LED景观照明控制系统设计分析与运用

   1 引言

     ＬＥＤ景观照明智能控制系统是为了满足日益增多的城市景观照明的需求和“绿色照明工程”的要求而设计的新型控制系统。它包括ＰＣ机接口、主控制器、若干驱动器、连接这些模块的双芯总线以及用于景观功能和参数 设置的专用管理软件。系统通过ＰＣ机的专用管理软件，对景观照明的跑、跳、亮、闪、淡入、淡出等功能及参数进行设置。主控制器（下位机）根据相应的参数设置对驱 动器发布控制命令以实现景观照明的脱机控制。控制指令数据由电压信号的脉宽来表示，由总线串行传输。系统主要用于城市大型建筑的景观照明。

     2 系统结构及控制方法系统采用主从控制方式，包括一个主控制器、若干驱动器和ＰＣ接口。主从式控制器采用总线连接（如图１所示）。主控制器接入２２０Ｖ交流电，通过变换向主模块供电，并通过总线向驱动器供电。总线采用全两线制方式，承担双重作用，一方面传递控制信号，一方面向驱动器供电。主模块通过向驱动器的地址发布命令来实现对其的控制。具有单一地址和成组地址两种形式，景观效果通过主模块向各驱动器发布地址命令和成组地址命令来实现。通过这种控制方式，利用ＰＣ机能够很容易实现景观照明的在线方案调整，达到柔性控制。驱动器内有三路输出，分别控制红色、绿色、蓝色三种颜色的ＬＥＤ灯，通过三种基色灯的组合，可以形成白色（红、绿、蓝）、红色、黄色、浅蓝（绿、蓝）、绿色、蓝色、粉红等七种颜色。

     3 主控制器硬件设计主控制器负责接收ＰＣ机传来的景观照明控制方案及功能参数，将其变换为响应的控制命令数据，并将其调制到总线上，通过总线发送给各个驱动器（如图1所示）。其由电源电路、ＲＳ－２３２接口电路、ＭＣＵ及外围电路、总线输出电路四部分组成。电源电路为主模块和总线提供电源，各驱动器中的控制器不再外接电源，而是采用直接从总线获取的方式，驱动器控制的ＬＥＤ灯具另备电源。ＲＳ－２３２接口电路采用ＭＡＸ２３２专用芯片，实现ＰＣ机与主控制器中ＭＣＵ之间的数据通信的电平转换。主控制器中的ＭＣＵ采用Ｍicrochip公司的ＰＩＣ１６Ｆ６３，初始设置数据及控制方案数据存储于外围存储器中。主控制器通过ＲＳ－２３２接口将ＰＣ机传来的控制信息和方案存在存储器中，然后脱离ＰＣ机，通过调用存储器中的控制方案和参  数独立完成控制工作。如变换方案，只需要再次设置参数即可。总线收发电路的设计比较重要，其一方面要为总线上的驱动器提供工作电流，另一方面又要传输控制指令，同时还要保证总线系统的本身安防问题。图２是总线电路的原理图。图中Ｑ１、Ｑ２与Ｑ３、Q４是两对互补的大功率晶体三极管；Ｑ５、Ｑ６是普通晶体三极管；Ｕ１、Ｕ２是比较器；ＭＣＵ-ＯＵＴ是连接到ＭＣＵ的引脚。当ＭＣＵ输出信号为低电平时，Ｕ１Ａ输出０Ｖ，Ｕ１Ｂ输出３０Ｖ。这样使得Ｑ２与Ｑ６、Ｑ３导通，Ｑ１、Ｑ５与Ｑ４截止，这时电流从３０Ｖ电源流出，经过Ｑ６、Ｑ３流向总线的ＢＵＳ-２，经过各驱动器模块后，从ＢＵＳ-１流回，最后经过Ｑ２流入地，扣除晶体管的压降，ＢＵＳ-１与ＢＵＳ-２之间的电压为－２４Ｖ。当ＭＣＵ输出信号为高电平时，Ｕ１Ａ输出３０Ｖ，Ｕ１Ｂ输出０Ｖ。这样使得Ｑ５、Ｑ１与Ｑ４导通，Ｑ６、Ｑ３与Ｑ２截止，这时电流从３０Ｖ电源流出，经过Ｑ５、Ｑ１流向总线的ＢＵＳ-１，经过各驱动器模块后，从ＢＵＳ-２流回，最后经过Ｑ４流入地，扣除晶体管的压降，ＢＵＳ-１与ＢＵＳ-２之间的电压为＋２４Ｖ。这样当ＭＣＵ发出信号在０～５Ｖ变化时，引起了总线电压－２４Ｖ、＋２４Ｖ的变化，从而实现总线信号变换。景观照明控制系统采用两线制的总线作为系统传输介质，一旦这两根线发生短路，就会对整个系统产生毁灭性的破坏，甚至引起火灾。因此，在总线收发电路的硬件设计中，考虑到防止总线短路的办法，即总线一旦发生短路，将Ｕ１Ａ和Ｕ１Ｂ的输出置成相同电压，这样总线上就没有电流通过了，大大增强了系统的安全性。图２中Ｒ２和Ｃ１构成了一个低通滤波器，所以当系统控制类模块和驱动类模块瞬间短路时，在采样电阻Ｒ１２上形成的电压不会影响Ｕ２Ａ反相端的输入，从而也不会影响Ｕ２Ａ的输出。正常情况下，稳压管ＺＤ１产生１２Ｖ的电压，通过Ｒ３、Ｒ４的分压，使得Ｕ２Ａ同相端的电压大于反相端的电压，Ｕ２Ａ的输出为３０Ｖ。但是，如果总线发生短路，会在采样电阻Ｒ１２上产生长时间的电压，这就会影响Ｕ２Ａ反相端的输入，从而使得Ｕ２Ａ的输出变为０Ｖ。此时产生两种情况，电流从Ｒ１、ＬＥＤ和Ｄ１流向Ｕ２Ａ的输出引脚，ＬＥＤ会亮起来以提醒用户总线发生了短路；由于电流从Ｒ５、Ｒ６和Ｄ２流向Ｕ２Ａ的输出引脚，１２Ｖ稳压管ＺＤ１不再起稳压的作用，Ｕ１Ａ的同相端和Ｕ１Ｂ的反相端的电压受到影响，通过电阻Ｒ７、Ｒ８和Ｒ９的分压，使得无论ＭＣＵ-ＯＵＴ引脚的电压为何值，Ｕ１Ａ和Ｕ１Ｂ的输出总为相同电压值，这样总线上就没有电流流过了。此时采样电阻Ｒ１２上的电压就几乎为零，这样可使收发电路又恢复了正常工作状态，ＬＥＤ熄灭，如果此时总线还处在短路的状态，收发电路仍然会将总线锁定，ＬＥＤ点亮。如此往复，只要总线处在短路的状态，一方面由于总线锁定的功能，使得总线上没有长时间的大电流流过，达到了系统即使在总线短路的情况下，也能不受损坏的目的；另一方面，ＬＥＤ会时亮时灭，提醒用户总线发生短路了。当总线脱离了短路后，由前面介绍的收发电路工作原理可知，系统能自动恢复到正常工作的状态，即硬件电路有自我保护功能，因此系统有完备的自治性能。

