基于交流电电压过零点的LED照明设备灯光同步系统的制作方法

本发明涉及动态照明技术领域，具体涉及基于交流电电压过零点的LED照明设备灯光同步系统。

背景技术：

在大量家庭、商业智能LED照明场景中，多个光源可同步改变颜色和亮度是一个常见而重要的需求。

为满足大规模照明设备实现复杂动态照明场景的需求，传统技术中主要采用总线集中控制方式或无线集中控制方式来解决。1、总线集中控制方式是通过总线将各个光源连接，由集中控制器同时向不同光源发送调光指令。由于使用总线连接，这种方案在光源数量较多时，布线开销较大，且照明需求发生变化时用户不易对照明系统进行改造或重新设计。2、无线集中控制方式由集中控制器通过无线通信同时向不同光源发送调光指令实现。这种方案降低了安装和改造难度，但当光源数量较多，灯光场景复杂时，无线通信开销会很大，难以实现对不同光源的同步控制。另一方面，由于无线通信容易发生丢包，光源响应的时间偏差会很大，甚至会出现部分光源无响应的现象。

现有技术中另一种灯光同步方式是使用照明设备内部定时功能。该方式将调光指令存储在照明设备内，每一个照明设备根据内部定时依次执行调光指令。这种方法可以很好的解决大规模照明设备实现复杂动态照明场景的需求。但由于光源内部定时之间必然存在偏差(硬件不可避免的问题)，在运行一段时间后，偏差逐渐累积将导致用户观察到光源变化不再同步。为解决该问题，需要一个外部时钟源每隔一段时间将整个照明网络内的时钟重新同步。传统方式使用总线或无线广播的方式来实现外部时钟信息的传送。然而总线方式需要大量布线、成本较高且不灵活；无线通信容易出现丢包，且不同的智能光源收到的同步指令可能因路由跳数和发生重传而变得不一致。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服以上技术问题，提供基于交流电电压过零点的LED照明设备灯光同步系统，该系统能够提供稳定且一致的时钟信号，使同一照明网络中多个设备的灯光颜色和亮度长时间保持同步变化。

本发明通过下述技术方案实现：

基于交流电电压过零点的LED照明设备灯光同步系统，包括电源驱动模块、电压过零点检测电路、微处理器、LED亮度控制电路、LED光源，所述电源驱动模块、电压过零点检测电路分别与微处理器连接，微处理器通过LED亮度控制电路与LED光源连接，微处理器存储调光指令，其中：

电压过零点检测电路：检测外部交流供电电压的过零点，发送时钟信号到微处理器；

微处理器：接收过零点检测电路发送的时钟信号，根据存储的调光指令，发送调光信号到LED亮度控制电路；

LED亮度控制电路：接收微处理器发送的调光信号，再根据调光信号调整驱动LED光源的电压和电流；

LED光源：接收LED亮度控制电路发送的驱动信号，按照需求亮度发光。

使用本技术方案提出的同步方法，可使照明网络内不同光源的亮度和颜色变化达到小于1ms的同步偏差，且由于时钟源唯一，不会出现偏差累积的现象。

本发明的微处理器可采用内部集成MCU的一般嵌入式芯片，例如STM32、TICC2530、NXP JN5168。微处理器将GPIO与电压过零点检测电路连接，由电源驱动供电，可以向连接的LED亮度控制电路输出PWM波或其它数字调光信号。微处理器运行灯光控制程序。连接电压过零点检测电路的GPIO被设置为中断模式，由电压信号的上升沿或下降沿触发。每次收到同步IO中断，调光程序将同步计数器加1，若超过最大值则计数器重置为0。根据计数值和调光需求，微处理器向LED控制电路输出调光信号。

