LED集魚燈PWM調(diào)光電路及集群控制研究

馮書慶 諶志新 徐志強(qiáng) 鮑旭騰

摘要：集魚燈是應(yīng)用于廣域水面捕魚作業(yè)的集魚燈具，常安裝應(yīng)用于船舷或一定水深位置隨船作業(yè)。本文設(shè)計(jì)了一種基于PWM控制技術(shù)的遙控調(diào)光LED集魚燈。經(jīng)試制驗(yàn)證，所述燈具燈光遙控可調(diào)，能完成單組128級、三組組合調(diào)光功能;通過預(yù)選燈珠，燈具有光譜分段選擇功能;燈具工作在直流32V低壓電壓下，有用電安全特性;所述燈具有集魚捕撈場景使用優(yōu)勢和集群與智能控制功能，能夠?qū)崿F(xiàn)智能集魚捕撈作業(yè)。

Abstract： Fish-collecting lamps are fish-collect devices used in fishing operations of wide water areas. When operation， the devices were usually installed at ship's side or at certain depth of waters. This article describes a design of a remote-controlled PWM dimming LED fish-collecting lamp， proved by test， the lamp has dimming function when controlled by remote controller， with 128 stages of dimming in single channel， and can be combined by the three channels in one lamp; when use certain lamp beads， the lamp also has spectral selection function; and， the lamp works with the power of DC32V， do no electric harms to human being. This lamp is suitable when used in fishing occasions and also has lighting cluster and intelligent control functions to fulfill intelligent fishing operation needs.

關(guān)鍵詞：PWM調(diào)制;LED;燈光遙控;燈光集群;燈光智能控制

Key words： PWM modulation;LED;lighting remote control;lighting cluster;intelligent dimming

中圖分類號：S973.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）21-0270-03

0? 引言

光誘捕魚，即是利用多數(shù)海洋生物趨光本能及索餌趨光特性而進(jìn)行的魚群集魚及圍捕作業(yè)[1]。為適應(yīng)廣域水面的高效捕撈，常采用燈光集魚的形式進(jìn)行外海漁捕作業(yè)。使用時，集魚燈露天安裝于船舷周圍或投放至一定水深位置，完成光誘集魚工作。集魚燈需具備抗震、防水、用電安全等基本環(huán)境適應(yīng)特性。

對魚群的生物趨光性研究知[2]，光誘捕魚對光源的光強(qiáng)有一定要求：以魷魚為例，光照光強(qiáng)0.1Lx-10Lx為最合適照度區(qū)域，且距水面不同深度時，光強(qiáng)要求不同，距水面較近區(qū)域的大照度光源集魚效果不強(qiáng)，反而更有可能驚散魚群;多數(shù)魚種的逐光特性僅限于可見光譜，而對350～400nm紫外波段和780～800nm紅外波段光則幾無趨光性;不同魚種對不同光譜的逐光性各不相同，使用特定光譜的集魚燈進(jìn)行多模式光照集魚，有一定的魚種選擇功能。

1? 集魚燈概述及課題研究目的

傳統(tǒng)弧光集魚燈一般由高壓汞燈和金屬鹵素?zé)舾闹贫?，有許多應(yīng)用弊端，不利于漁業(yè)捕撈：①弧光集魚燈能效低功耗大。為滿足集魚光強(qiáng)要求，單船弧光集魚燈功率配置可達(dá)幾百千瓦，功耗占漁船總能耗的50%以上，能源消耗嚴(yán)重;②光效低、人體損害大。因鹵素?zé)艄庾V為全譜均勻分布，可見光外光（紫外線和紅外線）幾無集魚效果，但對人體損害很大，可造成皮膚黑斑、老化，甚至誘發(fā)皮膚癌等[3];③環(huán)境污染大。傳統(tǒng)鹵素?zé)魺艟邇?nèi)的鹵素氣體對環(huán)境污染大;且因燈具玻璃封裝工藝，耐沖撞性不強(qiáng)，有易破碎缺點(diǎn)[4];④工作模式限制。因鹵素?zé)魹闊艚z高熱發(fā)光，光熱阻調(diào)整周期長、可控型差，不能適應(yīng)爆閃等特定魚種模式集魚需要[5]。

