CN109152145B - 一种控制led灯亮度的单火线低谐波调节方法 - Google Patents

Abstract

一种控制LED灯亮度的单火线低谐波调节方法，由壁控开关单元、LED灯调节驱动单元组成的装置实现，亮度改变时，壁控开关单元发送采用移相触发控制的、由引导波形和数据波形组成的亮度控制信号至LED灯调节驱动单元，LED灯调节驱动单元依据亮度控制信号中的2位三进制亮度数据改变LED灯的亮度。LED灯处在点亮状态且不发出亮度控制信号时，单火线上的电压波形为连续完整的单相正弦波。所述LED灯亮度调光方法无需遥控器，无需单独敷设控制线，也不用重新敷设电源线，具有低谐波特点，可以实现普通照明灯的替代升级。

Description

一种控制LED灯亮度的单火线低谐波调节方法

本发明专利申请为分案申请，原案申请号为201510229149.1，申请日为2015年5月8日，发明名称为一种控制LED灯亮度的单火线低谐波调节方法。

技术领域

本发明涉及一种照明灯具技术，尤其是一种控制LED灯亮度的单火线低谐波调节方法。

背景技术

由于LED灯的非线性特性，LED灯的亮度不能采用调节电压的方式来实现。

采用可控恒流源来调节LED灯的亮度时，工作电流的改变会带来LED灯的色谱偏移，同时，低亮度下LED灯负载电流也变得很低，会使可控恒流源效率降低及温升增高，损耗在驱动芯片上的功耗越大，从而会损害恒流源及LED光源的寿命。

采用PWM(脉宽调制)调光方式控制LED灯亮度，可以避免调压方式和调电流方式带来的问题。目前常用的LED灯调光方法有三种：

一是采用遥控器控制。LED灯控制电路装有遥控器接收装置，可以通过遥控器对LED灯进行有级调光或者是无级调光，其缺点是一个LED灯需要配备一个遥控器，造成遥控器数量多，管理麻烦，成本也偏高。

二是采用数字控制技术。例如，采用DALI(数字可寻址的照明接口)技术，DALI系统软件可对同一强电回路或不同回路上的单个或多个LED灯具进行独立寻址，通过DALI系统软件对单灯或任意的灯组进行精确的调光及开关控制。该方案技术先进，但成本很高，系统除需要布设电力线外，还需要布设控制线。

三是采用单火线开关通断控制技术。例如，采用NU102专用芯片，即可利用普通墙面开关在规定的时间内的开关动作，实现LED灯的亮度调节。但该方法只能提供4档LED灯的调节亮度，且开关动作有时间要求。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种在不改变现有照明线路布线的情况下，利用单火线对LED灯亮度进行调节的方法。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：一种控制LED灯亮度的单火线低谐波调节方法，由壁控开关单元、LED灯调节驱动单元组成的装置实现，所述壁控开关单元设有单火线输入端、单火线输出端，所述单火线输入端连接至交流电源火线；所述LED灯调节驱动单元设有火线输入端、零线输入端，其中，所述火线输入端连接至壁控开关单元的单火线输出端，所述零线输入端连接至交流电源零线；所述交流电源为单相220V交流电。

所述壁控开关单元包括单火线稳压器、低压差稳压器、双向晶闸管、控制单片机、晶振XT1、可控硅输出光耦、二极管D1、二极管D2、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电感L1、电感L2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、稳压管DW1、BCD旋转编码器。

单火线输入端是壁控开关单元的模拟地，连接至单火线稳压器的交流电压公共端；电容C1的两端分别连接至单火线稳压器的滤波电容输入端和交流电压公共端；单火线稳压器的直流输出电压地端为壁控开关单元的数字地，电感L2的两端分别连接至壁控开关单元的数字地和模拟地；二极管D1、电感L1和电容C2组成半波整流滤波电路，半波整流滤波电路的输入连接至单火线输出端、输出连接至单火线稳压器的直流高压输入端；单火线稳压器还设有直流电压输出端、交流电压端。

