基于ZigBee網(wǎng)絡(luò )的LED調光燈具的設計

摘要：為了滿(mǎn)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調光燈具的設計方案，并完成相關(guān)電路的設計。該LED燈具主要包括前級電路、LED驅動(dòng)電路、ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊以及PWM產(chǎn)生模塊，能夠穩定地滿(mǎn)足系統對于LED燈具的調光要求，達到了設計要求。

隧道建設對于我國改善道路交通現狀，實(shí)現經(jīng)濟建設的平穩快速發(fā)展具有重要意義。隧道智能照明控制系統作為隧道建設的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節，也日益受到更多的關(guān)注。在隧道智能照明控制系統中，隧道的照明強度能夠根據洞外亮度、車(chē)流量以及車(chē)速進(jìn)行實(shí)時(shí)調節，這就要求隧道照明的燈具具有良好的調光性能，能夠接收到中控機發(fā)出的調光指令，實(shí)現光照強度的平穩調節。

LED燈具與傳統的熒光燈、高壓鈉燈等不同，其亮度能夠在0～100%之間自由平滑的調節，并不影響其使用壽命，而且調節控制方法簡(jiǎn)單有效。再加上LED燈具本來(lái)在節能方面的巨大優(yōu)勢，使得LED燈具在現代隧道照明當中應用的越來(lái)越廣泛。但現在在隧道照明當中應用的LED燈具的布置和控制方式往往還按照以往對于高壓鈉燈的布置和控制方式來(lái)進(jìn)行，根本發(fā)揮不出LED本身所存在的優(yōu)勢，所以設計一款高效、節能、易于控制的LED燈具就顯得很重要。

本文根據隧道智能照明控制系統對于燈具的要求，設計了一款基于ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，可以利用PWM技術(shù)進(jìn)行無(wú)級調光的LED燈具。

1 總體設計

根據設計要求，我們可以得到如圖1所示的LED燈具的電路結構圖。220 V市電先經(jīng)過(guò)EMI濾波電路后經(jīng)過(guò)整流電路變?yōu)橹绷麟?，然后?jīng)過(guò)功率校正電路來(lái)提高電源的功率因數，防止對電網(wǎng)造成諧波干擾。燈具模塊中具有的無(wú)線(xiàn)通信ZigBee模塊可以將所有LED燈具組成一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，每一個(gè)LED燈具都可以接受到主控制器發(fā)送的調光控制指令，經(jīng)過(guò)PWM模塊施加到LED的驅動(dòng)電路上，來(lái)平滑地改變LED燈具的亮度，實(shí)現調光控制。

2 系統硬件設計

2.1 前級電路

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

濾波電路中電阻起到過(guò)壓保護的作用，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換成直流電，同時(shí)通過(guò)C3進(jìn)行高頻噪聲的濾波。功率因數校正電路以L(fǎng)6561控制器為核心，整流電路輸出電壓經(jīng)過(guò)R9、R10分壓器采樣，通過(guò)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，從而將功率因數提高到接近于1。同時(shí)，該電路還起到了高功率因數的開(kāi)關(guān)電源的作用。

2.2 LED驅動(dòng)電路

LED的驅動(dòng)控制模塊采用的是TI公司開(kāi)發(fā)的LM3407芯片，它是集成了N溝道功率MOS場(chǎng)效應管的脈沖寬度調制的浮動(dòng)式降壓轉換器，可以直接控制平均負載電流，專(zhuān)門(mén)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中LED燈具的驅動(dòng)電路使用。本文設計了基于LM3407的一個(gè)LED驅動(dòng)電路的實(shí)例，它能夠提供350 mA的恒定電流來(lái)驅動(dòng)6個(gè)串聯(lián)的LED燈組?；贚M3407的LED驅動(dòng)電路如圖3所示。

在此電路中可以通過(guò)調整電阻RISNS1和RISNS2來(lái)調整該驅動(dòng)電路的輸出電流，默認情況下兩個(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(kāi)關(guān)頻率的調節是通過(guò)設定電阻RFS的阻值來(lái)實(shí)現的，可以靈活的將驅動(dòng)電路的開(kāi)關(guān)頻率設定在300 kHz到1 MHz之間。為了獲得較為恒定的電流輸出，LM3407需要工作在連續傳導模式下。為此，我們應該使得電感器的紋波電流的幅值能夠盡可能的小。在此應用下，電感器的默認值是33μH。

在一般情況下，我們可以將脈沖信號施加到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，達到對LED陣列調光的目的。

2.3 ZigBee模塊

無(wú)線(xiàn)通信模塊采用的是基于ZigBee技術(shù)的CC2430芯片，它是真正的系統芯片CMOS解決方案。該解決方案能夠滿(mǎn)足以ZigBee為基礎的2.4 GHz ISM波段應用，同時(shí)滿(mǎn)足低成本、低功耗的要求。通過(guò)添加ZigBee模塊，使得LED燈具具有無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)功能，能夠將LED燈具作為終端節點(diǎn)接入整個(gè)隧道照明控制系統當中。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )不但能夠將LED燈具的電流、電壓等信息實(shí)時(shí)地傳遞給后臺服務(wù)器，同時(shí)能夠根據隧道運行參數動(dòng)態(tài)地向LED燈具發(fā)出相應的調光指令，調節隧道照明亮度。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，輸出驅動(dòng)為推拉輸出形式，增加了驅動(dòng)能力。內部的欠壓鎖定電路、軟啟動(dòng)控制電路、PWM鎖存器具有過(guò)流保護功能，頻率可調，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 結束語(yǔ)

文中設計了一款基于ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，能夠進(jìn)行PWM調光的LED燈具，通過(guò)對燈具每個(gè)模塊的具體分析與設計，使得該款LED燈具能滿(mǎn)足隧道智能照明控制系統的要求，能夠廣泛地應用于隧道智能照明控制系統中，具有較高的市場(chǎng)利用價(jià)值。