隧道照明自动控制系统的设计

1、隧道照明自动控制系统的设计? 隧道照明自动控制系统的设计 隧道照明自动控制 系统的设计 秦 慧 芳 （兰州交通大学 机电技术研究所 , 甘 肃 兰州 730070） 摘 要：介绍了一种基于本地控制器 STM32 的隧道照明自动控制系统设计 ,主要阐述了系统总体 结构 ,给出了采集单元和驱动单元的硬件结构,对隧道照明自动控制系统的整体控制进行了软件说明。提出隧道照明自动 控制系统能根据隧道口的光照亮度、车流量和车速等参数来 合理地调节隧道内的照明亮度 ,从而让驾驶员安全地通过隧 道。 关键词： 隧道照明 ; 信号采集 ; 控制单元 ; 驱动单元 ; 软 件设计 0 引 言 进入隧道的驾驶员一般容

2、易产生“明适应” 和“暗适应”的视觉问题, 容易引发交通事故。 据统计 ,发生在隧 道口的交通事故绝大多数是由于洞口亮度变化不当而引起 的追尾问题。 因此 ,隧道照明控制系统必须能够根据隧道口的 光照亮度、车流量和车速等参数来合理地动态调节隧道内的 照明亮度 ,使其变化更加符合人眼对亮度的适应变化曲线,从而让驾驶员安全地通过隧道 1 。 本文设计了隧道照明自动 控制系统 ,采用 STM32F103RBT6 作为采集系统的核心控制 器 ,通过连接不同功能的传感器进行相关数据的采集,并进行处理 ,最后输出给每个驱动单元 ,实现隧道灯亮度的实时调节。 1 系统的总体设计 隧道照明控制系统一般包括采集

3、单元、控制单元、通信单元、驱动单元及与之配套的隧道照明灯具 2-3,如图 1 所示。信号采集单元首先把系统需要的洞外亮度、 经过隧道的车流量及车速的信息传输给本地控制器,本地控制器再依据调光控制程序 ,将输入的参数转换成隧道内各照 明段所需的亮度值 ,并得出各个驱动单元所需的控制信号 ,把 得出的调光控制指令发送给各段所对应的驱动单元,进而控制各照明段的灯具亮度 ,实现实时、连续的调光。 图 1 隧道 照明控制系统总体结构 2 硬件设计 2.1 采集单元的设计 2.1.1 光照采集 洞外亮度是指在公路隧道接近段的起点 S 处,距离地面 1.5 m 高,正对洞口方向 20视场范围内实测所得 的平

4、均亮度 4 。目前市场上常见的传感器为光敏传感器和照 度传感器 ,本文选择 GY-30 照度传感器进行光照信息的采集 5。该传感器内置 BH1750FVI 芯片,内部包括低功耗 3.3 V 稳压器和通信电平转换 ,内部包含 A/D 转换器 , 能够直接输出 数字信号 ,是一种支持 I2C 总线接口的环境光强度传感器集 成电路。 2.1.2 车速和车流量的采集 对于车速和车流量信 号的检测 ,目前常用的有电磁线圈检测法、 视频检测法、 光电 检测法、红外检测法、雷达检测法等。光电检测、红外检测 和雷达检测的检测精度相对低 ,抗干扰能力差 ;视频检测法的 成本高 ,实时性差 ,检测精度与软硬件设计

5、有关 6 。因此 ,线圈 式检测的方法相比之下更适合隧道口环境下对车辆各指标 的采集。本文选择线圈式检测法 7, 其原理是先把环形线圈按一定的要求埋设在隧道口 ,再把其连接到紧邻控制器的 VD108B 车检器上 ;当有车辆通过隧道时 ,环形线圈就能检测 到车辆信息 ,并传输给其连接的车检器 ,经过车检器的处理 ,输 出标准TTL信号,再传输给本地控制器 STM32,完成信号传输。 车速和车流量的计算需要两组线圈式检测装置 ,当车辆通过 铺设在前端的环形线圈 1 时,线圈就会发送一个检测信号 ,并 经过车检器 1 发送给控制器 ,同时控制器的计数器开始计数 ; 当车辆经过环形线圈 2 时,再发送

6、一个检测信号 ,经车检器 2 发送给控制器 ,此时计数器停止计数。 之后经过两线圈之间的 实际距离和时钟脉冲信号的周期通过一定的计算方法得出 所需的车速和车流量。 2.1.3 采集单元的设计 隧道照明控 制系统采集单元的硬件连接如图 2 所示。 图 2 隧道照明控 制系统采集单元的硬件连接图 2 中,照度传感器 GY-30 采用IIC 总线方式进行通信 ;车检器 VD108B 输出 TTL 信号,直接 与控制器 STM32 进行通信 （PC6/7 设置为输入管脚 ）。 2.2 控 制单元 在 LED 隧道照明控制系统中 ,控制单元负责向采集 单元下达采集指令 , 并接收采集单元传输的采集信号,