电源驱动电路包括第一整流滤波电路、变压器、开关器件、PWM控制IC、第二整流滤波电路、反馈电路、输出模块，所述变压器的输入端与第一整流滤波电路连接、输出端与第二整流滤波电路连接，所述第二整流滤波电路的一端与输出模块连接，另一端依次通过反馈电路、PWM控制IC、开关器件与变压器连接，所述第一整流滤波电路的输入端与外部交流供电电路连接。进一步的，L、N线上流过的交流电经过第一整流滤波电路整流滤波后流入变压器，PWM控制IC先按内部一个固定的频率使开关器件导通和关断，变压器上的电压在开关控制下输出到第二整流滤波电路，然后再通过输出模块向后端电路提供稳定的电压和电流；反馈电路接收第二整流滤波电路的电压和电流信号，并将其反馈到PWM控制IC；PWM控制IC根据反馈自动调节输出PWM信号的频率和占空比，进而通过开关器件控制变压器的开关频率和时间，达到调整变压器输出电压和电流的目的。本发明的驱动电源可以选取所有适合LED的隔离和非隔离电源，主要包括反激式，正激式、线性等电源结构的恒流和恒压电源。如基于BP2519、BP3519、VPER26、PN8359等隔离/非隔离IC设计的开关电源。

电压过零点检测电路包括整流二极管D1、D2、光耦器件U1、稳压二极管ZD1、第一限流分压电路、第二限流分压电路，所述整流二极管D1、D2的输入端与外部交流供电电路连接，输出端并联后与第一限流分压电路的输入端连接，所述稳压二极管ZD1和第二限流分压电路并联后的一端与第一限流分压电路的输出端连接、另一端接地的同时与光耦器件U1的输入端连接，光耦器件U1的输出端与微处理器的GPIO连接。

所述第一限流分压电路为串联连接的限流分压电阻R1、R2、R3，第二限流分压电路为限流分压电阻R4。

以上为电压过零点检测电路的具体结构。上电后，L/N的正半周期交流电经二极管D1/D2整流成直流电压，此电压通过至少2个以上的限流分压电阻R1、R2、R3、R4后在R4两端产生一个分压电压；当R4两端的电压大于U1光耦输入端的二极管导通电压后，U1光耦输入端的二极管导通，U1光耦输出端导通，此时微处理器的检测I/O口的管脚电压被U1光耦拉低，即此时I/O口的电压发生了高低电压的变化。在整个L/N通电的正半周期D1/D2导通且光耦U1一直导通时间内，微处理器的检测I/O口一直为低电平；只有通过L/N的正半周期电压临近谷底且D1/D2和U1未导通情况下，微处理器的检测I/O口才为高电平。稳压二极管ZD1用于钳位R4两端的电压，起保护光耦U1的作用。

LED亮度控制电路包括相互连接的PWM控制器、电流设置电路，所述PWM控制器的输入端与微处理器连接、输出端与LED光源连接，所述电流设置电路用于设置最大的输出电流。微处理器向PWM控制器输出PWM调光信号。PWM控制器通过检测电流设置电路反馈的电压信号和PWM信号向LED光源输出稳定的电压和电流。PWM控制器可选择类似MOSFET、PAM2861、MT7201+的开关器件和DC/DC处理芯片。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明，即基于交流电电压过零点的LED照明设备灯光同步系统，利用交流电电压过零点获取时钟信号，为光源提供了一致、稳定的外部时钟源，从而可实现同一照明网络内大量不同光源颜色和亮度的持续同步变化，在大规模复杂动态照明技术领域具有重大进步，应用在市场中能极大减少系统部署成本和调光程序的设计难度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明混光系统的总结构示意图；

图2为本发明电源驱动模块的示意图；

图3为本发明过零点检测电路的电路图；

图4为本发明微处理器的信号流向示意图；

图5为本发明LED亮度控制电路的信号流向图；

图6为本发明实施例1的三路LED光源连接示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1～5所示，基于交流电电压过零点的LED照明设备灯光同步系统，包括电源驱动模块、电压过零点检测电路、微处理器、LED亮度控制电路、LED光源，所述电源驱动模块、电压过零点检测电路分别与微处理器连接，微处理器通过LED亮度控制电路与LED光源连接，微处理器存储调光指令，其中：