低压差稳压器的输入端连接至单火线稳压器的直流电压输出端，输出端输出直流工作电源VDD，向控制单片机U4及可控硅输出光耦U3提供工作电源；低压差稳压器的地端连接至壁控开关单元的数字地；电容C3、电容C4分别为低压差稳压器的输入电压、输出电压滤波电容。

双向晶闸管的两个阳极端分别连接至单火线输出端和单火线稳压器的交流电压端；电阻R1并联在双向晶闸管的两个阳极端；可控硅输出光耦的输出可控硅与电阻R2串联，其串联支路连接至双向晶闸管的第一阳极和控制极；可控硅输出光耦的输入发光二极管与电阻R3串联，其串联支路一端连接至直流工作电源，另外一端为触发信号输入端。

电阻R4的两端分别连接至二极管D2阴极和稳压管DW1阴极；二极管D2阳极连接至单火线输出端；稳压管DW1阳极连接至壁控开关单元的模拟地；电阻R5并联在稳压管DW1两端；交流电源过零信号从稳压管DW1阴极输出，过零信号被送至控制单片机；

BCD旋转编码器输出BCD编码作为亮度给定信号，亮度给定信号被送至单片机；

触发信号从控制单片机输出，并被送至触发信号输入端。

所述壁控开关单元由控制单片机控制单火线输出端输出的电压波形来发送亮度控制信号，其方法是，步骤A，判断是否关闭LED灯，是则关闭LED灯，转到步骤C；否则转到步骤B；

步骤B，发出一次亮度控制信号；

步骤C，判断亮度给定信号是否发生改变，亮度给定信号发生改变，返回步骤A；亮度给定信号没有发生改变，维持不发出亮度控制信号状态，返回步骤C。

所述维持不发出亮度控制信号状态，当LED灯处在关闭状态时，单火线输出端流过微电流；所述维持不发出亮度控制信号状态，当LED灯处在点亮状态时，控制单片机持续输出触发信号，单火线输出端输出的电压波形为连续完整的单相正弦波，稳压管DW1阴极不输出交流电源过零信号。

所述发出一次亮度控制信号，包括发出引导波形，再紧接着发出数据波形。

所述引导波形由一个不导通的负半波，紧接一个完整导通的正半波组成；所述引导波形也可以由一个不导通的完整周波，紧接一个完整导通的正半波组成。

所述数据波形由一个周波的移相波形组成，负半波为移相角β₁，正半波为移相角β₀。

所述移相角β₁、移相角β₀的值可以分别为移相角α₂、α₁、α₀中的一个，移相角α₂、α₁、α₀分别对应三进制数码值2、1、0。

所述亮度控制信号有从低到高9档不同亮度，由2位三进制亮度数据组成。

触发信号低电平有效。所述发出一次亮度控制信号时，控制单片机随机停止触发信号输出，即随机令触发信号从低电平变为高电平；当停止输出触发信号的时刻在交流电源正半波期间时，双向晶闸管V1在接下来的交流电源负半波不导通，在接下来的交流电源负半波从稳压管DW1阴极输出交流电源过零信号，交流电源过零信号为对应该不导通的交流电源负半波的正脉冲；当停止触发信号输出的时刻在交流电源负半波期间时，双向晶闸管在接下来的交流电源正半波和下一个交流电源负半波均不导通，在该不导通的交流电源正半波不从稳压管DW1阴极输出交流电源过零信号，在下一个交流电源负半波从稳压管DW1阴极输出交流电源过零信号，交流电源过零信号为对应下一个交流电源负半波的正脉冲。

将交流电源过零信号的正脉冲下降沿作为过零计时起点，10ms后为移相角β₁的过零点，20ms后为移相角β₀的过零点。所述LED灯调节驱动单元由单片机调节模块、LED驱动模块组成。

