基于Cortex-M3核的车间智能照明设计

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，光源参数比较如表1所列。


    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。其灯具特性如表2所列。


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。
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3 控制系统设计
    整个系统以触摸屏为核心，在触摸屏上有图形化人机界面，直观地控制灯具。系统框图如图1所示。每个模拟调光器有唯一一个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，两者比较如表3所列。


    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。触摸屏界面如图2所示。
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3．2 模拟调光模块
    核心芯片采用TI公司ARM Cortex-M3内核的LM3S8962，最高工作频率为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通信电路如图3所示。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，积分电压最大只有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框图如图4所示。电感镇流器有4个头，可实现150 W、200 W、250 W三段调光。

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    继电器切换电路如图5所示。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，则亮度一直最亮；休息模式下，亮度最暗。
    触摸屏工作流程如图6所示。


4．2 调光器工作流程
    调光器主要完成CAN通信和PWM脉宽调制工作。调光器工作流程如图7所示。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程序只需设置即可。

结语
    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。