智能LED照明控制系统的设计与应用.pdf

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1、蟹篚坠星墅题明控剑丕统煎遮进皇应用论文作者签名：雏型指导教师签名：主兰论文评阅人1：时拉陛评阅人2：敬磕致评阅人3：盔金邀评阅人4 评阅人5：答辩委员会主席：王盔牮委员1：墓兰委员2：塞血盏委员3：遮整委员4：叠龆委员5：答辩日期：丝!玉玺图呈旦r浙江大学硕士学位论文浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得滥婆盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学

2、位论文作者签名：秀P 也盱签字日期：为工年乡月7日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解迸鎏太堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权滥婆盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：郭d 时签字日期：如J 五年多月7 日导师虢钦丫签字日期2 0 萨弓月日浙江大学硕士学位论文致谢首先感谢尊敬的导师吴兰教授，本文是在她的精心指导下完成的。师恩难忘，在攻读硕士的这三年里，吴老师不仅为我创造了优越的科研和学习环境，使我学

3、习了光电领域的专业知识，同时在思想上、人生态度和意志品质方面给予了谆谆教诲，这些教益必将激励着我在今后的人生道路上奋勇向前。衷心感谢杭州科技职业技术学院的蒋水秀老师，本课题从始至终都得到了蒋老师的指导与支持。感谢浙江金基电子的顾汉霆总经理，是顾总给我了这样一个机会让我参与到工作实践中去。感谢张冬仙老师在我研究生期间给予的帮助。在本文完结之际我要对他们表示衷心的感谢，他们不但教会了许多科研方面的知识，更让我领会到了他们渊博的学识、严谨的治学态度、平易近人的工作作风以及坦荡的为人处世，这些都是我一生中最宝贵的财富。感谢我的同窗好友张乐、马海敏、能芬、李贤以及实验室的各位师弟师妹，是你们帮助我成长，

4、这三年使我人生中极其重要的一页，谢谢有你们的参与。衷心感谢我的父母的关心、支持核理解，感恩之情难以用语言量度，谨以最朴实的话致以最崇高的敬意。最后要感谢所有帮助过我的老师和同学们，并衷心感谢为评阅本文而付出宝贵时间和辛勤劳动的专家和老师们12 0 1 1 年1 2 月2 8 日于求是园I I浙江大学硕士学位论文摘要高速公路隧道属于特殊路段，隧道内外环境差别较大，因此需要在隧道内部设置照明，消除司机视觉问题，保证隧道行车安全。目前大多数隧道照明控制系统设计简单，无法根据洞外亮度实时调节隧道洞内照明亮度，不仅给行车安全带来隐患，而且存在大量的电能浪费。本文介绍了当前隧道照明控制系统及照明光源的发展

5、状况，针对当前隧道照明控制系统存在的问题。设计了智能照明控制系统。本系统充分利用电子技术和通信技术，实现对隧道照明灯具的有效控制与管理。本文分析比较了当前各种隧道照明光源的特点，确定选择L E D 作为隧道照明灯具，并根据车流j I =和洞外亮度的变化对L E D 隧道灯进行无级控制，使隧道内各区段照度平滑过渡，以符合人眼的适应曲线，并利用总线通信机制实现隧道数据的传递。本系统主要包括上位机监控中心、检测设备、中心控制器、节点控制器和L E D 驱动电源。系统通过检测设备采集数据，然后传递给上位机监控中心，上位机进行数据处理之后，向中心控制器发送命令，中心控制器以广播形式向节点控制器发送命令，

6、通过调节L E D 驱动电源的输入电压控制L E D 灯的亮度。中心控制器与节点控制器采用C A N 总线通信，中心控制器与上位机采用串口通信。本文制定了中心控制器、节点控制器与上位机之间的通信协议，并对中心控制器和节点控制器进行了硬件电路设计，主要包括微处理器的选型、通信模块设计、D A 转换电路设计、液晶显示设计、数据存储模块设计、放大电路设计，并给出了部分电路的详细原理图。本系统采用“C O S I I 操作系统对中心控制器进行嵌入式软件设计，分析了“C O S I I 的工作原理和移植方法，介绍了软件的整体结构和设计流程，完成了各个模块的函数设计和系统任务划分。最后总结了本文的主要内容