所述LED驱动模块设有交流输入端和LED灯驱动端，其中，交流输入端连接至LED灯调节驱动单元的火线输入端和零线输入端，LED灯驱动端连接至LED灯；所述LED驱动模块还设有PWM亮度调节信号输入端。

所述单片机调节模块包括有调节单片机、正半波整流整形电路、负半波整流整形电路和整流稳压电路，设有交流输入端、PWM亮度调节信号输出端；所述交流输入端连接至LED灯调节驱动单元的火线输入端和零线输入端，PWM亮度调节信号输出端连接至LED驱动模块的PWM亮度调节信号输入端；所述正半波整流整形电路和负半波整流整形电路分别对火线输入端输入的交流电压进行正半波整流整形和负半波整流整形；所述正半波整流整形电路的输出、负半波整流整形电路的输出分别连接至调节单片机不同的脉冲捕捉输入端。

所述LED灯调节驱动单元由单片机调节模块接收亮度控制信号并调节LED灯亮度，其方法是，

步骤一，初始化，控制LED灯为初始亮度；

步骤二，判断单火线上是否有亮度控制信号；没有亮度控制信号，返回步骤二；有亮度控制信号，转到步骤三；

步骤三，接收亮度控制信号，得到2位三进制亮度数据；

步骤四，改变LED灯亮度；返回步骤二。

所述判断单火线上是否有亮度控制信号，方法为判断单火线上是否有亮度控制信号的引导波形。

所述接收亮度控制信号，得到2位三进制亮度数据，方法为依次测量数据波形负半波的导通角和正半波的导通角，计算得到负半波的移相角β₁和正半波的移相角β₀后，再转换成2位三进制亮度数据。

所述改变LED灯亮度，由单片机调节模块改变连接至LED灯调节驱动单元的PWM亮度调节信号的占空比实现。

所述移相角β₁为2位三进制亮度数据的高位，移相角β₀为2位三进制亮度数据的低位。

所述移相角α₂、α₁、α₀满足α₂<α₁<α₀的关系，其典型值分别为α₂＝45°，α₁＝90°，α₀＝135°。

所述2位三进制亮度数据对应亮度给定信号1－9，亮度从低到高的顺序依次为00、01、10、11、02、20、12、21、22。

所述LED灯处在关闭状态时，控制单片机停止输出触发信号。

本发明的有益效果是，提供一种组成串联在单火线上、能够产生与发出由不同移相角波形组成的亮度等级亮度控制信号且具有单火线电子开关关灯功能壁控开关单元具体电路，同时提供一种在单火线上进行交流电源过零信号检测和确定过零点的方法。所述壁控开关单元采用单火线方式控制LED灯亮度，无需遥控器，无需控制线，也不用重新敷设电源线，可以实现普通照明灯的替代升级；LED灯亮度调节共分9档，采用旋钮装置调节，符合操作习惯；单火线上的亮度控制信号仅仅是在改变亮度时进行短时发送，LED灯处在点亮状态且不发出亮度控制信号时，单火线输出端输出的电压波形为连续完整的单相正弦波，没有谐波；具有单火线电子开关关灯功能。壁控开关单元采取的在单火线上获取交流电源触发同步信号的技术手段不会加大单火线上输出电压波形的畸变。

附图说明

图1是系统结构框图。

图2是壁控开关单元实施例电路图。

图3是三进制对应的α角示意图。

图4是发送三进制值21的波形示例图。

图5是发送三进制值10的波形示例图。

图6是亮度控制信号发送控制方法。

图7是LED灯调节驱动单元结构图。

图8是单片机调节模块实施例电路图。

图9是LED驱动模块实施例电路图。

图10是亮度控制调节方法。

具体实施方式

下面通过附图并结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实现本发明方法的装置如图1所示，由壁控开关单元和LED灯调节驱动单元串联组成。壁控开关单元单火线AC进，单火线AC1出。LED灯调节驱动单元火线AC1进，零线N出。

