秦 慧 芳

(蘭州交通大學(xué) 機(jī)電技術(shù)研究所, 甘肅 蘭州 730070)

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隧道照明自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

秦 慧 芳

(蘭州交通大學(xué) 機(jī)電技術(shù)研究所, 甘肅 蘭州 730070)

介紹了一種基于本地控制器STM32的隧道照明自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),主要闡述了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu),給出了采集單元和驅(qū)動(dòng)單元的硬件結(jié)構(gòu),對(duì)隧道照明自動(dòng)控制系統(tǒng)的整體控制進(jìn)行了軟件說明。提出隧道照明自動(dòng)控制系統(tǒng)能根據(jù)隧道口的光照亮度、車流量和車速等參數(shù)來合理地調(diào)節(jié)隧道內(nèi)的照明亮度,從而讓駕駛員安全地通過隧道。

隧道照明; 信號(hào)采集; 控制單元; 驅(qū)動(dòng)單元; 軟件設(shè)計(jì)

0 引 言

進(jìn)入隧道的駕駛員一般容易產(chǎn)生“明適應(yīng)”和“暗適應(yīng)”的視覺問題,容易引發(fā)交通事故。據(jù)統(tǒng)計(jì),發(fā)生在隧道口的交通事故絕大多數(shù)是由于洞口亮度變化不當(dāng)而引起的追尾問題。因此,隧道照明控制系統(tǒng)必須能夠根據(jù)隧道口的光照亮度、車流量和車速等參數(shù)來合理地動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)隧道內(nèi)的照明亮度,使其變化更加符合人眼對(duì)亮度的適應(yīng)變化曲線,從而讓駕駛員安全地通過隧道[1]。

本文設(shè)計(jì)了隧道照明自動(dòng)控制系統(tǒng),采用STM32F103RBT6作為采集系統(tǒng)的核心控制器,通過連接不同功能的傳感器進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集,并進(jìn)行處理,最后輸出給每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元,實(shí)現(xiàn)隧道燈亮度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

隧道照明控制系統(tǒng)一般包括采集單元、控制單元、通信單元、驅(qū)動(dòng)單元及與之配套的隧道照明燈具[2-3],如圖1所示。信號(hào)采集單元首先把系統(tǒng)需要的洞外亮度、經(jīng)過隧道的車流量及車速的信息傳輸給本地控制器,本地控制器再依據(jù)調(diào)光控制程序,將輸入的參數(shù)轉(zhuǎn)換成隧道內(nèi)各照明段所需的亮度值,并得出各個(gè)驅(qū)動(dòng)單元所需的控制信號(hào),把得出的調(diào)光控制指令發(fā)送給各段所對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)單元,進(jìn)而控制各照明段的燈具亮度,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、連續(xù)的調(diào)光。

圖1 隧道照明控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 采集單元的設(shè)計(jì)

2.1.1 光照采集

洞外亮度是指在公路隧道接近段的起點(diǎn)S處,距離地面1.5 m高,正對(duì)洞口方向20°視場(chǎng)范圍內(nèi)實(shí)測(cè)所得的平均亮度[4]。目前市場(chǎng)上常見的傳感器為光敏傳感器和照度傳感器,本文選擇GY-30照度傳感器進(jìn)行光照信息的采集[5]。該傳感器內(nèi)置BH1750FVI芯片,內(nèi)部包括低功耗3.3 V穩(wěn)壓器和通信電平轉(zhuǎn)換,內(nèi)部包含A/D轉(zhuǎn)換器,能夠直接輸出數(shù)字信號(hào),是一種支持I2C總線接口的環(huán)境光強(qiáng)度傳感器集成電路。