7、，并分析系统中的不足提出改进方法。关键词：隧道照明，L E D，智能控制，嵌入式系统I I I浙江大学硕士学位论文A b s t r a c tH i g h w a yt u n n e li sas p e c i a ls e c t i o n，a n dt h e r ei sS Om u c he n v i r o n m e n td i f f e r e n c eb e t w e e ni n t e r n a la n de x t e r n a lt u n n e l，t h e r e f o r et h ei l l u m i n a t i o ni

8、 sn e e d e dt os e tt Or e m o v et h ev i s u a lp r o b l e m so fd r i v e r s，a n de n s u r et h et u n n e ls a f e t y A tp r e s e n tm o s to ft h et u n n e li l l u m i n a t i o ns y s t e m sa r ed e s i g n e ds i m p l y,w h i c hc a n tr e a c ht h er e a l t i m ea d j u s t m e n

9、to ft h ei n t e r n a lb r i g h t n e s sa c c o r d i n gt ot h eo u t s i d el u m i n a n c e I td o e s n to n l yb r i n gh i d d e nt r o u b l et od r i v i n gs a f e t y,b u ta l s oc a u s eal a r g ea m o u n to fe l e c t r i ce n e r g yw a s t e T h ed e v e l o p m e n ti si n t r o

10、 d u c e da b o u tt h ec u r r e n tt u n n e li l l u m i n a t i o na n dl i g h t i n gl a m p s，a n da i m i n gt h ee x i s t i n gp r o b l e m so ft u n n e ll i g h t i n gc o n t r o ls y s t e m，w ed e s i g nt h ei n t e l l i g e n ti l l u m i n a t i o nc o n t r o ls y s t e m T h es

11、 y s t e mm a k e sf u l lU S eo fe l e c t r i ct e c h n o l o g yc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt oc o n t r o la n dm a n a g et h ei l l u m i n a t i o nl a m p se f f e c t i v e l y W ea n a l y z ec h a r a c t e r i s t i c so fa l lk i n d so ft u n n e ll i g h t i n gs o u

12、r c et od e t e r m i n et h eL E Da sl i g h t i n gl a m p A n dt h e na c c o r d i n gt h ec h a n g e so ft h et r a f f i ca n do u t s i d eb r i g h t n e s s，t h es t e p l e s sc o n t r o lo fL E Dt u n n e ll a m p si sa c h i e v e dt os m o o t hb r i g h t n e s so fe a c hs e c t i o

13、 nt of i tt h ec u r v eo fh u m a ne y e s，a n dt h e nt h ed a t at r a n s m i s s i o ni sr e a l i z e du s i n gb u sc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m T h es y s t e mm a i n l yi n c l u d e sc o m p u t e rm o n i t o r i n gc e n t e r,t e s t i n ge q u i p m e n t，c e n t r a lc

14、o n t r o l l e r,n o d ec o n t r o l l e ra n dL E Dd r i v i n gp o w e r T h ed a t ai sc o l l e c t e db yt e s t i n ge q u i p m e n ta n dt h e ni sp a s s e dt Om o n i t o rc e n t e r,w h i c hp r o c e s s e st h ed a t aa n ds e n dc o m m a n d st oc e n t r a lc o n t r o l l e r C e

15、 n t r a lc o n t r o l l e rb r o a d c a s t sc o m m a n d st On o d ec o n t r o l l e r sa n dc o n t r o l st h eL E Db r i g h t n e s sb ya d j u s t i n gt h ei n p u tv o l t a g eo fL E Dd r i v i n gp o w e r T h ec e n t r a lc o n t r o l l e rc o m m u n i c a t e sw i t hn o d ec o n

16、 t r o l l e r sb yC A Nb u s，a n dc o m m u n i c a t e sw i t hh o s tc o m p u t e rb ys e r i a lp o r t T h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa r ed e v e l o p e da m o n gt h ec e n t r a lc o n t r o l l e r,t h en o d ec o n t r o l l e ra n dh o s tc o m p u t e r,a n dt h eh a r

