CN109121268A - 一种高效率荧光灯智能控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高效率荧光灯智能控制系统，系统主要由单片机最小系统、无线网络模块、电流驱动模块和荧光灯灯板四部分组成；单片机最小系统是系统智能控制的核心，与网络控制模块相连接实现网络通信；电流驱动模块采用恒流驱动方式，主要负责给荧光灯灯板提供稳定的电流输入，保证荧光灯的使用寿命；荧光灯灯头采用了串并联混接方式，实现荧光灯灯板在有荧光灯灯珠损坏的情况下其余的荧光灯灯珠可以正常工作。

Description

一种高效率荧光灯智能控制系统
技术领域
本发明涉及一种高效率荧光灯智能控制系统。
背景技术
由于部分荧光灯发光的电流特性，不能像其他电器一样直接与市电相连，需要与之相匹配电源适配与电流驱动高效节能和智能与网络互联的是智能照明的趋势，故荧光灯电源驱动的研发和智能控制设计尤为重要，基于此，本文设计了一种高效率照明与智能化荧光灯驱动与控制系统。
发明内容
一种高效率荧光灯智能控制系统，系统主要由单片机最小系统、无线网络模块、电流驱动模块和荧光灯灯板四部分组成；单片机最小系统是系统智能控制的核心，与网络控制模块相连接实现网络通信；电流驱动模块采用恒流驱动方式，主要负责给荧光灯灯板提供稳定的电流输入，保证荧光灯的使用寿命；荧光灯灯头采用了串并联混接方式，实现荧光灯灯板在有荧光灯灯珠损坏的情况下其余的荧光灯灯珠可以正常工作；
系统的单片机最小系统模块主要由单片机、电源模块、复位电路和晶振模块组成；其中单片机采用低功耗16位的单片机，采用了RISC CPU 结构，拥有丰富的寻址方式以及27条内核指令与大量的模拟指令，在8M晶振驱动下指令周期为125ns，运算能力强；单片机通过SPI 串口引脚与NRF905无线模块完成数据交换，利用片内ADC完成反馈信号采集，通过控制算法处理后，配置片内PWM模块生成开关的PWM 控制信号，完成网络互联和驱动控制；
为实现高速稳定的网络互联，荧光灯智能系统采用了无线模块，其无线芯片是低于1GHz无线传输芯片，工作电压为1.9～3.6V，主要工作于433MHz、868MHz和915MHz的ISM频段，可与工作于同频率的手机APP等外部通信设备进行数据交换；片内置频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置；其功耗低，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。
荧光灯电源驱动电路主要将市电变换为荧光灯工作的恒流驱动电源，智能荧光灯电源驱动是一个具有AC/DC转换的恒流驱动电路，由开关控制模块，EMI滤波模块，缓冲吸收模块，取样反馈模块以及隔离保护模块组成；采用了常见的开关调节加PWM的方式，根据反馈电路采样值与基准值进行比较，利用MCU控制PWM占空比的变化从而控制MOS管的导通与截止，控制开关的打开与闭合，使滤波后的输出电流平均值保持不变。
荧光灯智能照明系统的荧光灯照明终端采用了先串联后并联的混联的方法。荧光灯均分到每一个支路，每个荧光灯支路电压相同，同一支路的每颗荧光灯上的电流相同，实现荧光灯亮度一致；若出现了一个支路单个荧光灯损坏的情况，也不会影响其余支路荧光灯的正常工作，最大程度的保证了整个照明系统的正常工作。
附图说明
图1为本发明的系统原理设计图。
图2为本发明的先串联后并联的混联图。
具体实施方式
1系统设计
由于荧光灯陡峭伏安特性和很小的动态电阻，若电压有小范围的起伏，就会引起很大的电流变化，甚至造成荧光灯损坏；为保证荧光灯能够正常稳定的工作，荧光灯的恒流电源驱动及控制器必不可少。而荧光灯开关电源驱动，它是具有效率高，输出电压，电流稳定，输出纹波小，有完善的保护措施的高可靠性电源。本设计采用了恒流型开关电源驱动技术，利用PWM宽带脉冲调制，控制电路的平均输出电流从而控制电路的平均输出功率。
