Study on PWM Dimmer Circuit and Cluster Control of LED Fish-collecting Lamp
冯书庆 FENG Shu-qing；谌志新 CHEN Zhi-xin；徐志强 XU Zhi-qiang；鲍旭腾 BAO Xu-teng
（中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092）
（Chinese Academy of Fishery Sciences Fishery Machinery Instrument Research Institute，Shanghai 200092，China）
摘要：集鱼灯是应用于广域水面捕鱼作业的集鱼灯具，常安装应用于船舷或一定水深位置随船作业。本文设计了一种基于PWM控制技术的遥控调光LED集鱼灯。经试制验证，所述灯具灯光遥控可调，能完成单组128级、三组组合调光功能；通过预选灯珠，灯具有光谱分段选择功能；灯具工作在直流32V低压电压下，有用电安全特性；所述灯具有集鱼捕捞场景使用优势和集群与智能控制功能，能够实现智能集鱼捕捞作业。
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.
关键词：PWM调制；LED；灯光遥控；灯光集群；灯光智能控制
Key words: PWM modulation；LED；lighting remote control；lighting cluster；intelligent dimming
中图分类号：S973.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）21-0270-03
0 引言
光诱捕鱼，即是利用多数海洋生物趋光本能及索饵趋光特性而进行的鱼群集鱼及围捕作业[1]。为适应广域水面的高效捕捞，常采用灯光集鱼的形式进行外海渔捕作业。使用时，集鱼灯露天安装于船舷周围或投放至一定水深位置，完成光诱集鱼工作。集鱼灯需具备抗震、防水、用电安全等基本环境适应特性。
对鱼群的生物趋光性研究知[2]，光诱捕鱼对光源的光强有一定要求：以鱿鱼为例，光照光强0.1Lx-10Lx为最合适照度区域，且距水面不同深度时，光强要求不同，距水面较近区域的大照度光源集鱼效果不强，反而更有可能惊散鱼群；多数鱼种的逐光特性仅限于可见光谱，而对350~400nm紫外波段和780~800nm红外波段光则几无趋光性；不同鱼种对不同光谱的逐光性各不相同，使用特定光谱的集鱼灯进行多模式光照集鱼，有一定的鱼种选择功能。
1 集鱼灯概述及课题研究目的
传统弧光集鱼灯一般由高压汞灯和金属卤素灯改制而成，有许多应用弊端，不利于渔业捕捞：①弧光集鱼灯能效低功耗大。为满足集鱼光强要求，单船弧光集鱼灯功率配置可达几百千瓦，功耗占渔船总能耗的50%以上，能源消耗严重；②光效低、人体损害大。因卤素灯光谱为全谱均匀分布，可见光外光（紫外线和红外线）几无集鱼效果，但对人体损害很大，可造成皮肤黑斑、老化，甚至诱发皮肤癌等[3]；③环境污染大。传统卤素灯灯具内的卤素气体对环境污染大；且因灯具玻璃封装工艺，耐冲撞性不强，有易破碎缺点[4]；④工作模式限制。因卤素灯为灯丝高热发光，光热阻调整周期长、可控型差，不能适应爆闪等特定鱼种模式集鱼需要[5]。
考虑传统集鱼灯在渔捕应用中的诸多不利，课题研究设计了一种新型集鱼灯，旨在改善上述传统集鱼灯的应用弊端，并根据鱼群逐光的光强、光谱等生物特性，探讨实现集鱼灯的调光、调色等集群控制，为智能集群灯光集鱼研究及验证打下基础。
2 LED集鱼灯设计
考察当代集鱼灯发展趋势[6-7]，课题讨论设计了一种LED集鱼灯，系统框架图如图1所示。
以下按发光器件选型、嵌入式控制系统设计、信令接口及软件设计等三个部分，详细阐述LED集鱼灯的电路设计及器件选型。
2.1 发光器件选型
LED固体光源是发光二极管（light-emitting diode）的简称，其发光原理为III-IV族化合物PN结电场致发光。LED照明光源具有高寿命、高光效、多光色、可调光及工作电压低等优点，能较优秀的满足渔捕集鱼需要。
据数据手册[8]，德国欧司朗（OSRAM）公司的DURIS系列白色灯珠的光强为最大516lm、功耗参数为DC31.5V/150mA、工作温度-40~110℃，满足集鱼灯设计需求，课题选用该型发光器件为系统光源。
LED发光二极管的光谱分布受电流影响，会发生“蓝移”现象。在一定范围内增大电流，LED灯的光谱强度将增大。为保证LED发光光谱稳定性，当LED工作时，应以参数要求的驱动电流点亮LED灯珠。
2.2 嵌入式控制系统设计
2.2.1 CPU系统设计
Atmega8微控制器芯片是ATMEL公司的一款高性能8位AVR单片机，采用RISC指令处理结构，当工作在片内8MH时钟时，MCU指令执行速度可达8MIPS[9]。Atmega8单片机自带三通道PWM接口，并集成了两个8位定时器，可应用于高精度PWM接口控制系统中。Atmega8的电源需求为单DC5V供电，对电路电源设计要求相对不高。
考查Atmega8单片机的电气特性、结合LED集鱼灯设计要求，选用Atmega8微控制器为集鱼灯控制核心。
2.2.2 PWM调光及驱动电路
