CN105517239A - Led灯具智能终端控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED灯具智能终端控制器，其包括RS485通信模块、微控制器MCU模块、继电器开关模块、调光模块和电源模块。本发明通过在每盏灯具的微控制器MCU模块内存储有唯一一个ID号，信号通过RS485总线，将命令传输到指定的LED灯具，就可以实现对任意一盏灯具进行开关调光，以及采集LED灯具的电压、电流、功率等参数，从而实现对智能灯光控制系统中的单灯分别进行控制。

Description

LED灯具智能终端控制器

技术领域

本发明涉及一种灯具控制领域，具体是LED灯具智能终端控制器。

背景技术

随着我国城市地标夜景立面照明的兴起，节能、可控、色彩艳丽的智能灯的使用必将引起技术上的改革,因此智能灯光控制系统也就应运而生。目前的智能灯光控制系统一般采用基于RS485总线控制的智能灯光控制系统，其是通过自定义通信协议在RS485总线上外挂各类型控制器，并由主控统一管理的主从式总线型照明控制系统。

现有的基于RS485总线控制的智能灯光控制系统中，其灯具的控制方法都是采用回路控制方法，采用此方法只能控制整个回路的所有灯具同时开关以及调光，不能实现单盏灯的控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种LED灯具智能终端控制器，其可对智能灯光控制系统中的单灯分别进行控制。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

LED灯具智能终端控制器，包括RS485通信模块、微控制器MCU模块、继电器开关模块、调光模块和电源模块；由所述电源模块为整个控制器提供工作电源，所述RS485通信模块与所述微控制器MCU模块通信连接，所述微控制器MCU模块的输出端分别连接所述继电器开关模块和所述调光模块的控制输入端，所述继电器开关模块和所述调光模块的输出端均与LED灯具相连接；所述微控制器MCU模块内存储有对应于所述LED灯具的一个ID号，且同一智能灯光控制系统中各个LED灯具的ID号各不相同。

所述RS485通信模块的RS-485接口芯片采用SN75LBC184芯片；所述RS485通信模块的单片机与此RS-485接口芯片之间通过隔离电路进行完全的电隔离；所述微控制器MCU模块的复位端连接有外部看门狗电路。

所述微控制器MCU模块的输出端与所述继电器开关模块的控制输入端之间连接有隔离电路。

所述调光模块采用数字调光电路。

采用上述方案后，本发明LED灯具智能终端控制器，通过在每盏灯具的微控制器MCU模块内存储有唯一一个ID号，信号通过RS485总线，将命令传输到指定的LED灯具，就可以实现对任意一盏灯具进行开关调光，以及采集LED灯具的电压、电流、功率等参数，从而实现对智能灯光控制系统中的单灯分别进行控制。

附图说明

图1为本发明的电路原理框图；

图2为图1中微控制器的电路原理图；

图3为图1中RS485通信模块的电路原理图；

图4为图1中继电器开关模块的电路原理图；

图5为图1中调光模块的电路原理图；

图6为图1中电源模块的电路原理图。

具体实施方式

本发明LED灯具智能终端控制器，如图1所示，包括RS485通信模块1、微控制器MCU模块2、继电器开关模块3、调光模块4和电源模块5；由电源模块5为整个控制器提供工作电源，RS485通信模块1与微控制器MCU模块2通信连接，微控制器MCU模块2的输出端分别连接继电器开关模块3和调光模块4的控制输入端，继电器开关模块3和调光模块4的输出端均与LED灯具6相连接；微控制器MCU模块2内存储有对应于LED灯具6的一个ID号，且同一智能灯光控制系统中各个LED灯具的ID号各不相同。

微控制器MCU模块2采用的MCU为中国台湾新唐的NUC100系列的单片机U1(NUC100LC1BN)，NUC100系列为32位单片机，内建ARMcortex-M0内核，用于工业控制及相关需要丰富信号通讯界面的应用场合。最高可运行至50MHZ的外部时钟，具有32K/64K/128K字节内建Flash存储器，4K/8K/16K字节内建SRAM。并内建有定时器，看门狗定时器，RTC，PDMA,UART,SPI/SSP，I2C,I2S，PWM定时器，GPIO,12位ADC，模拟比较器，低电压检测和节能侦测功能。微控制器MCU模块2的电路原理图如图2所示。