电压过零点检测电路：检测外部交流供电电压的过零点，发送时钟信号到微处理器；

微处理器：接收过零点检测电路发送的时钟信号，根据存储的调光指令，发送调光信号到LED亮度控制电路；

LED亮度控制电路：接收微处理器发送的调光信号，再根据调光信号调整驱动LED光源的电压和电流；

LED光源：接收LED亮度控制电路发送的驱动信号，按照需求亮度发光。

电源驱动电路包括第一整流滤波电路、变压器、开关器件、PWM控制IC、第二整流滤波电路、反馈电路、输出模块，所述变压器的输入端与第一整流滤波电路连接、输出端与第二整流滤波电路连接，所述第二整流滤波电路的一端与输出模块连接，另一端依次通过反馈电路、PWM控制IC、开关器件与变压器连接，所述第一整流滤波电路的输入端与外部交流供电电路连接。电压过零点检测电路包括整流二极管D1、D2、光耦器件U1、稳压二极管ZD1、第一限流分压电路、第二限流分压电路，所述整流二极管D1、D2的输入端与外部交流供电电路连接，输出端并联后与第一限流分压电路的输入端连接，所述稳压二极管ZD1和第二限流分压电路并联后的一端与第一限流分压电路的输出端连接、另一端接地的同时与光耦器件U1的输入端连接，光耦器件U1的输出端与微处理器的GPIO连接。所述第一限流分压电路为串联连接的限流分压电阻R1、R2、R3，第二限流分压电路为限流分压电阻R4。LED亮度控制电路包括相互连接的PWM控制器、电流设置电路，所述PWM控制器的输入端与微处理器连接、输出端与LED光源连接，所述电流设置电路用于设置最大的输出电流。

本发明在实施例1的基础上，提供了一个具体的实验案例：

使用自制基于BP3519的隔离电源接入50Hz市电，使用TI CC2530作为系统微处理器向基于PAM2861设计的三路亮度控制电路分别输出PWM调光信号，来分别控制红、绿、蓝三路LED灯珠的亮度，光源电路如图6所示。应用要求每隔1秒显示一种颜色的灯光，显示顺序为红、绿、蓝，依次循环，要求10个独立的照明设备能够同步改变灯光颜色，且长时间保持灯光颜色一致。使用本发明提供的方案，将10个照明设备接通同一市电输入，市电导通后，电源驱动工作并产生稳定的电压和电流给微处理器和LED亮度控制电路；当L/N呈现正半周交流电时，交流电电压过零检测电路上的整流二极管导通，通过限流分压电阻后在光耦的输入端产生大于光耦的工作电压，光耦导通；此时在光耦的接收端产生一个高低电压转换信号到微处理器I/O口；微处理器接收来自电压过零点检测电路的时钟信号，时钟信号的每个上升沿将产生一次同步IO中断，使同步计数器加1；若同步计数器为50的整数倍时，微处理器控制红、绿、蓝中的某一路PWM波输出，控制顺序按照红、绿、蓝依次进行。

将上述应用实例与现有的动态灯光系统进行比较，并建立对照组。对照组使用传统照明设备内部定时的灯光同步技术，应用需求与上述实例相同。将两组灯光同时持续工作一小时，并随机选取10名观察者来判断灯光是否同步。选取的观察者对实验组(使用本发明方案)和对照组未知。下表比较了传统方法与本发明的灯光同步效果。

通过上表可知，本发明的灯光同步方案相比传统方案有明显优势，测试时间内没有发生人类视觉可观察到的不同步现象。将测试时间增大至24小时(可以覆盖绝大部分生活场景)，本发明仍没有出现灯光不同步现象。理论上，只要各设备启动时间相同，且使用相同电源，本发明提出的方案就可使多个设备的照明一直保持同步。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。