考慮傳統(tǒng)集魚燈在漁捕應(yīng)用中的諸多不利，課題研究設(shè)計(jì)了一種新型集魚燈，旨在改善上述傳統(tǒng)集魚燈的應(yīng)用弊端，并根據(jù)魚群逐光的光強(qiáng)、光譜等生物特性，探討實(shí)現(xiàn)集魚燈的調(diào)光、調(diào)色等集群控制，為智能集群燈光集魚研究及驗(yàn)證打下基礎(chǔ)。

2? LED集魚燈設(shè)計(jì)

考察當(dāng)代集魚燈發(fā)展趨勢[6-7]，課題討論設(shè)計(jì)了一種LED集魚燈，系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

以下按發(fā)光器件選型、嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、信令接口及軟件設(shè)計(jì)等三個部分，詳細(xì)闡述LED集魚燈的電路設(shè)計(jì)及器件選型。

2.1 發(fā)光器件選型

LED固體光源是發(fā)光二極管（light-emitting diode）的簡稱，其發(fā)光原理為III-IV族化合物PN結(jié)電場致發(fā)光。LED照明光源具有高壽命、高光效、多光色、可調(diào)光及工作電壓低等優(yōu)點(diǎn)，能較優(yōu)秀的滿足漁捕集魚需要。

據(jù)數(shù)據(jù)手冊[8]，德國歐司朗（OSRAM）公司的DURIS系列白色燈珠的光強(qiáng)為最大516lm、功耗參數(shù)為DC31.5V/150mA、工作溫度-40～110℃，滿足集魚燈設(shè)計(jì)需求，課題選用該型發(fā)光器件為系統(tǒng)光源。

LED發(fā)光二極管的光譜分布受電流影響，會發(fā)生“藍(lán)移”現(xiàn)象。在一定范圍內(nèi)增大電流，LED燈的光譜強(qiáng)度將增大。為保證LED發(fā)光光譜穩(wěn)定性，當(dāng)LED工作時，應(yīng)以參數(shù)要求的驅(qū)動電流點(diǎn)亮LED燈珠。

2.2 嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 CPU系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Atmega8微控制器芯片是ATMEL公司的一款高性能8位AVR單片機(jī)，采用RISC指令處理結(jié)構(gòu)，當(dāng)工作在片內(nèi)8MH時鐘時，MCU指令執(zhí)行速度可達(dá)8MIPS[9]。Atmega8單片機(jī)自帶三通道PWM接口，并集成了兩個8位定時器，可應(yīng)用于高精度PWM接口控制系統(tǒng)中。Atmega8的電源需求為單DC5V供電，對電路電源設(shè)計(jì)要求相對不高。

考查Atmega8單片機(jī)的電氣特性、結(jié)合LED集魚燈設(shè)計(jì)要求，選用Atmega8微控制器為集魚燈控制核心。

2.2.2 PWM調(diào)光及驅(qū)動電路

為滿足集魚燈調(diào)光需要、避免LED光源電流光譜“藍(lán)移”效應(yīng)，及為降低集魚燈開關(guān)“頻閃”效應(yīng)，設(shè)計(jì)LED光源為PWM脈寬電流調(diào)節(jié)調(diào)光、調(diào)制工作頻率為1kHz[10]。

