LED隧道照明智能控制系统的研究与设计

发布时间：2020-09-12 09:08

　　随着我国公路隧道的通车里程逐年增加,隧道照明耗费了巨大的电力资源。现阶段,国内大部分隧道仍然采用全天候或分时段照明的传统控制方式,而这种方式在车流量较小的夜间或偏远山区存在照明利用率低的现象,造成了能源的严重浪费。近年来,由于LED灯在可控性、节能等方面均优于高压钠灯,人们开始转向基于LED灯智能控制技术的研究。为了实现隧道照明的智能化、节能化,本文对隧道照明的总体功能需求和《公路隧道照明设计细则》(简称《细则》)中的相关典型参数进行分析研究,设计了一套LED隧道照明智能控制系统。本文根据系统总体需求,设计了以主控制器、LED控制器、亮度采集器、中继器、无线通信模块、远程上位机等为主体的研究方案。在方案中,采用多项式拟合和线性内插取值的方法对《细则》中给定的车速、车流量、中间段亮度典型值进行优化,建立一条精细化的动态调光曲线,并通过功率仿真的形式验证了该方法的可行性。结合该优化曲线,系统在软硬件方案中进行了具体的智能控制设计。在硬件方面,设计了主控制器、LED控制器和亮度采集器的关键电路,完成了相关电路板的实物制作。其中,主控制器可将采集的相关数据信息进行运算、处理,实现与LED控制器、远程上位机相互通信;LED控制器负责接收主控制器发送的数据信息,执行相应动作,并定时进行故障检测;亮度采集器用于采集隧道内外的亮度值,将数据发送至主控制器。实验中,以主控制器为核心,结合中继器、无线通信模块,实现了控制、信息采集、调光与远程通信的系统硬件网络搭建。在软件方面,制定了系统下位机通信协议,完成下位机程序设计;应用PostgreSQL数据库管理软件在数据库中建立了dataled和ledaddr两个数据表,用于存储LED灯的工作状态和地址;利用LabVIEW软件设计了隧道照明智能控制系统的人机交互界面,可直接调用数据库中的隧道照明数据,方便监管人员准确、直观地查看LED灯的工作状态,为系统的管理、维护提供了便利。本文对系统各模块进行了功能测试,并利用某隧道原始数据分别对传统人工控制方式、早期智能控制方式和本系统优化后的智能控制方式进行模拟实验。通过与前两种控制方式比较,本文设计的系统可分别节约62.9%和26.5%的能耗,表明本系统达到了“按需照明”、智能调光的目的,可进一步应用到隧道照明工程中。
【学位单位】：东北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U453.7;TP273
【部分图文】：

隧道照明,入口段,亮度,接近段

图 3.2 隧道照明亮度曲线中 P 处为洞口；S 处为接近段起点；A 为适应点；AP 段为适应距离亮度；、为入口段亮度；、、为过渡段亮度；度；、为出口段亮度。.3.1 入口段照明标准口段照明，即为车辆进入隧道内的第一个照明段，目的是为使驾驶由洞外到洞内的亮度变化。根据《细则》规定，入口段照明分 TH明段，采用 K 值的方法计算入口段照明亮度，具体按式（3-3）、（= × （= 0.5 × × （中： —入口段 TH1 的亮度 / ；—入口段 TH2 的亮度 / ； —入口段亮度折减系数，按表 3-1 取值； —洞外亮度 / ，即接近段的起点 S 处。

主控制器,实物

图 4.6 主控制器实物图D 控制器设计器（简称从机）主要由 MCU 控制单元 STC15F2K6DC 开关电源模块、故障检测电路和地址设定电路等控制系统的重要组成，其组成框图如图 4.7 所示。LE器对 LED 灯及开关电源进行故障检测、调制 PW由中继器与主控制器进行数据信息的传递。LED 控行相应动作，并可将采集到的相关信息反馈至主控定时采集电源电压及 LED 灯电流，进行故障判断处理待主控制器轮询后将故障信息反馈至主控制器；与收心跳指令，若超时未接收到，则关闭 LED 灯；控控制器发送来的 PWM 调光指令，继而改变输出占空流，用以满足隧道照明的基本要求。

波形,栅极电压,波形,调光

图 4.10 LED 调光驱动电路述电路设计与分析，测得 VMOS 管栅极电压波形如图 4的频率约为 1KHz，峰值电压约在 11.5V，这是因为电阻VMOS 管的通断未出现任何问题，PWM 波形也较为理想。Q2IRF640U2TLP521VCC5VPWM12P5LEDOUTLEDVCC12VR1520KR131KR12200RR1420RD8

【参考文献】