17、d w a r ec i r c u i t sa r ed e s i g n e d，w h i c hi n c l u d et h es e l e c t i o no fm i c r o p r o c e s s o r,c o m m u n i c a t i o nm o d u l ed e s i g n，D Ac o n v e r s a t i o nc i r c u i td e s i g n，L C Dd i s p l a yd e s i g n，d a t as t o r a g em o d u l ed e s i g n，e n l a

18、r g eI V浙江大学硕士学位论文c i r c u i td e s i g n，a n ds h o ws o m ed e t a i l e dc i r c u i ts c h e m a t i cd i a g r a m T h es y s t e ma d o p t e d“C O S-I Io p e r a t i n gs y s t e mo nt h ec e n t r a lc o n t r o l l e rf o re m b e d d e ds o f t w a r ed e s i g n，a n da n a l y z e dt h e

19、w o r k i n gp r i n c i p l ea n dt r a n s p l a n t a t i o nm e t h o do f“C O S I I，a n di n t r o d u c e dt h eo v e r a l ls t r u c t u r ea n dd e s i g np r o c e s so fs o f t w a r e，c o m p l e t e df u n c t i o nd e s i g no f e a c hm o d u l ea n ds y s t e mt a s kp a r t i t i o

20、n i n g F i n a l l y,t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri ss u m m a r i z e d，a n da n a l y z et h es y s t e md e f i c i e n c i e sa n dp u tf o r w a r dt h ei m p r o v e m e n tm e t h o d s K e y w o r d s：t u n n e li l l u m i n a t i o n，L E D，i n t e l l i g e n tc o n t r o l

21、，e m b e d d e ds y s t e mV浙江大学硕士学位论文目录浙江大学研究生学位论文独创性声明I致谢I I摘要。I I IA b s t r a c t 1 1 v r1 绪 仑。11 1 选题背景11 2 课题研究意义21 3 隧道照明控制系统的发展现状21 4L E D 隧道照明灯具的发展：41 5 课题研究内容71 6 本章小结82 智能L E D 照明控制系统总体设计92 1 公路隧道照明设计要求。92 1 1 隧道照明的特殊性92 1 2 隧道照明的设计规范1 02 2 隧道照明总体方案设计o 1 22 2 1 隧道照明调光模式1 22 2 2 控制信号传输方式1

22、32 3 智能L E D 照明控制系统结构162 3 1 智能L E D 照明控制系统设计分析1 62 3 2 智能L E D 照明控制系统结构设计1 72 4 本章小结193 智能L E D 照明控制系统设计2 03 1A R M 简介2 03 1 1A R M 微处理器系列2 03 1 2A R M 微处理器的结构2 23 1 3A R M 微处理器的应用选型2 43 2 隧道照明中心控制器硬件设计2 5V T浙江大学硕士学位论文3 2 1 核心电路设计。2 63 2 2J T A G 电路设计2 93 2 3 外围电路设计3 03 3 隧道照明节点控制器硬件设计3 53 4 隧道照明通信

23、协议制定3 93 4 1 串口通信协议3 93 4 2C A N 通信协议4 l3 5 本章小结4 34 隧道照明中心控制器嵌入式软件实现4 44 1M D K 简介4 44 2 软件系统设计分析4 44 3 嵌入式操作系统l a C O S I I 简介4 54 4g C O S I I 在S T M 3 2 F 1 0 3 V B T 6 上的移植4 64 4 1g C O S I I 移植条件4 64 4 2g C O S I I 在S T M 3 2 F 10 3 V B T 6 上的移植。4 74 4 3 接口函数4 94 4 4 基于g C O S I I 的嵌入式软件设计5 24

24、 5 本章小结5 55 总结与展望5 65 1 课题总结5 65 2 进一步研究展望5 6参考文献5 8硕士期间取得成果6 1V 浙江大学硕士学位论文1 1 选题背景1 绪论在我国山地、丘陵和高原面积约占国土总面积的6 9，这使得公路建设非常缓慢。改革开放以来，随着国民经济的快速发展，公路交通事业日益扩大，技术不断提高，但是隧道照明带来的能源消耗也不断提高。公路隧道照明与一般道路照明要求不同，它需要全天2 4 i x 时开灯，而且现有隧道照明方案普遍存在洞内亮度偏高等问题。对于一条中等长度隧道来说，照明耗电量每天可达约7 2 0 k w h，它带来的运营开支占了隧道运营开支的很大比例【1 1。