在工业控制及测量领域较为常用的网络之一就是物理层采用RS-485通信接口所组成的工控设备网络。这种通信接口可以十分方便地将许多设备组成一个控制网络。从目前解决单片机之间中长距离通信的诸多方案分析来看，RS-485总线通信模式由于具有结构简单、价格低廉、通信距离和数据传输速率适当等特点而被广泛应用于仪器仪表、智能化传感器集散控制、楼宇控制、监控报警等领域。但RS485总线存在自适应、自保护功能脆弱等缺点，很多产品在一些细节的处理，常出现通信失败甚至系统瘫痪等故障，本发明中，对RS485通信模块1进行优化设计，从而可以避免以上问题。具体如下：

RS485通信模块1中，如图3所示，RS-485接口芯片U2的型号为SN75LBC184，这种芯片采用单一电源Vcc，电压在＋3～＋5.5V范围内都能正常工作。与普通的RS-485芯片相比，它不但能抗雷电的冲击而且能承受高达8kV的静电放电冲击，片内集成4个瞬时过压保护管，可承受高达400V的瞬态脉冲电压。因此，它能显著提高防止雷电损坏器件的可靠性。对一些环境比较恶劣的现场，可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件。该芯片还有一个独特的设计，当输入端开路时，其输出为高电平，这样可保证接收器输入端电缆有开路故障时，不影响系统的正常工作。另外，它的输入阻抗为RS485标准输入阻抗的2倍（≥24kΩ），故可以在总线上连接64个收发器。芯片内部设计了限斜率驱动，使输出信号边沿不会过陡，使传输线上不会产生过多的高频分量，从而有效扼制电磁干扰。

另外，RS485通信模块1中，四位一体的光电耦合器U3（TLP521）对单片机U1与RS-485接口芯片U2进行完全的电隔离，使得单片机U1与RS-485接口芯片U2之间完全没有了电的联系，提高了工作的可靠性。其基本原理为：当单片机U1的第19脚PC1=0时，光电耦合器U3的发光二极管发光，光敏三极管导通，输出高电压（＋5V），选中RS485接口芯片U2的DE端，允许发送。当单片机U1的第19脚PC1=1时，光电耦合器U3的发光二极管不发光，光敏三极管不导通，输出低电压（0V），选中RS485接口芯片U2的RE端，允许接收。RS485接口芯片U2的R端（接收端）和D端（发送端）的原理与上述类似。

在RS-485总线构筑的半双工通信系统中，在整个网络中任一时刻只能有一个节点处于发送状态并向总线发送数据，其他所有节点都必须处于接收状态。如果有2个节点或2个以上节点同时向总线发送数据，将会导致所有发送方的数据发送失败。因此，在系统各个节点的硬件设计中，应首先力求避免因异常情况而引起本节点向总线发送数据而导致总线数据冲突。以NUC100系列的单片机为例，因其在系统复位时，I/O口都输出高电平，如果把I/O口直接与RS-485接口芯片的驱动器使能端DE相连，会在MCU复位期间使DE为高，从而使本节点处于发送状态。如果此时总线上有其他节点正在发送数据，则此次数据传输将被打断而告失败，甚至引起整个总线因某一节点的故障而通信阻塞，继而影响整个系统的正常运行。考虑到通信的稳定性和可靠性，在每个节点的设计中应将控制RS485总线接口芯片的发送引脚设计成DE端的反逻辑，即控制引脚为逻辑“1”时，DE端为“0”；控制引脚为逻辑“0”时，DE端为“1”。本发明中，将单片机U1的第19脚PC1通过光电耦合器U3驱动RS485接口芯片U2的DE端，这样就可以使控制引脚为高或者异常复位时使RS485接口芯片U2始终处于接收状态，从而从硬件上有效避免节点因异常情况而对整个系统造成的影响。这就为整个系统的通信可靠奠定了基础。

此外，RS485通信模块1的复位端还连接有一片看门狗芯片U11（MAX813L），能在节点发生死循环或其他故障时，自动复位程序，交出RS-485总线控制权。这样就能保证整个系统不会因某一节点发生故障而独占总线，导致整个系统瘫痪。

　当一个节点需要使用总线时，为了实现总线通信可靠，在有数据需要发送的情况下先侦听总线。在硬件接口上，首先将RS-485接口芯片U2的数据接收引脚反相后接至单片机U1中断引脚INT1。在图3中，INT1是连至光电耦合器U3的输出端。当总线上有数据正在传输时，RS-485接口芯片U2的数据接收端（R端）表现为变化的高低电平，利用其产生的微控制器MCU模块2下降沿中断（也可采用查询方式），能得知此时总线是否正“忙”，即总线上是否有节点正在通信。如果“空闲”，则可以得到对总线的使用权限，这样就较好地解决了总线冲突的问题。在此基础上，还可以定义各种消息的优先级，使高优先级的消息得以优先发送，从而进一步提高系统的实时性。采用这种工作方式后，系统中已经没有主、从节点之分，各个节点对总线的使用权限是平等的，从而有效避免了个别节点通信负担较重的情况。总线的利用率和系统的通信效率都得以大大提高，从而也使系统响应的实时性得到改善，而且即使系统中个别节点发生故障，也不会影响其他节点的正常通信和正常工作。这样使得系统的“危险”分散了，从某种程度上来说增强了系统的工作可靠性和稳定性。

