基于Cortex-M3核的車間智能照明設(shè)計

摘要：基于建筑照明設(shè)計標準，以觸摸屏為核心，設(shè)計了一整套智能照明方案。該方案包含由LM3S8962處理器組成的模擬調(diào)光器和亮度感應(yīng)器，由LM293比較器組成的繼電器調(diào)光電路，以及變功率電感鎮(zhèn)流器。該方案可實現(xiàn)照度和節(jié)能目標，在車間智能照明控制中有較高的應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞：車間；智能照明；LM3S8962；觸摸屏；模擬調(diào)光器

引言
    智能照明控制系統(tǒng)不僅可以節(jié)能，還能創(chuàng)造舒適的工作環(huán)境、提高工作效率，因此在各工廠車間中的應(yīng)用越來越多。設(shè)計時，除了要滿足《建筑照明設(shè)計標準》(GB50034—2004)規(guī)定的有關(guān)工廠車間的照度要求和照明功率密度要求外，還要考慮操作及功能的人性化和高光效燈具的使用，以便節(jié)能。本文以建湖工廠一車間智能照明工程為例，介紹工業(yè)廠房智能照明的設(shè)計方法和技巧。

1 車間概況及要求
    車間為80 m×75m矩形，東西走向鋼結(jié)構(gòu)廠房，燈具懸高8 m左右。東西兩端為開放式現(xiàn)場辦公室，自帶工位照明。車間以節(jié)能燈裝配，在線老化為主。另有2條燃氣毛管烘烤線，其上方5 m處溫度有55℃(室溫30℃)。原有的方案是使用90盞400 W高壓鈉燈。鈉燈功率因數(shù)只有0．5，其耗電量高達400×90／O．5=72 kW。工位安裝有日光燈照明，故作為輔助照明，查設(shè)計標準可知只需200 lx即可。
    照明要求：從概況可知工廠車間燈具懸掛較高，故燈具要求壽命長、維護少。生產(chǎn)線的特性要求：顯色性好，便于分清顏色；照度分布均勻度合理，眩光??；方便根據(jù)不同日照情況調(diào)節(jié)亮度。
    安全要求：按《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50016—2006)的相關(guān)條文，燈具三線單相供電，可靠接地，線粗至少2．5 mm；2分支線路沿鋼架穿管布線，主線走金屬橋架布線；出口處設(shè)置應(yīng)急燈，單獨走消防線路。

2 車間的照明設(shè)計
    按照《建筑照明設(shè)計標準》(GB50034—2004)的要求逐步細化設(shè)計。
2．1 光源選擇
    市面上電光源種類繁多，光源參數(shù)比較如表1所列。


    選擇標準普遍遵循“三高”原則：高發(fā)光效率，高壽命，高顯色性。金屬鹵化物燈不但符合“三高”標準，而且適合大空間使用。其燈具特性如表2所列。


2．2 布燈方案
    采用250 W金鹵燈，1行10個燈，共9行，每行獨立控制亮度。由于點著的大量節(jié)能燈在老化，實測臺面照度為300 lx。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計
    整個系統(tǒng)以觸摸屏為核心，在觸摸屏上有圖形化人機界面，直觀地控制燈具。系統(tǒng)框圖如圖1所示。每個模擬調(diào)光器有唯一一個32位地址。開機后觸摸屏發(fā)送地址查詢命令，模擬調(diào)光器將自己地址發(fā)送給觸摸屏，觸摸屏存儲地址并分配一個通道號給這個地址，亦可在觸摸屏上手動分配，建立映射關(guān)系。


    RS485和CAN總線都是目前應(yīng)用廣泛的現(xiàn)場總線，兩者比較如表3所列。


    由于工廠車間燈光控制要求可靠性高、后期維護工作少，所以控制系統(tǒng)采用CAN總線。CAN總線是一種多主方式的串行通信總線，具有較高的位速率和抗電磁干擾能力，而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。當信號傳輸距離達到10 km時，CAN總線仍可提供高達5 kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。CAN控制器具有硬件仲裁機制，根據(jù)報文的ID決定其發(fā)送的優(yōu)先權(quán)，不用擔心同時發(fā)送時系統(tǒng)會崩潰。模擬調(diào)光器收到調(diào)光命令后將轉(zhuǎn)換成調(diào)光電壓，燈具根據(jù)收到的電壓值調(diào)節(jié)亮度。
3．1 觸摸屏模塊
    采用8 in屏觸摸屏模塊進行二次開發(fā)，編寫應(yīng)用程序和人機界面。該屏為TFT真彩屏，分辨率為800×600，畫面色彩豐富細膩。開發(fā)工具選擇大眾化的Keil C，上手容易。觸摸屏界面如圖2所示。