25、因此对于隧道照明来说，节能是个重要的主题。公路隧道照明的目的在于保证车辆安全、舒适的通过隧道，它是隧道工程的重要组成部分。它的基本要求就是隧道内的亮度能够根据外界条件的变化而调整，使其符合人眼的适应曲线【2 1。这也就是说，隧道照明的质量好坏直接关系着驾驶员是否能很好的看清隧道内部环境。目前隧道照明中主要使用灯具是高压钠灯，但高压钠灯在显色性、视觉敏感特性等方面存在着不足【3 1。L E D 灯作为一种新型的照明光源，具有良好的亮度连续可调性，并且已经在隧道照明中有所应用。目前大多数L E D 隧道照明所采用的控制方式为分级控制，它是利用灯具不同回路的排列组合对隧道照明进行控制，使其产生所需光

26、强分布的亮度。该控制方式虽然控制程序和线路设计简单，维修保养容易，但是洞内亮度连续性不好，而且灯具均以最大亮度工作，影响使用寿命；而且这种控制方式很少有考虑与隧道照明亮度有关的洞外亮度、洞内车速和车流量等因素，更没有将L E D 灯亮度易调节的优势发挥出来【4 1。因此将L E D 灯作为公路隧道照明灯具。需要寻求一种合理、有效、智能、节能的控制方式，使其实现隧道内各照明区间的亮度平滑过渡，从而既满足隧道的照明亮度要求，又能保证车辆的安全行驶，还能解决隧道照明开支过大的问题，从而达到节省能源的目的。这成为摆在我们面前亟待解决的问题。本课题来源于浙江金基电子技术有限公司的L E D 隧道照明智能

27、控制系统项目，根据公路隧道现浙江大学硕士学位论文场车辆和环境亮度等信息自动控制照明开关及亮度，达到节约电能和提高用电效率的作用，有利于高速公路实现节能减排战略目标。1 2 课题研究意义公路隧道作为高等级公路的特殊路段，具有隧道洞内外亮度相差大，空气污染严重和噪声高等特点，加上近几年车辆迅速增加，使隧道的优越性大大减弱，交通问题显得十分突出。隧道通行能力和交通安全性能客观上比其他路段差，事故发生率、交通能耗及对环境的污染也成倍增加【5 1。这种情况下要保证来往车辆的J i l 页f O 通行，避免交通事故的发生，隧道照明系统显得尤为重要。白天，当车辆在驶入隧道时，会出现“黑洞效应”，在驶出隧道时

28、情况则刚好相反，会出现“白洞效应”；夜晚，同样需要清楚地看到前方路况1 6 。因此需要在隧道内设置照明，以消除司机的“暗适应”与“明适应”视觉问题，保证隧道通行车安全。近年来国内外高等级隧道交通事故时有发生，造成重大的生命财产损失，这足以引起高度重视。据数据统计，隧道洞口交通事故主要是追尾，而隧道洞口亮度变化不当是产生交通事故的主要影响因素啊。因此，隧道照明系统设计的首要任务就是要帮助驾驶员较快的适应隧道内外的光强变化，从而保证其安全顺利的通过隧道。因此，对于隧道的照明系统设计，不仅仅要考虑照明的灯具的安装设计，更要考虑到照明的控制系统，使其既能符合人眼的视觉要求，又能在各种环境下适时适当的调