選用MOS管器件為LED驅(qū)動電流的開關(guān)控制器件。MOS管工作在開關(guān)狀態(tài)時，具有開關(guān)頻率高、導(dǎo)通電阻低、壽命長等特點(diǎn)，適用于功率電路等的高頻開關(guān)控制[11-14]?？紤]系統(tǒng)光源器件的工作電壓、電流及開關(guān)頻率等參數(shù)，選用DTS6400型NMOS管作為燈珠開關(guān)控制器件，該型MOS管的最大驅(qū)動電流為1.5A、源漏極最高耐壓60V、工作溫度為-55～150℃，符合電路參數(shù)要求。

項(xiàng)目采用IR2130S柵極專用驅(qū)動芯片對MOS管柵極進(jìn)行大電流開關(guān)驅(qū)動，以縮短MOS管轉(zhuǎn)換時間、降低MOS管開關(guān)損耗，保證MOS管能在高頻下正常工作。

當(dāng)需增大集魚燈的工作電壓和功率時，只需根據(jù)具體參數(shù)要求、更換其他型號的MOS開關(guān)管即可，控制電路具有通用性無需更改;上述設(shè)計(jì)方案可提高LED集魚燈型號譜系的擴(kuò)展能力。集魚燈（單體）燈珠驅(qū)動通道設(shè)計(jì)為三組分別驅(qū)動，可組合完成光強(qiáng)的細(xì)膩調(diào)整;當(dāng)三通道光源負(fù)載選用三基色LED光源時，可實(shí)現(xiàn)調(diào)色功能。

2.2.3 電源設(shè)計(jì)

集魚燈供電電壓為設(shè)計(jì)為DC32V，分析IR2130S驅(qū)動管電路、LED光源負(fù)載電路和單片機(jī)電路電源需求，采用DC-DC轉(zhuǎn)換器完成輸入電源32V至12V的轉(zhuǎn)換，使用7805穩(wěn)壓器芯片將12V電源轉(zhuǎn)換至5V電源，滿足系統(tǒng)不同電路功能模塊的電壓功率需求。

電源部分設(shè)計(jì)了過流保護(hù)及濾波電容等，提高了系統(tǒng)的系統(tǒng)工作穩(wěn)定性及電磁兼容性[15-17]。

2.3 信令接口及軟件設(shè)計(jì)

利用調(diào)幅技術(shù)，將信息信號調(diào)制于射頻載波上，可實(shí)現(xiàn)信息的電磁波無線傳輸。系統(tǒng)采用基于解碼芯片PT2272低成本成品模塊完成無線射頻調(diào)制信號的接收與解碼[18-19]。無線接收與解碼原理圖如圖2所示。

無線接收與解碼模塊的接口控制包含地址碼設(shè)置、數(shù)據(jù)輸出、OSC震蕩電阻設(shè)置等，分別完成尋址設(shè)置、數(shù)據(jù)輸出、載波頻率設(shè)置等。試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置采用地址設(shè)置為0（全空）、載波頻率315MHz，數(shù)據(jù)輸出4bit全接（支持16種控制命令）的方式，將無線模塊嵌入系統(tǒng)中，完成LED集魚燈無線控制功能。

使用無線地址編碼的方式，可實(shí)現(xiàn)多LED集魚燈無線組網(wǎng)控制。因無線模塊的地址設(shè)定共含有8bit，理論支持單網(wǎng)組網(wǎng)256只LED集魚燈的集群數(shù)量。

系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)了RS422協(xié)議信號傳輸通道，可應(yīng)用于集魚燈有線集群網(wǎng)絡(luò)控制[20-21]。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)完成指令采集及系統(tǒng)三通道亮度分別調(diào)節(jié)功能、設(shè)計(jì)了斷電設(shè)置保存功能、設(shè)計(jì)了多種亮度預(yù)設(shè)自動漸變模式、爆閃模式等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3? 試制驗(yàn)證與創(chuàng)新總結(jié)

所述LED集魚燈已完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)與試制，具備遠(yuǎn)程調(diào)光功能，達(dá)到預(yù)期目的。