    4 驱动器硬件设计驱动器负责接收主控制器通过总线发来的控制信号，程序对接收到的信号执行相应的动作，通过负载驱动电路，使ＬＥＤ照明灯执行相应的动作。其中包括电源电路、ＭＣＵ及外围电路、负载驱动电路。总线２４ＶＡＣ通过桥式整流、稳压、滤波，提供驱动器所需的５Ｖ直流工作电源。驱动器ＭＣＵ采用ＰＩＣ１６Ｆ６３，驱动器的地址由ＲＢ口外接的八位拨动开关设置（如图３所示）。因此主控制器每条总线可以控制２５６个驱动器，一个主控制器最多可以接八条总线，这样做的目的是为了便于实现较复杂的控制方案。总线上的传输信号经过Ｒ１２、Ｑ２的电平变换后，由ＭＣＵ进行处理，ＭＣＵ的ＲＡ１、ＲＡ２、ＲＡ３为负载输出口，图中的双与门芯片用来实现单路ＰＷＭ到三路的转换，以便实现ＬＥＤ灯的淡入、淡出功能。

     5 ＰＣ管理软件设计景观照明控制ＰＣ机管理软件采用可视化软件ＶＢ编写，实现景观照明的“跑、跳、亮、闪、淡入和淡出”等动作参数设置，并能实现系统的启动、关闭、循环等方式的操作，通过ＲＳ－２３２接口与主控制器进行通信，可以在线实现照明方案的变换和参数的设置，而不需要改变硬件的设置。同时采用运行程式下载的方式，可以避免电脑死机或出问题时系统无法继续运行。其流程图如图４所示。

 6 结束语

   “远远的街灯明了，好像闪着无数的明星；天上的明星现了，好像点着无数的街灯”。现代城市的美丽夜景，体现着城市的文化品位，它需要科学地统筹、精巧地策划和完美设计，以达到人与环境的和谐。采用新型ＬＥＤ光源作为景观照明是必然的趋势，未来的ＬＥＤ必将成为绿色照明的主体，开发针对这一光源的控制系统有着广泛的发展前景。

 参考文献1

     童白诗.《模拟电子技术基础》 北京：高等教育出版社，１９８１2 阎石.《数字电子技术基础》 北京：高等教育出版社，１９８１３ 范逸之.陈立元.《Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ与ＲＳ－２３２串行通信控制》 北京：清华大学出版社，２００２４ 窦振中.汪立森.