29、整灯具的亮度。最大程度的节省资源。随着我国经济快速发展，全国能源供需矛盾凸显紧张，特别是前两年全国性的拉闸限电现象，已经严重影响不断电行业的正常生产，这种情况下，更凸显节能技术的经济效益和社会效益【8 1。2 4 d 时全天候的隧道照明，在整个照明用电占有相当大的比例，而且照明系统运营和维护费用相当高，因此节能空间非常大。1 3 隧道照明控制系统的发展现状目前公路隧道照明控制方式主要一下几种：人工手动控制，分时段时序控制、分级控制方式和自动连续控制方式f 9 1。2浙江大学硕士学位论文人工手动控制方式，即设计一个照明灯具控制间，根据天气和时间的不同，由人工手动控制灯具的开关。该照明控制方式不仅

30、控制精度不高，而且大大增加了运营成本。特别是在较偏远的地方，建造控制间比较困难，全天候值守更加不可能，为保证照明要求就需要全天2 4 J ,时开启灯具照明，造成了很大的资源浪费。同时由于不能对隧道内照明亮度进行合理调节，存在很大的安全隐患。现在，这种控制方式已经较少使用，主要用于隧道照明要求简单、长度较短的隧道中【l o l。分时段时序控制是根据隧道所处位置及日出日落时间进行隧道照明的时序控制，可根据时间段的不同自动控制灯具的开关。这种控制方式相对人工控制有了很大的改进，但由于未能考虑天气变化的因素，所以还是存在过渡照明，造成资源浪费，同时在极端天气出现时还会造成事故隐患。现在，此控制方式主要

31、应用于中短隧道中 1 l】。分级控制方式将隧道照明系统分为基础照明和加强照明。基础照明全天候开启，加强照明则根据隧道外的光强检测传感器所测得的光照强度实时调整。该控制方式能够根据洞外光强对洞内照明进行调节，在很大程度上满足了节约能源和行车安全的双重要求，在当今的隧道照明系统中得到了广泛的应用。但是该控制方式是逐级关闭或开启加强照明，必然会在关闭和开启灯具的瞬间造成闪烁和眩光，这些瞬间变化会给驾驶员造成视觉上的不适应【1 2】。但由于对灯具连续调光的技术仍不完善，这种控制方式依然处于隧道照明控制系统的主流地位。自动连续调光控制方式是在分级控制的基础上发展起来的，它可以根据隧道外光照强度的实际水平

32、来对隧道内灯具进行连续的调光，使隧道内亮度适应隧道外的亮度变化【l3 1。这样就可以避免关闭和开启加强照明的瞬间所产生的闪烁和眩光现象。很好地解决了节能性和安全性这一矛盾。目前这种技术应用还不是很广泛，主要是因为能够实现连续调光的灯具并不多而且价格昂贵，因此这种技术现在还只应用于比较高等级的隧道中。但这种控制方式是未来隧道照明控制系统的趋势，它能够更好的协调安全性与节能性这两个隧道照明的重要指标，相信该控制方式会随着技术的不断成熟和灯具的成本下调，越来越多的应用于普通隧道中。浙江大学硕士学位论文1 4L E D 隧道照明灯具的发展我国隧道照明灯具研制起步晚，基础较差，特别是对隧道灯具的规范和特

33、性研究更是落后。制造出来的隧道灯具与国外的隧道灯有一定差距。隧道照明的光源应满足隧道特定环境下的光效、光通量、光色、寿命和显色性等要求，同时还要能保证在隧道内有良好的能见度【1 4】。公路隧道一旦投入使用，照明系统几乎处于长期点亮状态，因此选择一种合适的光源，是隧道照明的重要环节。隧道灯具的发展方向是高效节能，灯具类型主要有白炽灯，荧光灯，高压汞灯，低压钠灯和高压钠灯。低压钠灯虽然光效高于其他光源，但它的显色性较差，而且使用寿命短；高压汞灯光效不高，而且吸引蚊虫，无法调光。高压钠灯穿透性强，光效高，但显色性不高【1 5】。欧美等发达国家很早就十分重视隧道照明灯具的系统研究，大都具有先进的研究中

