CN106604457B - 基于环境光检测的水下灯动态亮度控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于环境光检测的水下灯动态亮度控制系统及方法，属于水下照明设备技术领域。系统根据可见光传感器采集周围环境亮度的返回值调整发送PWM的占空比，从而动态控制LED灯的亮度，并根据温度/湿度传感器实时监测系统的状态，在系统过热和发生漏水的情况下，向上位机发出警报，调整系统状态，保护系统免受损伤，同时使用调理电路对系统的电压进行实时监测。本发明的有益效果是：克服了水下灯系统不能自主调光，不具备在线故障检测功能等缺点，省去了人工控制的过程，避免了LED灯电能的过度消耗以及长时间高亮度对系统可能造成的不良影响。

Description

基于环境光检测的水下灯动态亮度控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于环境光检测的水下灯动态亮度控制系统及方法，属于水下照明设备技术领域。

背景技术

随着水下应用的拓展，水中兵器、水下作业工具以及各种水下科学考察、水中试验应用的不断发展，对水下照明系统的研制要求日益迫切。由于光在水中传输，尤其是在大深度的条件下，会受到水下诸多因素的影响使得水下自然光照条件很差，并且由于吸收和散射的影响使得水下传输距离非常有限，所以对照明的要求更高，因而，水下照明系统就成了水下探测必不可少的重要组成部分。

传统的水下灯系统虽然较为成熟，应用较为广泛，但是还是存在以下几个方面的缺点：

a)不具备自主调光功能。传统水下灯产品只有简单的电源开关控制，不能灵活根据周围环境进行智能的变光，也会造成电能的浪费；

b)不具备智能在线故障检测和保护功能。传统水下灯产品忽视了LED灯在长时间光照的情况下会产生大量热能，同时在水下环境中，密封不紧会导致设备漏水，会对设备产生不良的影响。

发明内容

要解决的技术问题

为了克服现有技术中不能自主调光、不具备智能在线故障检测和保护功能，在节能方便的同时保护水下灯系统的安全可靠，提出一种基于环境光检测的水下灯动态亮度控制系统。

技术方案

一种基于环境光检测的水下灯动态亮度控制系统，其特征在于包括可见光传感器、ARM模块、功率驱动电路、信号调理电路、供电模块、LED灯和上位机，各个模块均位于水下灯舱体内；其中，可见光传感器采集环境光强度并转为电信号输入到ARM模块；信号调理电路监测LED灯的电压和电流，并将采集到的电压电流调理后返回给ARM模块；ARM模块包括手动控制和自动控制两种方式，选择自动控制时，ARM模块根据可见光传感器输入的电信号调整脉冲宽度调制PWM的占空比输出；选择手动控制时，ARM模块通过控制器局域网络CAN口接收上位机发送来的遥控字节，进行解析，得到对应的PWM信号的占空比和开关值；ARM模块将PWM信号，输入到功率驱动电路，功率驱动电路输出相应的电压到LED灯对其进行亮度的调节。

还包括温度传感器和湿度传感器，温度传感器监测水下灯舱体内的温度，并将温度信息转化为数字信号发送给ARM模块，通过与设定的阈值进行比较，从而判定是否发生过温故障，如经判定发生故障则向上位机发送报警信号并关闭水下灯动态亮度控制系统；湿度传感器监测水下灯舱体内湿度，并将湿度信息转化为数字信号发送给ARM模块，通过与设定的阈值进行比较，从而判定是否发生漏水故障，并向上位机发出报警信号并关闭水下灯动态亮度控制系统。

所述的LED灯采用八只功率为3W的蓝色LED灯珠按环形排列组成。

一种基于环境光检测的水下灯动态亮度控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：系统上电；

步骤2：系统初始化及ARM模块的芯片的配置；

步骤3：进入自动模式，同时ARM模块会查询是否有来自上位机的遥控指令，如果没有则继续自动模式，ARM模块会根据可见光传感器的数值，自动调整输出PWM的占空比，从而控制LED的亮度变化；如果有遥控指令则进入手动模式，ARM模块只接收并执行遥控指令；两种模式下，ARM模块都会同时将温度传感器和湿度传感器的值通过CAN卡发送回上位机显示，而当温度传感器探测到的温度超过了设定的阈值，即认为温度过高，进入温度报警中断进程，开启保护模式，调整输出PWM的占空比，关闭LED灯，直到温度达到安全范围；当湿度传感器检测到湿度有变化，则认为舱体内有可能发生漏水，在报警的同时关闭LED灯以及系统供电。