壁控开关单元的实施例电路如图2所示，由单火线稳压器U1、低压差稳压器U2、双向晶闸管V1、控制单片机U4、晶振XT1、可控硅输出光耦U3、二极管D1、二极管D2、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电感L1、电感L2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、稳压管DW1、BCD旋转编码器SW1组成。单火线稳压器U1的型号为MP-6V-02S，低压差稳压器U2的型号为HT7233，可控硅输出光耦U3的型号为MOC3053，控制单片机U4的型号是MSP430G2553。

单火线输入端AC是壁控开关单元的模拟地，连接至单火线稳压器U1的交流电压公共端COM；电容C1的两端分别连接至单火线稳压器U1的滤波电容输入端FIL和交流电压公共端COM；单火线稳压器U1的直流输出电压地GND端为壁控开关单元的数字地，电感L2的两端分别连接至壁控开关单元的数字地和模拟地；二极管D1、电感L1和电容C2组成半波整流滤波电路，半波整流滤波电路的输入连接至单火线输出端AC1、输出连接至单火线稳压器U1的直流高压输入端HDC。单火线稳压器U1还设有直流电压输出端VCC、交流电压端AC。单火线稳压器U1及其外围元件组成的电路具有单火线关态取电功能，也具有开态取电功能。

低压差稳压器U2的输入端VIN连接至单火线稳压器U1的直流电压输出端VCC，输出端VOUT输出+3.3V的直流工作电源VDD，向控制单片机U4及可控硅输出光耦U3提供工作电源；低压差稳压器U2的地端GND连接至壁控开关单元的数字地；电容C3、电容C4分别为低压差稳压器U2的输入电压、输出电压滤波电容。

双向晶闸管V1的两个阳极端分别连接至单火线输出端AC1和单火线稳压器U1的交流电压端AC；电阻R1并联在双向晶闸管V1的两个阳极端；可控硅输出光耦U3的输出可控硅与电阻R2串联，其串联支路连接至双向晶闸管V1的第一阳极和控制极；可控硅输出光耦U3的输入发光二极管与电阻R3串联，其串联支路一端连接至直流工作电源VDD，另外一端为触发信号输入端。

电阻R4的两端分别连接至二极管D2阴极和稳压管DW1阴极；二极管D2阳极连接至单火线输出端AC1；稳压管DW1阳极连接至壁控开关单元的模拟地；电阻R5并联在稳压管DW1两端。交流电源过零信号从稳压管DW1阴极输出。

BCD旋转编码器SW1输出BCD编码0000－1001作为亮度给定信号，其中，BCD编码0001－1001代表亮度1－9，BCD编码为0000时，代表熄灭LED灯；图2中，BCD旋转编码器SW1处于档位“7”，输出的BCD编码为0111。还可以采用电位器对直流工作电源VDD进行分压，输出范围在0－3.3V的亮度给定电压作为亮度给定信号；将电位器输出的0－3.3V的亮度给定电压平均分成10个区间，最低电压区间与BCD旋转编码器SW1的编码0000对应，最高电压区间与BCD旋转编码器SW1的编码1001对应。

交流电源过零信号从控制单片机U4的P2.0输入，触发信号从控制单片机U4的P1.1输出，BCD旋转编码器SW1输出的BCD编码从控制单片机U4的P2.4－P2.1输入。如果采用电位器替代BCD旋转编码器SW1，则电位器的输出电压连接至控制单片机U4模拟电压输入端A0(P1.0)。控制单片机U4通过读取P2.4－P2.1输入的BCD编码，或者是对模拟电压输入端A0输入的亮度给定电压进行A/D转换，得到亮度给定信号0－9。

