一种基于Cortex-M3核的车间智能照明设计方案

　　摘要   基于建筑照明设计标准，以触摸屏为，设计了一整套智能照明方案。该方案包含由LM3S8962处理器组成的模拟调光器和亮度感应器，由LM293比较器组成的继电器调光电路，以及变功率电感镇流器。该方案可实现照度和节能目标，在车间智能照明控制中有较高的应用价值。

　　引言

智能照明控制系统不仅可以节能，还能创造舒适的工作环境、提高工作效率，因此在各工厂车间中的应用越来越多。设计时，除了要满足《建筑照明设计标准》（GB50034—2004）规定的有关工厂车间的照度要求和照明功率密度要求外，还要考虑操作及功能的人性化和高光效灯具的使用，以便节能。本文以建湖工厂一车间智能照明工程为例，介绍工业厂房智能照明的设计方法和技巧。

　1 车间概况及要求

车间为80 m×75m矩形，东西走向钢结构厂房，灯具悬高8 m左右。东西两端为开放式现场办公室，自带工位照明。车间以节能灯装配，在线老化为主。另有2条燃气毛管烘烤线，其上方5 m处温度有55℃（室温30℃）。原有的方案是使用90盏400 W高压钠灯。钠灯功率因数只有0.5，其耗电量高达400×90／O.5=72 kW。工位安装有日光灯照明，故作为辅助照明，查设计标准可知只需200 lx即可。

照明要求：从概况可知工厂车间灯具悬挂较高，故灯具要求寿命长、维护少。生产线的特性要求：显色性好，便于分清颜色；照度分布均匀度合理，眩光小；方便根据不同日照情况调节亮度。

安全要求：按《建筑设计防火规范》（GB 50016—2006）的相关条文，灯具三线单相供电，可靠接地，线粗至少2.5 mm；2分支线路沿钢架穿管布线，主线走金属桥架布线；出口处设置应急灯，单独走消防线路。

　2 车间的照明设计

按照《建筑照明设计标准》（GB50034—2004）的要求逐步细化设计。

　2.1 光源选择

市面上电光源种类繁多，光源参数比较。

选择标准普遍遵循“三高”原则：高发光效率，高寿命，高显色性。金属卤化物灯不但符合“三高”标准，而且适合大空间使用。

　2.2 布灯方案

采用250 W金卤灯，1行10个灯，共9行，每行独立控制亮度。由于点着的大量节能灯在老化，实测台面照度为300 lx。

3 控制系统设计

整个系统以触摸屏为，在触摸屏上有图形化人机界面，直观地控制灯具。每个模拟调光器有一个32位地址。开机后触摸屏发送地址查询命令，模拟调光器将自己地址发送给触摸屏，触摸屏存储地址并分配一个通道号给这个地址，亦可在触摸屏上手动分配，建立映射关系。

RS485和CAN总线都是目前应用广泛的现场总线。

由于工厂车间灯光控制要求可靠性高、后期维护工作少，所以控制系统采用CAN总线。CAN总线是由研发和生产汽车电子产品着称的德国BOSCH公司开发了的，并终成为国际标准（ISO118?8）。是国际上应用广泛的现场总线之一。 在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。近年来，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境是一种多主方式的串行通信总线，具有较高的位速率和抗电磁干扰能力，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10 km时，CAN总线仍可提供高达5 kbps的数据传输速率。CAN控制器具有硬件仲裁机制，根据报文的ID决定其发送的优先权，不用担心同时发送时系统会崩溃。模拟调光器收到调光命令后将转换成调光电压，灯具根据收到的电压值调节亮度。

　　3.1 触摸屏模块

采用8 in屏触摸屏模块进行二次开发，编写应用程序和人机界面。该屏为TFT真彩屏，分辨率为800×600，画面色彩丰富细腻。开发工具选择大众化的Keil C，上手容易。

　3.2 模拟调光模块

芯片采用TI公司ARM Cortex-M3内核的LM3S8962，LM3S8962微控制器包含了下列特性：

32位RISC性能，内部存储器，256 KB单周期Flash，64 KB单周期访问的SRAM，通用定时器，控制器局域网（CAN），10/100以太网控制器。遵循IEEE 802.3-2002规范，遵循IEEE 1588-2002时间协议（PTP），在100Mbps和10Mbps速率运作下支持全双工和半双工的操作方式，集成10/100Mbps收发器（PHY），自动的MDI/MDI-X交叉校验，可编程MAC地址，节能和断电模式。工作频率为50 MHz。它具有256KBFlash、64 KB SRAM、6路PWM、4个ADC、CAN控制器、10／100M以太网、UART口、42个I／O口，以及32位的实时时钟（RTC）、万年历功能。