34、心和实验设备，并广泛采用计算机辅助设计(C A D)和计算机辅助制造技术(C A M)，对灯具的产品结构、外壳质量、反射器材料、密封材料、产品外观、光学特性以及灯具配光与隧道的匹配度进行了深入的研究，还对隧道灯具的零部件的模具、工装、设备投入了大量的人力和资金，从而使生产出的隧道灯具不仅极大地提高隧道照明质量，保证了行车安全和舒适性，而且造型美观，重量轻，光效高，互换性好。据统计，国外发达工业国家隧道通风照明费用约占隧道工程总建设费用的10 左右，最高可达2 0。1 9 6 0 年，第一个商用L E D 出现。L E D 是英文L i g h tE m i t t i n gD i o d e

35、(发光二极管)的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以L E D 的抗震性能好。L E D 结构图如图1 1 所示。4浙江大学硕士学位论文图1 1 发光二极管构造图图发光二极管的核心部分是由P 型半导体和N 型半导体组成的晶片在P 型半导体和N 型半导体之间由一个过渡层，成为P N 结。在某些半导体材料的P N 结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。P N 结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫做发光二极

36、管，通称L E D。当它处于正向工作状态时(即两端加正向电压)，电流从L E D G E 极流向阴极，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。L E D 产业自9 0 年代以来在全球范围内高速发展，美国、日本、欧盟、韩国、中国等国家，纷纷把L E D 作为“照亮未来的技术。，陆续启动固态照明计划。对全球L E D 商家而言，目前最大的商机就是各国节能政策下禁用白炽灯的替换潮。从2 0 0 9 年起，欧盟国家已经开始禁用白炽灯。随着人们对全球变暖意识的不断提升和L E D 技术的不断成熟和价格下滑，L E D 已经成为照明业界的新宠。如果使用L E D 灯替换白炽灯，则可

37、以实现C 0 2 减排9 0，这是最简单且有效的节能减排技术。随着L E D 发光效率的不断提高，2 0 1 0 年美国C r e e 公司的白光L E D 实验室光效已达到2 0 8 l m W，这是目前的最高水平。欧司朗、L u m i l e d s、日亚公司的白光L E D光效都已经突破1 4 0 l m w，商业j I I 产产品光效也都在1 0 0 1 m W 以上，L E D 的光效已经是白炽灯的5 倍以上。成本高是L E D 推广应用的障碍，产生1 0 0 0 1 m 光通量，白炽灯的成本不到l 美元，荧光灯的成本小于2 美元，而L E D 光源使用十颗大功率L E D 的成本

38、超过了2 05浙江大学硕士学位论文美元。2 0 0 9 年7 月前L E D 灯具的市场价格每个不到l 万日元(约7 4 8 元)，随后夏普、东芝照明、欧司朗等大型照明厂商都随之推出了4 0 0 0 日元价位的L E D 灯具(约3 0 0 元)。2 0 0 9 年1 2 月日本O r i o nE l e c t r i c 与D o s h i s h a 共同开发的“L u m i n o u s。系列。功耗为6 6 W，总光通量为4 2 0 1 m，相当于6 0 W 白炽灯的产品售价2 4 8 0 日元，大幅实现了低价格化【1 6】。国际上L E D 技术正在向大功率、高亮度、高效率、

39、低成本方向发展。通过“十五”国家半导体照明工程攻关项目和“十一五”8 6 3 半导体照明公司重大项目的实施，我国半导体照明技术和产业水平明显提升，技术进步步伐逐渐加快，缩短了与发达国家的距离。我国L E D 隧道灯应用已经经历了萌芽阶段(2 0 0 4 年2 0 0 5 年)、成长夹断(2 0 0 6年2 0 0 7 年)、快速发展阶段(2 0 0 8 2 0 1 0 年)，并处在市场纵深化发展和整合阶段(2 0 11 年2 0 1 3 年)。从2 0 0 2 年L E D 的光效仅为2 0 1 m w，到2 0 0 9 年白光L E D 光效已达10 0 1 m w，这一指标已经超过荧光灯和

40、H I D 灯，照明节能成效更加高，为专业照明行业的发展提供了良好的环境【】。目前市场上的白光L E D 多为国内厂家进口芯片和荧光粉等自主封装生产的。随着L E D 技术的日趋成熟和成本下降L E D照明的推广和普及毫无疑问将会带来巨大的节能效益。奥运会上“水立方”的L E D景观照明系统，世博会也大量采用L E D 灯具照明，这都说明L E D 照明具有其独特的优势，也预示着L E D 势必在照明行业得到越来越多的重视。随着我国大力推崇节能减排、绿色照明等新技术、新产品的创新应用，大功率L E D 作为第三代照明革命产业本身的技术，其创新应用得到飞速发展，其固有的特性更优于其他传统光源。大