壁控开关单元通过控制单火线输出端AC1输出的电压波形来发送亮度控制信号，当壁控开关单元维持不发出亮度控制信号状态时，控制单片机U4持续输出低电平触发信号，双向晶闸管V1除过零点外持续导通，单火线输出端AC1输出的电压波形为连续完整的单相正弦波，负载LED灯处于开态。从图2可知，触发信号低电平有效；控制单片机U4从控制单片机U4的P1.1持续输出高电平，即持续停止触发信号输出时，双向晶闸管V1处于持续关断状态，负载LED灯处于关态。

当壁控开关单元需要发送一次亮度控制信号时，一次亮度控制信号的波形由引导波形和紧接的数据波形组成；引导波形由一个不导通的负半波，紧接一个完整导通的正半波组成；引导波形也可以由一个不导通的完整周波，紧接一个完整导通的正半波组成。

数据波形由一个周波的移相波形组成，负半波为移相角β₁，正半波为移相角β₀；移相角β₁、移相角β₀的值可以分别为移相角α₂、α₁、α₀中的一个，移相角α₂、α₁、α₀分别对应三进制数码值2、1、0。

亮度控制信号有从低到高9档不同亮度，由2位三进制亮度数据组成；从低到高9档不同亮度对应的2位三进制亮度数据是00、01、10、11、02、20、12、21、22；移相角β₁为2位三进制亮度数据的高位，移相角β₀为2位三进制亮度数据的低位。

移相角α₂、α₁、α₀满足α₂<α₁<α₀的关系，典型值取α₂＝45°，α₁＝90°，α₀＝135°，如图3所示。移相角α₂、α₁、α₀也可以取值α₂＝0°，α₁＝45°，α₀＝90°，或者是取值α₂＝0°，α₁＝30°，α₀＝60°。

如图4所示的是发送2位三进制亮度数据21的波形示例图，其中，图4中的(a)为单火线输出端AC1输出的亮度控制信号电压波形，图4中的(b)为交流电源过零信号电压波形，图4中的(c)为亮度控制信号负半波整流整形后电压波形，图4中的(d)为亮度控制信号正半波整流整形后电压波形。

单火线输出端AC1输出连续完整的单相正弦波时，单火线输出端AC1与单火线输入端AC之间的电压差很小，稳压管DW1阴极不会输出交流电源过零信号，交流电源过零信号维持为低电平状态。

控制单片机U4需要发送一次亮度控制信号时，随机停止触发信号输出，即控制单片机U4的P1.1随机从低电平变成高电平。当停止输出触发信号的时刻在交流电源正半波期间时，该正半波双向晶闸管V1已经导通，接下来的负半波双向晶闸管V1不导通，稳压管DW1阴极在整个负半波输出交流电源过零信号，交流电源过零信号为对应交流电源负半波的正脉冲，如图4中的脉冲1所示，脉冲1宽度接近10ms。控制单片机U4在脉冲1的下降沿处发出一个不超过10ms的触发脉冲，控制双向晶闸管V1接下来的正半波导通；同时将脉冲1的下降沿作为过零计时起点，10ms后为移相角β₁的过零点，20ms后为移相角β₀的过零点。图4中，负半波移相角β₁的值为α₂，相应的负半波整流整形后电压波形为脉冲2；正半波移相角β₀的值为α₁，相应的正半波整流整形后电压波形为脉冲3；亮度控制信号对应的2位三进制亮度数据是21。