PWM开关恒流的基本工作原理是在输入电压、系统参数及外接负载发生变化的情况下，采集误差信号，进行控制算法处理，调节主开关器件导通的脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流稳定。本设计使用MSP430F2XX单片机为核心控制器，实现内部与外部的信息处理，无线通信模块驱动程序中预留了与手机App通信的接口，与单片机组成网络智能控制模块实现与外部信号的智能互联。系统原理设计如图 1所示，与传统的荧光灯电源驱动相比，具有节能效率高，网络互联的功能。
2硬件设计
系统主要由单片机最小系统、无线网络模块、电流驱动模块和荧光灯灯板四部分组成。单片机最小系统是系统智能控制的核心，与网络控制模块相连接实现网络通信。电流驱动模块采用恒流驱动方式，主要负责给荧光灯灯板提供稳定的电流输入，保证荧光灯的使用寿命。荧光灯灯头采用了串并联混接方式，兼顾散热与安全，并且实现了荧光灯灯板在有荧光灯灯珠损坏的情况下其余的荧光灯灯珠可以正常工作。
2.1 MSP430最小系统设计
系统的单片机最小系统模块主要由MSP430单片机、电源模块、复位电路和晶振模块组成。其中单片机采用了TI公司的MSP430单片机，它是一种超低功耗16位性能强大的单片机，采用了RISC CPU结构，拥有丰富的寻址方式以及27条内核指令与大量的模拟指令，在8M晶振驱动下指令周期为125ns，运算能力极强，适合智能荧光灯终端功能。MSP430单片机通过SPI串口引脚与NRF905无线模块完成数据交换，利用片内ADC完成反馈信号采集，通过控制算法处理后，配置片内PWM模块生成开关的PWM控制信号，完成网络互联和驱动控制。
2.2 NRF905网络模块设计
为实现高速稳定的网络互联，荧光灯智能系统采用了工业上广泛使用的NRF905无线模块。NRF905无线芯片是有挪威NORDIC公司出品的低于1GHz无线传输芯片，工作电压为1.9～3.6V，主要工作于433MHz、 868MHz和915MHz的ISM频段，可与工作于同频率的手机APP等外部通信设备进行数据交换；片内置频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置；此外，其功耗非常低，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。非常适合于低功耗、低成本的系统设计。NRF905核心控制采用SPI与单片机完成数据通信。
2.3荧光灯电源驱动电路
荧光灯电源驱动电路是整个照明系统的关键模块，主要将市电变换为荧光灯工作的恒流驱动电源，驱动电源电路优劣决定了荧光灯照明使用的可靠性与寿命。智能荧光灯电源驱动是一个具有AC/DC转换的恒流驱动电路，具有很高的可靠性与寿命，由开关控制模块，EMI滤波模块，缓冲吸收模块，取样反馈模块以及隔离保护模块组成。其中开关控制模块和取样反馈模块是电源驱动的核心。采用了常见的开关调节加PWM的方式，根据反馈电路采样值与基准值进行比较，利用其独特的MCU控制PWM占空比的变化从而控制MOS管的导通与截止，控制开关的打开与闭合，使滤波后的输出电流平均值保持不变。
2.4荧光灯灯板电路设计
荧光灯智能照明系统的荧光灯照明终端采用了如图2所示的先串联后并联的混联的方法。荧光灯均分到每一个支路，每个荧光灯支路电压相同，同一支路的每颗荧光灯上的电流相同，实现荧光灯亮度一致。若出现了一个支路单个荧光灯损坏的情况，也不会影响其余支路荧光灯的正常工作，最大程度的保证了整个照明系统的正常工作。
3软件设计