2.1.2 車速和車流量的采集

對(duì)于車速和車流量信號(hào)的檢測(cè),目前常用的有電磁線圈檢測(cè)法、視頻檢測(cè)法、光電檢測(cè)法、紅外檢測(cè)法、雷達(dá)檢測(cè)法等。光電檢測(cè)、紅外檢測(cè)和雷達(dá)檢測(cè)的檢測(cè)精度相對(duì)低,抗干擾能力差;視頻檢測(cè)法的成本高,實(shí)時(shí)性差,檢測(cè)精度與軟硬件設(shè)計(jì)有關(guān)[6]。因此,線圈式檢測(cè)的方法相比之下更適合隧道口環(huán)境下對(duì)車輛各指標(biāo)的采集。本文選擇線圈式檢測(cè)法[7],其原理是先把環(huán)形線圈按一定的要求埋設(shè)在隧道口,再把其連接到緊鄰控制器的VD108B車檢器上;當(dāng)有車輛通過隧道時(shí),環(huán)形線圈就能檢測(cè)到車輛信息,并傳輸給其連接的車檢器,經(jīng)過車檢器的處理,輸出標(biāo)準(zhǔn)TTL信號(hào),再傳輸給本地控制器STM32,完成信號(hào)傳輸。

車速和車流量的計(jì)算需要兩組線圈式檢測(cè)裝置,當(dāng)車輛通過鋪設(shè)在前端的環(huán)形線圈1時(shí),線圈就會(huì)發(fā)送一個(gè)檢測(cè)信號(hào),并經(jīng)過車檢器1發(fā)送給控制器,同時(shí)控制器的計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù);當(dāng)車輛經(jīng)過環(huán)形線圈2時(shí),再發(fā)送一個(gè)檢測(cè)信號(hào),經(jīng)車檢器2發(fā)送給控制器,此時(shí)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。之后經(jīng)過兩線圈之間的實(shí)際距離和時(shí)鐘脈沖信號(hào)的周期通過一定的計(jì)算方法得出所需的車速和車流量。

2.1.3 采集單元的設(shè)計(jì)

隧道照明控制系統(tǒng)采集單元的硬件連接如圖2所示。

圖2 隧道照明控制系統(tǒng)采集單元的硬件連接

圖2中,照度傳感器GY-30采用IIC總線方式進(jìn)行通信;車檢器VD108B輸出TTL信號(hào),直接與控制器STM32進(jìn)行通信(PC6/7設(shè)置為輸入管腳)。

2.2 控制單元

在LED隧道照明控制系統(tǒng)中,控制單元負(fù)責(zé)向采集單元下達(dá)采集指令,并接收采集單元傳輸?shù)牟杉盘?hào),經(jīng)過對(duì)采集信號(hào)的處理,輸出調(diào)光控制指令,并傳輸給驅(qū)動(dòng)單元,進(jìn)行隧道燈的亮度調(diào)節(jié)[8]。普通小型隧道的照明分為入口段、過渡段、中間段、出口段4個(gè)照明段[9],這就要求控制器能夠同時(shí)連接4個(gè)驅(qū)動(dòng)單元,并能夠同時(shí)輸出4路調(diào)光信號(hào),每一段隧道燈所對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)單元接收相應(yīng)的調(diào)光信號(hào),實(shí)現(xiàn)各自的亮度控制。本文選擇控制器STM32F103RBT6作為控制的核心芯片,具備IIC通信功能,能夠同時(shí)輸出4路PWM信號(hào),程序運(yùn)行快,功耗低[10]。

2.3 驅(qū)動(dòng)單元

由于STM32F103RBT6不能對(duì)LED燈進(jìn)行直接控制,所以必須選用其他硬件對(duì)LED進(jìn)行驅(qū)動(dòng),將主控制器輸出的調(diào)光信號(hào)(PWM占空比)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓值,從而達(dá)到調(diào)光所需的亮度值,實(shí)現(xiàn)調(diào)光的目的。本文選擇型號(hào)DRIVE-SW12的LED恒流驅(qū)動(dòng)模塊[11],輸入電壓8～30 V,模塊共5個(gè)接口,接口SW12為PWM信號(hào)輸入端,接口V+和V-用來連接輸入電壓,D+和D-連接所控制的隧道LED燈具。

驅(qū)動(dòng)單元電路連接如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)單元電路連接

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分包括初始化配置、采集單元信號(hào)的接收與發(fā)送、調(diào)光控制及控制信號(hào)的輸出等,每部分都包括用來定義聲明和接口的頭文件以及用來實(shí)現(xiàn)軟件功能的源文件。隧道照明系統(tǒng)整體控制流程如圖4所示。