3.1 驗(yàn)證與對比

集魚燈燃亮效果見圖3所示。

集魚燈試制樣機(jī)已實(shí)現(xiàn)單通道0-128級調(diào)光、單燈三通道組合調(diào)光功能;實(shí)現(xiàn)漸變調(diào)光、爆閃調(diào)光等模式控制。光源器件選用紅綠藍(lán)三基色燈珠時，通過軟件控制，樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了燈光調(diào)光調(diào)色功能。

與傳統(tǒng)集魚燈相比，所設(shè)計(jì)LED集魚燈具有如下應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：①LED集魚燈光效高，且光譜集中、可見光外光譜能量分布少，光譜分段可選，適漁性好;②LED集魚燈光源不含有毒氣體，燈珠采用透光環(huán)氧樹脂包裹密封電流致光PN結(jié)工藝結(jié)構(gòu)制造，具有耐震動、抗沖擊、不易破碎特性，環(huán)境適應(yīng)性好;③LED集魚燈工作電壓低（32V），不因漏電等故障傷害人身，用電安全;④應(yīng)用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，對光強(qiáng)進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)和靈活設(shè)置，可使LED集魚燈應(yīng)用于不同濁度、水位的光誘捕撈作業(yè)中，應(yīng)用優(yōu)勢強(qiáng);⑤LED集魚燈具有遙控功能和組網(wǎng)功能，可實(shí)現(xiàn)燈光的無線集群和有線組網(wǎng)。LED集魚燈與傳統(tǒng)弧光燈類集魚燈特性對比見表1所示。

3.2 創(chuàng)新性總結(jié)

經(jīng)試制驗(yàn)證，課題設(shè)計(jì)研制的LED集魚燈創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在以下三個方面：①選用新型發(fā)光器件LED為集魚燈系統(tǒng)光源，所設(shè)計(jì)的集魚燈有效率高、光譜純凈、環(huán)境適應(yīng)性及適漁性好等優(yōu)點(diǎn);②采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)完成集魚燈的光強(qiáng)光色無極細(xì)膩調(diào)整，保證了LED集魚燈光譜適漁優(yōu)點(diǎn);新增光強(qiáng)爆閃等集魚模式，拓展了集魚燈特定魚種的集魚應(yīng)用;③低成本射頻無線遙控及RS422尋址組網(wǎng)控制接口設(shè)計(jì)，免去（減少）了集魚燈控制鏈路的物理布線，降低了燈光集群組網(wǎng)復(fù)雜度、極大程度的節(jié)約了船載空間，具有很大實(shí)用意義。

上述集魚燈的研制，是基于專家經(jīng)驗(yàn)庫的計(jì)算機(jī)燈光集群集魚智能控制系統(tǒng)的組成部分，是智能燈光集魚捕魚研究驗(yàn)證的基礎(chǔ)。

4? 結(jié)語

LED集魚燈有低壓工作、光譜純凈、光效高、環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，還有光強(qiáng)調(diào)整等控制功能。復(fù)雜場合應(yīng)用時，可將多個單體集魚燈集群建構(gòu)組建集魚燈網(wǎng)，完成燈光群集魚功能。集群作業(yè)時，結(jié)合漁場水文氣候、目標(biāo)魚群等條件，利用專家知識經(jīng)驗(yàn)庫，可使用計(jì)算機(jī)自主計(jì)算最佳燈光光強(qiáng)與顏色分配組合、發(fā)送指令動態(tài)控制LED集魚燈群的光照及色彩，達(dá)到最佳集魚效果，完成現(xiàn)代智能捕魚燈光集魚需要[22-25]。

LED燈具的燈體與光路設(shè)計(jì)影響散熱和光線引導(dǎo)特性、影響燈具的壽命和光強(qiáng)分布效果[26-27]，也是LED型集魚燈設(shè)計(jì)的一個要點(diǎn)。因本文側(cè)重?zé)艟唠娐吩O(shè)計(jì)描述，對燈體光路設(shè)計(jì)暫不多做介紹。

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