41、功率白光隧道L E D 灯是近几年研制投产的新型照明灯具，与传统的灯具相比，具有低压、低功耗、高可靠性、长寿命等优点，是一种符合环保、节能的绿色照明光源f 1 8】。白光L E D 应用于隧道照明，除满足隧道对灯具光效、光通量、寿命及工作特性、光色、显色性和配光控制难易程度等主要要求外，还能节约运行和维护成本，实现稳定经济运营。L E D 用于隧道照明领域具有如下特殊优势：1 显色指数高。L E D 照明显色指数可达8 5，近似于自然光，给人的视觉效果形象逼真。也就是说，驾驶员在这种照明状态下能够清楚地分辨不同颜色和形状的物体，对运动着的物体也能良好的辨认，因此它很适合于隧道照明。6浙江大学硕

42、士学位论文2 工作电压范围宽。L E D 灯的电源驱动电路大多为恒流驱动电路，其能耗几乎不随电源电压的抖动而产生较大变化其工作电压范围可达至t J A C 2 2 0 士2 0。而传统光源夜间能耗越来越大，因为隧道夜间电网电压波动性比较大。3 亮度可调。由于L E D 光源工作电流大小是可控的，所以用L E D 做成的灯具亮度也是可控的。不论是灯具由于控制需要进行频繁的开、关，还是通过照明控制系统来调节电源输出电流的大小以达到亮度调节的目的，只要电流维持在额定电流的范围内，都不会影g i l L E D 的使用寿命。4 L E D 灯具功率大小可任意设置。一般一个L E D 隧道灯具是由一连串

43、的卜3 W的L E D 串联组合而成。可以根据隧道各照明区段的不同亮度要求，组合不同功率的的L E D 灯具。这样可使洞内照度刚好达到规范要求，也可以避免由于功率不匹配而产生的过度照明。5 L E D 具有单向辐射特性，无眩光。L E D 隧道照明灯具所发出的大部分光能无须经过反射就可直接到达被照物体表面，从而使光能得到最大限度地利用，提高了灯具效率。6 L E D 的寿命超长，绿色环保。目前好的L E D 品牌，其寿命(即平均无故障工作时间)可达5 万小时以上。L E D 灯的寿命概念与其他光源不同，一般是指当亮度衰减到初始亮度的7 0(有的公司为5 0)时的时间，否则其寿命长得难以计算，这

44、也是L E D 灯具维护系数取0 8 5 的原因。而且L E D 废弃后，几乎没有什么污染，其废弃物几乎可以全部回收利用，不仅节约资源，还能保护环境。7 功耗低。L E D 功耗低，即使用L E D 隧道灯简单地替代高压钠灯，也可实现5 0 以上的节能目标，若再加上亮度智能可调，可达至J J 7 0 以上的节能目标f 1 9 1。1 5 课题研究内容基于上文分析，本课题主要对L E D 隧道灯智能节能控制系统进行研究和设计，具体研究内容如下：l、介绍隧道照明的特点，隧道各区段亮度及长度的计算方法，并对隧道照明控制方法进行讨论。7浙江大学硕士学位论文2、对隧道照明系统进行需求分析，确定系统整体设

45、计方案，及各部分的通信机制和通信协议。3、设计L E D 隧道灯节点控制器，使其能够控制L E D 驱动电源的输入电压在1 1 0 V 之间变化，从而控制L E D 灯在最亮与最暗之间变化。4、设计控制系统中心控制器。使其能够与上位机监控软件及L E D 隧道灯节点控制器通信。它不仅可以协助上位机进行隧道内亮度调节，并且可以由人工独立控制。5、根据隧道实际情况，确定中心控制器软件设计要求，进行系统软件架构，在中心控制器硬件平台上进行操作系统移植，进行多任务运行测试，使软件能够稳定、高效的运行。1 6 本章小结本章首先指出了课题选题背景与意义，并介绍了隧道照明控制系统的发展现状以及L E D 隧