当控制单片机U4需要发送一次亮度控制信号，随机停止触发信号输出的时刻在交流电源负半波期间时，该负半波双向晶闸管V1已经导通，接下来的正半波双向晶闸管V1不导通，但由于二极管D2的单向特性，正半波双向晶闸管V1不导通，不会在稳压管DW1阴极输出交流电源过零信号；直到再接下来的负半波双向晶闸管V1不导通，稳压管DW1阴极在整个负半波输出交流电源过零信号，交流电源过零信号为正脉冲。示例如图5所示，图5中的(a)为单火线输出端AC1输出的亮度控制信号电压波形，图5中的(b)为交流电源过零信号电压波形，图5中的(c)为亮度控制信号负半波整流整形后电压波形，图5中的(d)为亮度控制信号正半波整流整形后电压波形。图5中的脉冲4为交流电源过零信号正脉冲，其宽度接近10ms。控制单片机U4在脉冲4的下降沿处发出一个不超过10ms的触发脉冲，控制双向晶闸管V1接下来的正半波导通；同时将脉冲4的下降沿作为过零计时起点，10ms后为移相角β₁的过零点，20ms后为移相角β₀的过零点。图5中，负半波移相角β₁的值为α₁，相应的负半波整流整形后电压波形为脉冲5；正半波移相角β₀的值为α₀，相应的正半波整流整形后电压波形为脉冲6；亮度控制信号对应的2位三进制值是10。

2位三进制亮度数据对应亮度给定信号1－9，亮度从低到高的顺序依次为00、01、10、11、02、20、12、21、22。采用该顺序的原因是，亮度增加，亮度控制信号电压的有效值增大，确保发送亮度控制信号不影响LED灯的当前亮度。

亮度给定信号为0时，控制单片机U4停止输出触发信号，即控制单片机U4从控制单片机U4的P1.1持续输出高电平，双向晶闸管V1关断，LED灯熄灭，单火线输出端AC1流过微电流。

图6为亮度控制信号发送控制方法，通过控制单片机U4中的程序实现，其方法是：步骤A，判断是否关闭LED灯，是则关闭LED灯，转到步骤C；否则转到步骤B；

步骤B，发出一次亮度控制信号；

步骤C，判断亮度给定信号是否发生改变，亮度给定信号发生改变，返回步骤A；亮度给定信号没有发生改变，返回步骤C。

当壁控开关单元不发出亮度控制信号，LED灯处在点亮状态时，单火线输出端AC1输出的电压波形为连续完整的单相正弦波。

LED灯调节驱动单元结构如图7所示，由单片机调节模块、LED驱动模块组成，单片机调节模块和LED驱动模块的交流输入端均连接至火线输入端AC1、零线输入端N。

LED驱动模块用于驱动LED灯点亮，所有设有PWM亮度调节信号输入端的LED驱动模块都适用于本发明。

单片机调节模块设有PWM亮度调节信号输出端并连接至LED驱动模块的PWM亮度调节信号输入端。

单片机调节模块的实施例电路如图8所示。

图8所示实施例中，单片机调节模块由调节单片机U5、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、稳压管DW2、稳压管DW3、稳压管DW4、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C5、晶振XT2组成。

二极管D3、二极管D4阴极、二极管D5、二极管D6、电容C5、电阻R6、稳压管DW2组成整流稳压电路，向调节单片机U5提供电源。

二极管D8、电阻R8、稳压管DW4组成负半波整流整形电路，稳压管DW4上得到的负半波波形如图4中的(c)、图5中的(c)所示；二极管D7、电阻R7、稳压管DW3组成正半波整流整形电路，稳压管DW3上得到的正半波波形如图4中的(d)、图5中的(d)所示。正半波整流整形电路和负半波整流整形电路分别对火线输入端AC1输入的交流电压进行正半波整流整形和负半波整流整形。正半波整流整形电路的输出、负半波整流整形电路的输出分别连接至调节单片机U5的捕捉比较输入端P2.0、比较输入端P2.1。

调节单片机U5型号为MSP430G2553，其PWM输出端P1.2为所述PWM亮度调节信号输出端。调节单片机U5的电源负输入端VSS连接至公共参考地。

LED驱动模块用于驱动LED灯点亮，设有PWM亮度调节信号输入端的LED驱动模块都可以适用于本发明，图9所示仅为其中的一个实施例电路。

图9中，LED驱动模块由LED驱动器U6、二极管D9、二极管D10、二极管D11、二极管D12、电容C6、电容C7、电容C8、电感L3、快恢复二极管D13、开关管VD、电阻R9、电阻R10组成。LED驱动器U6的型号为HV9910。