稳压管VD1～VD4为信号限幅二极管，其稳压值应保证符合RS-485标准，稳压管VD1和VD3取12V，稳压管VD2和VD4取7V，以保证将信号幅度限定在-7～+12V之间，进一步提高抗过压的能力。考虑到线路的特殊情况（如某一节点的RS-485芯片被击穿短路），为防止总线中其他分机的通信受到影响，在RS-485接口芯片U2的信号输出端串联了2个20Ω的电阻R1和R2，这样本机的硬件故障就不会使整个总线的通信受到影响。在应用系统工程的现场施工中，由于通信载体是双绞线，它的特性阻抗为120Ω左右，所以线路设计时，在RS485网络传输线的始端和末端应各接1个120Ω的匹配电阻（如图3中的R3），以减少线路上传输信号的反射。

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点(常闭触点)吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”;处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

本发明中，继电器开关模块3如图4所示，微控制器MCU模块2的第21脚PE5口接到光耦U5（PC817）的第2脚，PE5口输出高低电平，经过光耦U5隔离，控制三极管QM3的开关，从而控制继电器KM2的闭合与断开。

使用继电器控制比较大的负载时，如果没有进行信号隔离，很容易对前端电路产生影响，造成整个产品工作不稳定。本发明的继电器开关模块2中，在继电器KM2前端加入光耦U5，使继电器KM2开关部分与控制继电器的微控制器MCU模块2进行隔离，避免继电器KM2开关动作时，产生少量的反击电压或者电流对微控制器MCU模块2造成影响，使微控制器MCU模块2能够更加稳定工作，从而使整个控制器更加稳定。

如图5所示，调光模块4的作用是将微控制器MCU模块2输出的PWM波信号转化为0-10V电压信号，微控制器MCU模块2的PWM1口输出0-5V的PWM波信号，经过光耦U7隔离，转换为0-3.3V的PWM波信号，PWM波经过三极管Q3放大，输入到电压集成放大器U8，由电阻R45、R46决定电压放大倍数，本实施例中，应用的电压放大倍数是3倍，电容C36、C37、C38、C39为滤波电容，本发明的调光模块4与现有调光模块的区别是：现有的0-10V调光，大部分都是使用模拟电路调光，即通过调节电阻的阻值，使输出的电压发生变化，模拟调光的输出调光精度比较低。本发明的调光模块4采用数字方式进行调光，通过调节方波信号占空比进行调光，输出调光精度比较高。

如图6所示，本发明的电源模块5分为四部分，第一部分为：将市电AC220V通过电源芯片U6转为直流电压15V；第二部分为：将直流电压15V经过稳压芯片UM4（L78M12）转化为直流电压12V；第三部分为：将直流电压12V经过稳压芯片UM5（L78M05）转化为直流电压5V；第四部分为：将直流电压5V经过稳压芯片UM13（SPX1117M3-3.3）转化为直流电压3.3V。

Claims (4)

1.LED灯具智能终端控制器，其特征在于：包括RS485通信模块、微控制器MCU模块、继电器开关模块、调光模块和电源模块；由所述电源模块为整个控制器提供工作电源，所述RS485通信模块与所述微控制器MCU模块通信连接，所述微控制器MCU模块的输出端分别连接所述继电器开关模块和所述调光模块的控制输入端，所述继电器开关模块和所述调光模块的输出端均与LED灯具相连接；所述微控制器MCU模块内存储有对应于所述LED灯具的一个ID号，且同一智能灯光控制系统中各个LED灯具的ID号各不相同。

2.根据权利要求1所述的LED灯具智能终端控制器，其特征在于：所述RS485通信模块的RS-485接口芯片采用SN75LBC184芯片；所述RS485通信模块的单片机与此RS-485接口芯片之间通过隔离电路进行完全的电隔离；所述微控制器MCU模块的复位端连接有外部看门狗电路。

3.根据权利要求1所述的LED灯具智能终端控制器，其特征在于：所述微控制器MCU模块的输出端与所述继电器开关模块的控制输入端之间连接有隔离电路。

4.根据权利要求1所述的LED灯具智能终端控制器，其特征在于：所述调光模块采用数字调光电路。