3．2 模擬調(diào)光模塊
    核心芯片采用TI公司ARM Cortex-M3內(nèi)核的LM3S8962，最高工作頻率為50 MHz。它具有256KBFlash、64 KB SRAM、6路PWM、4個ADC、CAN控制器、10／100M以太網(wǎng)、UART口、42個I／O口，以及32位的實時時鐘(RTC)、萬年歷功能。
    CAN接口芯片選用TI公司的sn65hvdl050d，速度高達1 Mbps，防錯接電壓-27～40 V不會損毀，瞬間可承受電壓范圍為-200～200 V，為系統(tǒng)的高可靠性提供了保障。
    CAN通信電路如圖3所示。穩(wěn)壓器78L05、AZlll7-3．3和AZlll7-2．5為系統(tǒng)供電。LM3S8962從CAN總線上收到屬于自己的調(diào)光指令后，將亮度值送給相應(yīng)的PWM通道，調(diào)節(jié)占空比，采用二次積分方式轉(zhuǎn)換成電壓值。PWM幅值為3．3 V，積分電壓最大只有3．3 V。模擬調(diào)光電壓范圍為1～10 V。用LM358同相放大3．1倍，可滿足需要。輸出端加三極管13005可提高輸出阻抗和高達2 A的驅(qū)動電流。亮度感應(yīng)器主電路類似，可在LM3S8962的ADO口連接一個MG45光敏電阻來獲取亮度值。


3．3 燈具模塊
    燈具采用電子鎮(zhèn)流器，效率高，相對而言電感型更可靠。表4為在烤箱中模擬環(huán)境下點燈實驗。


    在環(huán)境溫度較高情況下，電子鎮(zhèn)流器內(nèi)部溫度過高，直接影響電解電容壽命，進而影響整機的可靠性。在車間有高溫設(shè)備的情況下，選取電感鎮(zhèn)流器比較耐用。通過改變繞組(即改變電感值的方式)可實現(xiàn)變功率。變功率電感鎮(zhèn)流器結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。電感鎮(zhèn)流器有4個頭，可實現(xiàn)150 W、200 W、250 W三段調(diào)光。


    繼電器切換電路如圖5所示。1～10 V輸入用PC817光耦電器隔離。只需2段調(diào)光，可將10 V分為1～5 V、5．1～10 V兩個區(qū)間。150 W為開機狀態(tài)，調(diào)光電壓通過555內(nèi)部電壓比較器和5 V比較，切換繼電器到250 W。供電用阻容降壓產(chǎn)生12 V輸出。K3021P帶過零檢測切換功能，可減少繼電器切換火花。



4 觸摸屏和調(diào)光器工作流程
4．1 觸摸屏工作流程
    觸摸屏程序設(shè)有總開、總關(guān)、全自動運行、每行燈單獨調(diào)光以及場景模式。全自動模式即按照上班作息表和天氣調(diào)節(jié)亮度。例如，天氣晴朗時，上班期間燈具為200 W，吃飯時間關(guān)燈；天氣不好時，環(huán)境光暗，則上班時間燈調(diào)整至250 W，吃飯時間150 W且只亮一半燈。場景模式按實際情景需要半自動設(shè)定亮度。例如，關(guān)閉日光補償模式，選擇上班模式，則亮度一直最亮；休息模式下，亮度最暗。
    觸摸屏工作流程如圖6所示。


4．2 調(diào)光器工作流程
    調(diào)光器主要完成CAN通信和PWM脈寬調(diào)制工作。調(diào)光器工作流程如圖7所示。初始化后等待主機發(fā)送查詢ID指令，收到后回復ID，主機
依據(jù)ID發(fā)送狀態(tài)查詢命令和調(diào)光命令。程序采用接收完成產(chǎn)生中斷方式處理數(shù)據(jù)。


    CAN信息幀報文的數(shù)據(jù)格式：


    CAN標準信息幀為11個字節(jié)，包括信息部分和數(shù)據(jù)部分。SOF為幀信息(1字節(jié))，其中FF位表示幀格式(標準幀F(xiàn)F=1，擴展幀F(xiàn)F=0)。這里采用標準幀，速率為1200 kbps。PWM程序只需設(shè)置即可。

結(jié)語
    該車間采用本文設(shè)計的電路優(yōu)化后，節(jié)電效果非常明顯。改用250 W金屬鹵化物燈后，通過智能控制系統(tǒng)日光補償和休息節(jié)電，可再度節(jié)電25％?，F(xiàn)耗電量為250×90×75％／O．85≈19853 W(其中，O．85為功率因數(shù))，節(jié)電量為72000—19853≈52147 W。按12小時工作計，一年
(按365天計算)可節(jié)省22．8萬度電。該方案技術(shù)先進，成本適中，可給企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益。