有益效果

本发明提出的一种基于环境光检测的水下灯动态亮度控制系统，可以根据环境光来实现水下灯的亮度控制、具备智能在线故障检测和保护功能。

附图说明

图1为水下灯示意图

图2为本发明提出的水下灯系统组成示意图

图3为实施中铝制基板及LED灯分布示意图

图4为实施中LED灯焊盘的示意图

图5为水下灯软件总体流程示意图

图6水下灯软件自动模式流程示意图

图7水下灯软件手动模式流程示意图

图8水下灯软件中断保护模式流程示意图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

参阅图1，水下灯系统一般用于水下UUV等水下航行器的探测照明，本发明的水下灯系统还可由岸上的上位机进行人工控制，在紧急时控制或关闭水下灯系统。完整的水下灯系统由传感器、信号调理电路、ARM(Advanced RISC Machines)模块、功率驱动电路、供电模块和LED(Light Emitting Diode，发光二极管)等部分组成，如图2所示。系统采用STM32F103型ARM控制水下灯，采用信号调理电路调理光传感器和温度传感器的返回值，ARM模块根据信号调理电路发送的A/D值，发送对应的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)给信号驱动芯片，再经过功率驱动电路驱动水下灯，从而实现控制水下灯亮度的功能。同时，通过CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)总线，可以实现上位机对水下灯的直接控制以及对水下灯系统的状态监测。

实施方式分为软件和硬件两个部分。

a)硬件实施方式

硬件的实施方式如图2所示，包括光传感器、ARM(Adanced RISC Machines)模块、湿度和温度传感器、、功率驱动电路、信号调理电路、供电模块、LED(Light EmittingDiode，发光二极管)灯阵列和上位机，其中水下灯系统的各个模块电路以及LED阵列等部分均安装在水下灯舱体内；可见光传感器采集环境光强度并转为电信号输入到作为主控部分的ARM模块；信号调理电路监测LED阵列的电压和电流，并将温湿度信息和电压电流信息返回给ARM模块；ARM模块包括手动控制和自动控制两种方式，选择自动控制时，ARM模块根据从光传感器采集到的光强度，调整PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)的占空比输出，光越强则调整占空比越小，反之则调整占空比越大；选择手动控制时，ARM模块通过CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)口接收上位机发送来的遥控字节，进行解析，得到对应的PWM信号的占空比和开关值，从而控制LED灯阵列的开关和亮度变化；ARM模块将PWM信号，输入到功率驱动电路，功率驱动电路输出相应的电压到水下灯对其进行亮度的调节。

传感器由温度传感器、可见光传感器和湿度传感器组成。光传感器用于采集环境光强度并转为电信号，作为调节水下灯亮度的主要信息；温度传感器监测水下灯舱体内的温度，并将温度信息数字信号发送给ARM模块，通过与设定的阈值进行比较，从而判定是否发生过温故障，如经判定发生故障则向上位机发送报警信号并关闭水下灯系统；湿度传感器监测水下灯舱体内湿度，与处理温度传感器的信息相同，通过与设定的阈值进行比较，从而判定是否发生漏水故障，并向上位机发出报警并关闭水下灯系统。

信号调理电路主要用来监测系统的电压和电流，在LED灯的一端接入电阻，采集电阻两端的电压，进而计算出通过LED的电流，同时采集功率驱动电路输出至LED灯的电压，对LED系统的电压和电流进行实时的监测，并将采集到的电压电流返回给ARM进行进一步的处理。

ARM模块作为整个系统的主要控制部分，实现水下灯的控制，可以通过手动控制和自动控制两种方式，选择自动控制时，ARM模块对从光传感器采集到的信号进行解析，将信号进行转换为对应的PWM值；选择手动控制时，ARM模块通过CAN口接收上位机发送来的遥控字节，进行解析，得到对应的PWM值和开关值，从而对水下灯的亮度进行控制。同时，ARM模块根据温度/湿度传感器的检测值和根据调理电路采集到的系统电压电流值组包回送给上位机，实现在线故障检测功能。

功率驱动电路主要由信号驱动芯片和外围电路组成，根据接收到的PWM值驱动水下灯进行亮度的变化。信号驱动芯片主要对输入的信号进行放大，隔离强电弱电，同时具有稳压和稳态的性能，从而提高系统的性能和可靠性。