CAN接口芯片选用TI公司的sn65hvdl050d，速度高达1 Mbps，防错接电压-27～40 V不会损毁，瞬间可承受电压范围为-200～200 V，为系统的高可靠性提供了保障。

CAN通信电路。稳压器78L05、AZlll7-3.3和AZlll7-2.5为系统供电。LM3S8962从CAN总线上收到属于自己的调光指令后，将亮度值送给相应的PWM通道，调节占空比，采用二次积分方式转换成电压值。PWM幅值为3.3 V，积分电压只有3.3 V。模拟调光电压范围为1～10 V。用LM358同相放大3.1倍，可满足需要。输出端加三极管13005可提高输出阻抗和高达2 A的驱动电流。亮度感应器主电路类似，可在LM3S8962的ADO口连接一个MG45光敏电阻来获取亮度值。

　　3.3 灯具模块

灯具采用电子镇流器，效率高，相对而言电感型更可靠。表4为在烤箱中模拟环境下点灯实验。

在环境温度较高情况下，电子镇流器是镇流器的一种，是指采用电子技术驱动电光源，使之产生所需照明的电子设备。与之对应的是电感式镇流器（或镇流器）。现代日光灯越来越多的使用电子镇流器，轻便小巧，甚至可以将电子镇流器与灯管等集成在一起，同时，电子镇流器通常可以兼具起辉器功能，故此又可省去单独的起辉器。电子镇流器还可以具有更多功能，比如可以通过提高电流频率或者电流波形（如变成方波）改善或消除日光灯的闪烁现象；也可通过电源逆变过程使得日光灯可以使用直流电源，内部温度过高，直接影响电解电容寿命，进而影响整机的可靠性。在车间有高温设备的情况下，选取电感镇流器比较耐用。通过改变绕组（即改变电感值的方式）可实现变功率。变功率电感镇流器结构。电感镇流器有4个头，可实现150 W、200 W、250 W三段调光。

继电器（是一种电子控制器件，它具有控制系统和被控制系统，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用）切换电路1～10 V输入用PC817光耦电器隔离。只需2段调光，可将10 V分为1～5 V、5.1～10 V两个区间。150 W为开机状态，调光电压通过555内部电压比较器和5 V比较，切换继电器到250 W。供电用阻容降压产生12 V输出。K3021P带过零检测切换功能，可减少继电器切换火花。

　　4 触摸屏和调光器工作流程

　4.1 触摸屏工作流程

触摸屏程序设有总开、总关、全自动运行、每行灯单独调光以及场景模式。全自动模式即按照上班作息表和天气调节亮度。例如，天气晴朗时，上班期间灯具为200 W，吃饭时间关灯；天气不好时，环境光暗，则上班时间灯调整至250 W，吃饭时间150 W且只亮一半灯。场景模式按实际情景需要半自动设定亮度。例如，关闭日光补偿模式，选择上班模式，则亮度一直亮；休息模式下，亮度暗。

　4.2 调光器工作流程

调光器是改变照明装置中光源的光通量、调节照度水平的一种电气装置。大容量并构成系统的称为调光装置。它的基本原理是改变输入光源的电流有效值以达到调光的目的，主要完成CAN通信和PWM脉宽调制工作。初始化后等待主机发送查询ID指令，收到后回复ID，主机依据ID发送状态查询命令和调光命令。程序采用接收完成产生中断方式处理数据。

CAN信息帧报文的数据格式：

CAN标准信息帧为11个字节，包括信息部分和数据部分。SOF为帧信息（1字节），其中FF位表示帧格式（标准帧FF=1，扩展帧FF=0）。这里采用标准帧，速率为1200 kbps。PWM（是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术）程序只需设置即可。

　　结束语

该车间采用本文设计的电路优化后，节电效果非常明显。改用250 W金属卤化物灯后，通过智能控制系统日光补偿和休息节电，可再度节电25％。现耗电量为250×90×75％／O.85≈19853 W（其中，O.85为功率因数），节电量为72000—19853≈52147 W。按12小时工作计，一年（按365天计算）可节省22.8万度电。该方案技术先进，成本适中，可给企业带来良好的经济效益和社会效益。如果大家都能做到节能减排，世界的蓝天将更加美丽，污染将远离我们，直接给我们的生活带来质的提高。