荧光灯智能控制系统的软件设计主要为MSP430软件设计，主要完成功能选择，无线数据接收，接收以及反馈数据的分析，荧光灯驱动及电路控制。荧光灯智能照明系统的工作模式主要分为两大模式，即无信号状态下的自动工作模式，和无线网络控制模式。在自动工作模式中，最小系统模块通过电源驱动模块中的反馈信号对PWM占空比以及周期进行编译控制，使得该系统拥有极高的效率。在无线网络控制模式中，可由NRF905数据模块接收无线网络信号并解析控制数据，通过SIP接口传入最小系统模块中，从而实现远程控制。无线网络信号可由手机通过App产生，系统预留相应的硬件驱动接口。
4结语
本发明设计的荧光灯高效率照明系统采用了的MCU的PWM控制，并以恒流型荧光灯开关电源驱动，设计了串并混联型荧光灯灯板，达到了满载93.5％的电源效率。荧光灯高效率照明系统设计时，考虑了各种匹配因素，将外界对系统的干扰降到了最低，具有智能化，节能化，高效率化以及抗干扰能力强的优点；针对网络远程控制预留了网络扩展接口，可由手机App等外部信号对系统进行控制，具有广泛的实际应用价值及前景。
以上所述，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和技术构思作出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本发明后附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种高效率荧光灯智能控制系统，系统主要由单片机最小系统、无线网络模块、电流驱动模块和荧光灯灯板四部分组成；单片机最小系统是系统智能控制的核心，与网络控制模块相连接实现网络通信；电流驱动模块采用恒流驱动方式，主要负责给荧光灯灯板提供稳定的电流输入，保证荧光灯的使用寿命；荧光灯灯头采用了串并联混接方式，实现荧光灯灯板在有荧光灯灯珠损坏的情况下其余的荧光灯灯珠可以正常工作；
系统的单片机最小系统模块主要由单片机、电源模块、复位电路和晶振模块组成；其中单片机采用低功耗16位的单片机，采用了RISC CPU结构，拥有丰富的寻址方式以及27条内核指令与大量的模拟指令，在8M晶振驱动下指令周期为125ns，运算能力强；单片机通过SPI串口引脚与NRF905无线模块完成数据交换，利用片内ADC完成反馈信号采集，通过控制算法处理后，配置片内PWM模块生成开关的PWM控制信号，完成网络互联和驱动控制；为实现高速稳定的网络互联，荧光灯智能系统采用了无线模块，其无线芯片是低于1GHz无线传输芯片，工作电压为1.9～3.6V，主要工作于433MHz、868MHz和915MHz的ISM频段，可与工作于同频率的手机APP等外部通信设备进行数据交换；片内置频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置；其功耗低，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。
2.根据权利要求1所述的高效率荧光灯智能控制系统，其中，荧光灯电源驱动电路主要将市电变换为荧光灯工作的恒流驱动电源，智能荧光灯电源驱动是一个具有AC/DC转换的恒流驱动电路，由开关控制模块，EMI滤波模块，缓冲吸收模块，取样反馈模块以及隔离保护模块组成；采用了常见的开关调节加PWM的方式，根据反馈电路采样值与基准值进行比较，利用MCU控制PWM占空比的变化从而控制MOS管的导通与截止，控制开关的打开与闭合，使滤波后的输出电流平均值保持不变。
3.根据权利要求1或2所述的高效率荧光灯智能控制系统，荧光灯智能照明系统的荧光灯照明终端采用了先串联后并联的混联的方法。荧光灯均分到每一个支路，每个荧光灯支路电压相同，同一支路的每颗荧光灯上的电流相同，实现荧光灯亮度一致；若出现了一个支路单个荧光灯损坏的情况，也不会影响其余支路荧光灯的正常工作，最大程度的保证了整个照明系统的正常工作。
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