供电模块用于实现对系统各模块的供电。

LED模块考虑到在水中应具有较强的穿透能力，能够获得良好的照明效果，因此选择蓝光LED作为灯珠。

采用八只功率为3W的蓝色LED灯，按环形排列，如图3所示，铝制基板直径约为50mm，厚度约为1mm，可为正圆形或类六边形，四周带安装孔，可将基板固定在水下灯壳体内，并在基板与壳体接触面涂抹导热硅胶，中心处可放置摄像头或者可见光传感器等设备或者用来做线缆的通道。同时为了更好的给LED灯泡散热，在铝制基板上使用如图4的散热焊盘。

b)软件实施方式

软件的总体流程示意图如图5所示，水下灯软件上电后，首先进行系统初始化及ARM芯片的配置，包括AD采样、PWM等相关内容，然后进入自动模式，同时ARM模块会监听CAN口是否有来自上位机的遥控指令，如果没有则继续自动模式，水下灯会根据可见光传感器的数值，自动调整输出PWM的占空比，从而控制LED的亮度变化。如果有遥控指令则进入手动模式，水下灯只接收并执行遥控指令。在两种模式下，系统都会将温度传感器和湿度传感器的值通过CAN卡发送回上位机显示，而当温度传感器探测到的温度超过了设定的阈值，即认为温度过高，软件会进入温度报警中断进程，开启保护模式，调整输出PWM的占空比，关闭LED灯，直到温度达到安全范围，同样，当湿度传感器检测到有湿度变化，则认为灯罩内有可能发生漏水，在报警的同时关闭LED灯以及系统供电，从而保护整个系统的安全，具体软件流程图如图6～8所示。

ARM模块与上位机之间的通信内容分为遥控信息和遥测信息，遥控信息是由上位机发送至水下灯的控制信息，由帧头+指令+数据构成的，帧长为2字节，指令格式如下：

AB

其中：

A-水下灯开关指令；

B–水下灯亮度值；

ARM模块发送给上位机的状态信息，由数据构成的，帧长为6字节，指令格式如下：

A B1 B2 C D E

其中：

A–水下灯可见光传感器数据；

B1–水下灯温度传感器数据高位；

B2–水下灯温度传感器数据低位；

C–水下灯湿度传感器数据；

D–水下灯电压值；

E–水下灯电流值。

Claims (1)

1.一种基于环境光检测的水下灯动态亮度控制系统的控制方法，所述的基于环境光检测的水下灯动态亮度控制系统包括可见光传感器、ARM模块、功率驱动电路、信号调理电路、供电模块、LED灯和上位机，各个模块均位于水下灯舱体内；其中，可见光传感器采集环境光强度并转为电信号输入到ARM模块；信号调理电路监测LED灯的电压和电流，并将采集到的电压电流调理后返回给ARM模块；ARM模块包括手动控制和自动控制两种方式，选择自动控制时，ARM模块根据可见光传感器输入的电信号调整脉冲宽度调制PWM的占空比输出；选择手动控制时，ARM模块通过控制器局域网络CAN口接收上位机发送来的遥控字节，进行解析，得到对应的PWM信号的占空比和开关值；ARM模块将PWM信号，输入到功率驱动电路，功率驱动电路输出相应的电压到LED灯对其进行亮度的调节；还包括温度传感器和湿度传感器，温度传感器监测水下灯舱体内的温度，并将温度信息转化为数字信号发送给ARM模块，通过与设定的阈值进行比较，从而判定是否发生过温故障，如经判定发生故障则向上位机发送报警信号并关闭水下灯动态亮度控制系统；湿度传感器监测水下灯舱体内湿度，并将湿度信息转化为数字信号发送给ARM模块，通过与设定的阈值进行比较，从而判定是否发生漏水故障，并向上位机发出报警信号并关闭水下灯动态亮度控制系统；所述的LED灯采用八只功率为3W的蓝色LED灯珠按环形排列组成；其特征在于步骤如下：

步骤1：系统上电；

步骤2：系统初始化及ARM模块的芯片的配置；

步骤3：进入自动模式，同时ARM模块会查询是否有来自上位机的遥控指令，如果没有则继续自动模式，ARM模块会根据可见光传感器的数值，自动调整输出PWM的占空比，从而控制LED的亮度变化；如果有遥控指令则进入手动模式，ARM模块只接收并执行遥控指令；两种模式下，ARM模块都会同时将温度传感器和湿度传感器的值通过CAN卡发送回上位机显示，而当温度传感器探测到的温度超过了设定的阈值，即认为温度过高，进入温度报警中断进程，开启保护模式，调整输出PWM的占空比，关闭LED灯，直到温度达到安全范围；当湿度传感器检测到湿度有变化，则认为舱体内有可能发生漏水，在报警的同时关闭LED灯以及系统供电。