46、道灯具的发展，最后针对课题实际情况及隧道照明发展趋势，提出本课题需要研究和解决的问题。8浙江大学硕士学位论文2 智能L E D 照明控制系统总体设计2 1 公路隧道照明设计要求由于隧道洞内与洞外环境差别较大以及人眼对光的适应性行车进出隧道时会引起人眼不适。而且由于汽车尾气及其他原因引起的洞内烟雾也会影响行车视距，因此隧道照明与普通道路照明差别较大【2 0】。国外对隧道照明的研究起步较早，照明设计规范已比较成熟。国内主要依据公路隧道通风照明设计规范(J T J 0 2 6 1 1 9 9 9)来设计隧道照明控制系统。其中详细说明了照明系统的构成、隧道各照明段的长度、亮度以及均匀度，除此以外还规定

47、了调光分级和布灯规范。2 1 1 隧道照明的特殊性隧道照明不同于一般道路照明，有其明显的特殊性，需要考虑人眼对光的适应特性。适应有明适应、暗适应两种。从暗处进入明亮环境时，视力的适应称为明适应；从明亮的环境进入暗处时，视力的适应称为暗适应。明适应所需时间短，暗适应所需时间较长【2 1 1。在设计隧道照明时，要考虑到人眼的明适应和暗适应因素，重视过渡照明的设计。总得来说主要存在以下几种特殊的视觉问题：(1)8 天进入隧道前，由于隧道内外的亮度差别极大，从隧道外部去看，照明不充分的隧道入口会出现“黑洞”(长隧道)及“黑框”(短隧道)现象。(2)8 天进入隧道后，要经过一定的时间才能看清隧道内部的情

48、况，这称为“适应滞后现象”。这主要是由于隧道内外亮度的急剧变化，使人眼不能快速适应所致。(3)隧道内部汽车排出的废气无法迅速消散并形成烟雾，将汽车灯和隧道内灯具发出的光吸收和散射，降低了能见度。(4)8 天汽车驶出较长的隧道时，在接近出口处看到的外部亮度极高，出口看上去是个亮洞，会出现极强的眩光，驾驶员会感到很不适应；夜间与白天正好相反，在隧道出口处看到的是黑洞，驾驶员看不清隧道外道路的路况【2 2 1。9浙江大学硕士学位论文因此，为了确保隧道内的行车安全，提高隧道路段的通行能力，在隧道内设计智能照明控制系统必不可少。2 1 2 隧道照明的设计规范公路隧道通风照明设计规范规定，隧道照明系统应包

49、括入口段照明、过渡段照明、中间段照明、出口段照明、应急照明、洞外引道照明和接近段减光措施【2 3】。1、入口段照明入口段亮度可按下式计算：L 廿l=k L 2 0(S)(2-1)其中，L m 入口段亮度(c d m 2)；L 2 0(S)一洞外亮度(c d m 2)；姒口段亮度折减系数，可按表2 1 取值。表2 1 入口段亮度折减系数k 的取值k设计交通量N(辆1 1)计算行车速度v t(k m h)双车道单向交通双车道双向交通1 0 08 06 04 02 4 0 01 3 0 00 0 4 50 0 3 50 0 2 2O 0 1 27 0 03 6 00 0 3 50 0 2 5O 0

50、1 50 0 1注：当交通量在其中间值时，按内插考虑。入口段长度可按下式计算：=1 1 5 4 D。一器式中，D t I l 入口段长度(m)；D s 一照明停车视距(m)，可按表2-2 取值；l O(2-2)浙江大学硕士学位论文h 一洞口内净空高度(m)。表2 2 照明停车视距表(m)泛-4321Ol234V t(k m h)1 0 017 91 7 31 6 81 6 31 5 81 5 41 4 91 4 51 4 28 01 1 2l1 01 0 61 0 31 0 09 89 59 39 06 06 26 05 85 75 65 55 45 35 24 02 92 82 72 72