wěn)快速發(fā)展具有重要意義。隧道智能照明控制系統(tǒng)作為隧道建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，也日益受到更多的關(guān)注。在隧道智能照明控制系統(tǒng)中，隧道的照明強(qiáng)度能夠根據(jù)洞外亮度、車流量以及車速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，這就要求隧道照明的燈具具有良好的調(diào)光性能，能夠接收到中控機(jī)發(fā)出的調(diào)光指令，實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度的平穩(wěn)調(diào)節(jié)。

LED燈具與傳統(tǒng)的熒光燈、高壓鈉燈等不同，其亮度能夠在0～100%之間自由平滑的調(diào)節(jié)，并不影響其使用壽命，而且調(diào)節(jié)控制方法簡(jiǎn)單有效。再加上LED燈具本來在節(jié)能方面的巨大優(yōu)勢(shì)，使得LED燈具在現(xiàn)代隧道照明當(dāng)中應(yīng)用的越來越廣泛。但現(xiàn)在在隧道照明當(dāng)中應(yīng)用的LED燈具的布置和控制方式往往還按照以往對(duì)于高壓鈉燈的布置和控制方式來進(jìn)行，根本發(fā)揮不出LED本身所存在的優(yōu)勢(shì)，所以設(shè)計(jì)一款高效、節(jié)能、易于控制的LED燈具就顯得很重要。

本文根據(jù)隧道智能照明控制系統(tǒng)對(duì)于燈具的要求，設(shè)計(jì)了一款基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以利用PWM技術(shù)進(jìn)行無級(jí)調(diào)光的LED燈具。

1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我們可以得到如圖1所示的LED燈具的電路結(jié)構(gòu)圖。220 V市電先經(jīng)過EMI濾波電路后經(jīng)過整流電路變?yōu)橹绷麟姡缓蠼?jīng)過功率校正電路來提高電源的功率因數(shù)，防止對(duì)電網(wǎng)造成諧波干擾。燈具模塊中具有的無線通信ZigBee模塊可以將所有LED燈具組成一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)LED燈具都可以接受到主控制器發(fā)送的調(diào)光控制指令，經(jīng)過PWM模塊施加到LED的驅(qū)動(dòng)電路上，來平滑地改變LED燈具的亮度，實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 前級(jí)電路

根據(jù)LED燈具對(duì)于直流驅(qū)動(dòng)電流的要求，LED燈具的前級(jí)電路主要包括EMI整流電路、橋式整流電路以及功率因數(shù)校正電路，具體的電路如圖2所示。

濾波電路中電阻起到過壓保護(hù)的作用，C1、C2、L1、L2組成的濾波電路有效地抑制了電磁干擾，同時(shí)也使LED燈具產(chǎn)生的電磁干擾不會(huì)影響到電網(wǎng)。由4個(gè)二極管組成的橋式整流電路將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，同時(shí)通過C3進(jìn)行高頻噪聲的濾波。功率因數(shù)校正電路以L6561控制器為核心，整流電路輸出電壓經(jīng)過R9、R10分壓器采樣，通過L6561升壓變換得到直流輸出電壓。整個(gè)電路在L6561的控制下，使得整流二極管的導(dǎo)通角幾乎為180度，能夠與交流的輸入電壓保持相同的相位，從而將功率因數(shù)提高到接近于1。同時(shí)，該電路還起到了高功率因數(shù)的開關(guān)電源的作用。

2.2 LED驅(qū)動(dòng)電路

LED的驅(qū)動(dòng)控制模塊采用的是TI公司開發(fā)的LM3407芯片，它是集成了N溝道功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管的脈沖寬度調(diào)制的浮動(dòng)式降壓轉(zhuǎn)換器，可以直接控制平均負(fù)載電流，專門用于大功率的LED顆粒的恒流控制，非常適合作為隧道照明控制系統(tǒng)中LED燈具的驅(qū)動(dòng)電路使用。本文設(shè)計(jì)了基于LM3407的一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)例，它能夠提供350 mA的恒定電流來驅(qū)動(dòng)6個(gè)串聯(lián)的LED燈組?；贚M3407的LED驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

在此電路中可以通過調(diào)整電阻RISNS1和RISNS2來調(diào)整該驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流，默認(rèn)情況下兩個(gè)電阻的取值都為1.13 Ω，最終可以使得整個(gè)電路的輸出電流為350 mA。整個(gè)電路開關(guān)頻率的調(diào)節(jié)是通過設(shè)定電阻RFS的阻值來實(shí)現(xiàn)的，可以靈活的將驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)頻率設(shè)定在300 kHz到1 MHz之間。為了獲得較為恒定的電流輸出，LM3407需要工作在連續(xù)傳導(dǎo)模式下。為此，我們應(yīng)該使得電感器的紋波電流的幅值能夠盡可能的小。在此應(yīng)用下，電感器的默認(rèn)值是33μH。

在一般情況下，我們可以將脈沖信號(hào)施加到DIM腳，這樣就可以周期性地啟動(dòng)和禁止LM3407，從而控制輸出電流，達(dá)到對(duì)LED陣列調(diào)光的目的。

2.3 ZigBee模塊

無線通信模塊采用的是基于ZigBee技術(shù)的CC2430芯片，它是真正的系統(tǒng)芯片CMOS解決方案。該解決方案能夠滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHz ISM波段應(yīng)用，同時(shí)滿足低成本、低功耗的要求。通過添加ZigBee模塊，使得LED燈具具有無線組網(wǎng)功能，能夠?qū)ED燈具作為終端節(jié)點(diǎn)接入整個(gè)隧道照明控制系統(tǒng)當(dāng)中。無線網(wǎng)絡(luò)不但能夠?qū)ED燈具的電流、電壓等信息實(shí)時(shí)地傳遞給后臺(tái)服務(wù)器，同時(shí)能夠根據(jù)隧道運(yùn)行參數(shù)動(dòng)態(tài)地向LED燈具發(fā)出相應(yīng)的調(diào)光指令，調(diào)節(jié)隧道照明亮度。CC2430及其外圍電路如圖4所示。

2.4 PWM模塊

PWM波形的產(chǎn)生芯片采用Silicon General公司生產(chǎn)的SG3525。它是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強(qiáng)的單片集成PWM控制芯片。它簡(jiǎn)單可靠，使用靈活方便，輸出驅(qū)動(dòng)為推拉輸出形式，增加了驅(qū)動(dòng)能力。內(nèi)部的欠壓鎖定電路、軟啟動(dòng)控制電路、PWM鎖存器具有過流保護(hù)功能，頻率可調(diào)，同時(shí)能限制最大占空比。PWM模塊及其外圍電路如圖5所示。

3 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)了一款基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，能夠進(jìn)行PWM調(diào)光的LED燈具，通過對(duì)燈具每個(gè)模塊的具體分析與設(shè)計(jì)，使得該款LED燈具能滿足隧道智能照明控制系統(tǒng)的要求，能夠廣泛地應(yīng)用于隧道智能照明控制系統(tǒng)中，具有較高的市場(chǎng)利用價(jià)值。