为满足集鱼灯调光需要、避免LED光源电流光谱“蓝移”效应，及为降低集鱼灯开关“频闪”效应，设计LED光源为PWM脉宽电流调节调光、调制工作频率为1kHz[10]。
选用MOS管器件为LED驱动电流的开关控制器件。MOS管工作在开关状态时，具有开关频率高、导通电阻低、寿命长等特点，适用于功率电路等的高频开关控制[11-14]。考虑系统光源器件的工作电压、电流及开关频率等参数，选用DTS6400型NMOS管作为灯珠开关控制器件，该型MOS管的最大驱动电流为1.5A、源漏极最高耐压60V、工作温度为-55~150℃，符合电路参数要求。
项目采用IR2130S栅极专用驱动芯片对MOS管栅极进行大电流开关驱动，以缩短MOS管转换时间、降低MOS管开关损耗，保证MOS管能在高频下正常工作。
当需增大集鱼灯的工作电压和功率时，只需根据具体参数要求、更换其他型号的MOS开关管即可，控制电路具有通用性无需更改；上述设计方案可提高LED集鱼灯型号谱系的扩展能力。集鱼灯（单体）灯珠驱动通道设计为三组分别驱动，可组合完成光强的细腻调整；当三通道光源负载选用三基色LED光源时，可实现调色功能。
2.2.3 电源设计
集鱼灯供电电压为设计为DC32V，分析IR2130S驱动管电路、LED光源负载电路和单片机电路电源需求，采用DC-DC转换器完成输入电源32V至12V的转换，使用7805稳压器芯片将12V电源转换至5V电源，满足系统不同电路功能模块的电压功率需求。
电源部分设计了过流保护及滤波电容等，提高了系统的系统工作稳定性及电磁兼容性[15-17]。
2.3 信令接口及软件设计
利用调幅技术，将信息信号调制于射频载波上，可实现信息的电磁波无线传输。系统采用基于解码芯片PT2272低成本成品模块完成无线射频调制信号的接收与解码[18-19]。无线接收与解码原理图如图2所示。
无线接收与解码模块的接口控制包含地址码设置、数据输出、OSC震荡电阻设置等，分别完成寻址设置、数据输出、载波频率设置等。试验系统设置采用地址设置为0（全空）、载波频率315MHz，数据输出4bit全接（支持16种控制命令）的方式，将无线模块嵌入系统中，完成LED集鱼灯无线控制功能。
使用无线地址编码的方式，可实现多LED集鱼灯无线组网控制。因无线模块的地址设定共含有8bit，理论支持单网组网256只LED集鱼灯的集群数量。
系统冗余设计了RS422协议信号传输通道，可应用于集鱼灯有线集群网络控制[20-21]。
系统软件设计完成指令采集及系统三通道亮度分别调节功能、设计了断电设置保存功能、设计了多种亮度预设自动渐变模式、爆闪模式等，实现系统设计目标。
3 试制验证与创新总结
所述LED集鱼灯已完成产品设计与试制，具备远程调光功能，达到预期目的。
3.1 验证与对比
集鱼灯燃亮效果见图3所示。
集鱼灯试制样机已实现单通道0-128级调光、单灯三通道组合调光功能；实现渐变调光、爆闪调光等模式控制。光源器件选用红绿蓝三基色灯珠时，通过软件控制，样机实现了灯光调光调色功能。
与传统集鱼灯相比，所设计LED集鱼灯具有如下应用优点：①LED集鱼灯光效高，且光谱集中、可见光外光谱能量分布少，光谱分段可选，适渔性好；②LED集鱼灯光源不含有毒气体，灯珠采用透光环氧树脂包裹密封电流致光PN结工艺结构制造，具有耐震动、抗冲击、不易破碎特性，环境适应性好；③LED集鱼灯工作电压低（32V），不因漏电等故障伤害人身，用电安全；④应用PWM脉宽调制技术，对光强进行精细调节和灵活设置，可使LED集鱼灯应用于不同浊度、水位的光诱捕捞作业中，应用优势强；⑤LED集鱼灯具有遥控功能和组网功能，可实现灯光的无线集群和有线组网。LED集鱼灯与传统弧光灯类集鱼灯特性对比见表1所示。
3.2 创新性总结
经试制验证，课题设计研制的LED集鱼灯创新性主要体现在以下三个方面：①选用新型发光器件LED为集鱼灯系统光源，所设计的集鱼灯有效率高、光谱纯净、环境适应性及适渔性好等优点；②采用PWM脉宽调制技术完成集鱼灯的光强光色无极细腻调整，保证了LED集鱼灯光谱适渔优点；新增光强爆闪等集鱼模式，拓展了集鱼灯特定鱼种的集鱼应用；③低成本射频无线遥控及RS422寻址组网控制接口设计，免去（减少）了集鱼灯控制链路的物理布线，降低了灯光集群组网复杂度、极大程度的节约了船载空间，具有很大实用意义。
上述集鱼灯的研制，是基于专家经验库的计算机灯光集群集鱼智能控制系统的组成部分，是智能灯光集鱼捕鱼研究验证的基础。
4 结语
LED集鱼灯有低压工作、光谱纯净、光效高、环境适应性好等优点，还有光强调整等控制功能。复杂场合应用时，可将多个单体集鱼灯集群建构组建集鱼灯网，完成灯光群集鱼功能。集群作业时，结合渔场水文气候、目标鱼群等条件，利用专家知识经验库，可使用计算机自主计算最佳灯光光强与颜色分配组合、发送指令动态控制LED集鱼灯群的光照及色彩，达到最佳集鱼效果，完成现代智能捕鱼灯光集鱼需要[22-25]。
LED灯具的灯体与光路设计影响散热和光线引导特性、影响灯具的寿命和光强分布效果[26-27]，也是LED型集鱼灯设计的一个要点。因本文侧重灯具电路设计描述，对灯体光路设计暂不多做介绍。
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