7、 经过对采集信号的处理 ,输出调光控制指令 ,并传输给驱动单元 ,进行 隧道灯的亮度调节 8 。普通小型隧道的照明分为入口段、过 渡段、中间段、出口段 4个照明段 9,这就要求控制器能够同 时连接 4 个驱动单元 , 并能够同时输出 4 路调光信号 , 每一段 隧道灯所对应的驱动单元接收相应的调光信号 ,实现各自的亮度控制。本文选择控制器 STM32F103RBT6 作为控制的 核心芯片 ,具备 IIC 通信功能 ,能够同时输出 4 路 PWM 信号 , 程序运行快 ,功耗低 10 。 2.3 驱动单元 由于 STM32F103RBT6 不能对 LED 灯进行直接控制 ,所以必须选 用其他硬件

8、对 LED 进行驱动 ,将主控制器输出的调光信号 （PWM 占空比 ）转化为相应的电压值 ,从而达到调光所需的亮 度值,实现调光的目的。 本文选择型号 DRIVE-SW12 的 LED 恒流驱动模块11,输入电压830 V,模块共5个接口 ,接口 SW12为PWM信号输入端，接口 V+和V-用来连接输入电 压,D+和D-连接所控制的隧道 LED灯具。 驱动单元电路连 接如图 3 所示。 图 3 驱动单元电路连接 3 软件设计 软件 部分包括初始化配置、采集单元信号的接收与发送、调光控 制及控制信号的输出等 ,每部分都包括用来定义声明和接口 的头文件以及用来实现软件功能的源文件。隧道照明系统整

9、体控制流程如图 4 所示。 图 4 隧道照明系统整体控制流程 系统启动后 ,在各部分连接均正常的情况下 ,本地控制器向采 集单元发出指令 ,读取照度传感器实时采集的洞外光照和车 检器检测到的车辆信号 ,并经过处理得到控制所需的输入参 数,即洞外亮度、车速、车流量。之后调用调光控制程序进行 数据处理 ,并输出调光指令 ,隧道 LED 驱动电源模块接收相应 的调光信号 ,实现各照明段灯具亮度的控制。依据 JTJ 026.1 1 999 公路隧道通风照明设计规范12,调光控制程序将采集的数据与标准数据进行比较,根据两者的变化得出不同占空比的 PWM 信号。设计中采用 STM32 通用定时 器 TIM

10、3 的 4 个通道进行 4 路 PWM 信号的输出 ,TIM3 所对 应的4个通道CH1CH4分别对应一个寄存器，输出模式下 每个寄存器里的值与 TIM3 里的 CNT 值进行比较 ,并根据对 比的结果产生相应的动作。 因此,通过修改寄存器的值就可以 控制输出不同频率的 PWM 波。通过软件置“ 1”或“ 0”,控制定 时器 3 的通道在 GPIO 端口的映像 ,使 CH1 CH4 产生的 PWM 分别从控制器的 PB4 、 PB5 、 PB0 、 PB 1 端口输出。 需要特别注意的是 ,PB4 默认的调试状态 要先关闭部分调试 才可以使用。 4 结 语 根据实际隧道照明控制系统中所需 的控

11、制参数 ,设计了一套适用于小型隧道的照明控制系统 ,可 根据实时采集的洞口亮度等信号 ,合理动态地调节隧道内各 照明段的亮度值 ,从而实现按需照明。 参考文献： 1 贾宁, 郭珊.智能LED隧道照明控制系统的设计与开发J.科技通报,2014,30(5):121-124. 2闰利栋,孙鸣蔚.基于 GPRS 的地铁隧道环境监测系统设计 J电子科技，2015,28(12):129-131.3张玲,郝翠霞丄ED隧道照明控制系统的研究与开发J.照明工程学报 ,2011,22(4):36-40. 4 涂云,王少飞,侯伶,等.浙 西南山区高速公路隧道洞外亮度研究J. 公路,2012(1):198-203.

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13、2自学笔记M.北京:北京航空航天大学出版 社,2014. 11 郑军,简婧.公路隧道 LED 照明模拟控制系统设 计J.交通科技,2015(1):119-122. 12公路隧道通风照明设计规范 :JTJ 026.1 1999S. Design of Tunnel Lighting Automatic Control System QIN Huifang (Mechanical and Electronic Technology Institute, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China) Abstract ： This paper

14、 introduced the design of tunnel lighting automatic control system based on local controller STM32.The overall structure of the tunnel lighting automatic control system was elaborated.The hardware connection diagram of acquisition unit and drive unit was given,and the overall system control software was described.It is pointed out that the tunnel lighting automatic control system reasonably adjusts the lighting brightness of tunnelaccording to the light brightness,traffic flow and car speed of tunnel portal,so the drivers safely pass the tunnel. K