圖4 隧道照明系統(tǒng)整體控制流程

系統(tǒng)啟動(dòng)后,在各部分連接均正常的情況下,本地控制器向采集單元發(fā)出指令,讀取照度傳感器實(shí)時(shí)采集的洞外光照和車檢器檢測(cè)到的車輛信號(hào),并經(jīng)過處理得到控制所需的輸入?yún)?shù),即洞外亮度、車速、車流量。之后調(diào)用調(diào)光控制程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并輸出調(diào)光指令,隧道LED驅(qū)動(dòng)電源模塊接收相應(yīng)的調(diào)光信號(hào),實(shí)現(xiàn)各照明段燈具亮度的控制。依據(jù)JTJ 026.1—1999《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》[12],調(diào)光控制程序?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,根據(jù)兩者的變化得出不同占空比的PWM信號(hào)。設(shè)計(jì)中采用STM32通用定時(shí)器TIM3的4個(gè)通道進(jìn)行4路PWM信號(hào)的輸出,TIM3所對(duì)應(yīng)的4個(gè)通道CH1～CH4分別對(duì)應(yīng)一個(gè)寄存器,輸出模式下每個(gè)寄存器里的值與TIM3里的CNT值進(jìn)行比較,并根據(jù)對(duì)比的結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。因此,通過修改寄存器的值就可以控制輸出不同頻率的PWM波。通過軟件置“1”或“0”,控制定時(shí)器3的通道在GPIO端口的映像,使CH1～CH4產(chǎn)生的PWM分別從控制器的PB4、PB5、PB0、PB1端口輸出。需要特別注意的是,PB4默認(rèn)的調(diào)試狀態(tài)

要先關(guān)閉部分調(diào)試才可以使用。

4 結(jié) 語

根據(jù)實(shí)際隧道照明控制系統(tǒng)中所需的控制參數(shù),設(shè)計(jì)了一套適用于小型隧道的照明控制系統(tǒng),可根據(jù)實(shí)時(shí)采集的洞口亮度等信號(hào),合理動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)隧道內(nèi)各照明段的亮度值,從而實(shí)現(xiàn)按需照明。

[1] 賈寧,郭珊.智能LED隧道照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].科技通報(bào),2014,30(5):121-124.

[2] 閏利棟,孫鳴蔚.基于GPRS的地鐵隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子科技,2015,28(12):129-131.

[3] 張玲,郝翠霞.LED隧道照明控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].照明工程學(xué)報(bào),2011,22(4):36-40.

[4] 涂云,王少飛,侯伶,等.浙西南山區(qū)高速公路隧道洞外亮度研究[J].公路,2012(1):198-203.

[5] 廖江,鄭偉,李良榮.基于ZigBee的隧道亮度信號(hào)采集系統(tǒng)的研究[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào),2015,32(3):75-78.

[6] 侯榮濤,周彬,唐盼.線圈式車速及車流量檢測(cè)器設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2015,15(27):188-192.

[7] 陳君華,陳志軍.基于地磁車輛檢測(cè)的隧道照明智能控制系統(tǒng)[J].中國(guó)交通信息化,2015(S1):128-130.

[8] 李良榮.LED燈隧道控制裝置[P].CN203039977U,2013-07-03.

[9] 杜國(guó)紅,吳一新,陳亮.基于環(huán)境和車流量的隧道照明自動(dòng)控制系統(tǒng)研究[J].無線互聯(lián)科技,2016(2):65-65.

[10] 蒙博宇.STM32自學(xué)筆記[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2014.

[11] 鄭軍,簡(jiǎn)婧.公路隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].交通科技,2015(1):119-122.

[12] 公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范:JTJ 026.1—1999[S].

Design of Tunnel Lighting Automatic Control System

QIN Huifang

(Mechanical and Electronic Technology Institute, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

This paper 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 tunnel according to the light brightness,traffic flow and car speed of tunnel portal,so the drivers safely pass the tunnel.

tunnel lighting; signal acquisition; control unit; drive unit; software design

秦慧芳(1991—),女,碩士研究生,從事機(jī)電設(shè)備控制方向的研究。

TU 88

B

1674-8417(2016)08-0059-03

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.08.014

2016-05-19