图9中，二极管D9、二极管D10、二极管D11、二极管D12组成单相桥式整流电路。单相桥式整流电路的2个交流输入端分别连接至火线输入端AC1、零线输入端N，直流输出负端连接至公共参考地，直流输出正端连接至电容C6正极、电容C7的一端、LED驱动器U6的电源输入端VIN、电感L3的一端、快恢复二极管D13阴极。LED驱动器U6的地输入端GND连接至公共参考地。电容C6负极、电容C7的另一端连接至公共参考地。快恢复二极管D13阳极与开关管VD的漏极联结后作为大功率LED灯的负极性连接端LED－，电感L3的另外一端作为大功率LED灯的正极性连接端LED+。开关管VD的源极与电阻R9一端联结后连接至所述LED驱动器U6的LED电流检测端CS；电阻R9的另一端连接至公共参考地。开关管VD的栅极连接至LED驱动器U6的驱动端GATE；电阻R10的一端连接至LED驱动器U6的振荡频率控制端RT、另一端连接至公共参考地。电容C8正极连接至LED驱动器U6的控制电压输出端VDD和线性电流控制端LD、负极连接至公共参考地。LED驱动器U6的使能控制端PWM_D为所述PWM亮度调节信号输入端。

LED灯调节驱动单元由单片机调节模块接收亮度控制信号并控制亮度，如图10所示，其方法是，

步骤一，初始化，控制LED灯为初始亮度；

步骤二，判断单火线上是否有亮度控制信号；没有亮度控制信号，返回步骤二；有亮度控制信号，转到步骤三；

步骤三，接收亮度控制信号，得到2位三进制亮度数据；

步骤四，改变LED灯亮度，返回步骤二。

初始亮度可以设置为9档不同亮度中的任何一个，例如，设置为亮度1。

判断单火线上是否有亮度控制信号，方法为判断单火线上是否有亮度控制信号的引导波形。正常情况下，火线输入端AC1输入的电压波形为连续完整的单相正弦波，负半波整流整形电路输出的波形为周期20ms、脉冲宽度近10ms的矩形波。壁控开关单元发送一次亮度控制信号时，其引导波形造成一个负半波的缺失，如图4中的(c)与图4中的(b)脉冲1对应位置的负半波脉冲缺失，如图5中的(c)与图5中的(b)脉冲7对应位置的负半波脉冲缺失。单片机调节模块判断出负半波整流整形电路输出的波形有负半波脉冲缺失，且接下来的正半波整流整形电路输出的正半波波形完整，对应的正半波脉冲为图4中的脉冲2，或者图5中的脉冲8，即可判断出单火线上有亮度控制信号的引导波形。

接收亮度控制信号，得到2位三进制亮度数据，方法为依次测量数据波形负半波的导通角和正半波的导通角，计算得到负半波移相角β₁和正半波移相角β₀后，再转换成2位三进制亮度数据。图4中脉冲2的宽度、图5中脉冲5的宽度为数据波形负半波的导通角，图4中脉冲3的宽度、图5中脉冲6的宽度为数据波形正半波的导通角。移相角与导通角之和为180°，或者为时间10ms。负半波移相角β₁、正半波移相角β₀分别选择与移相角α₂、α₁、α₀中最接近的一个，来分别确定对应三进制数码值2、1、0。

改变LED灯亮度，通过改变连接至LED驱动器U6使能控制端PWM_D的PWM亮度调节信号的占空比实现。

在图1中，壁控开关单元是单火线AC进，单火线AC1出；LED灯调节驱动单元火线AC1进，零线N出。从抗干扰的角度考虑，将图1中的火线AC与零线N位置对调，本发明所述方法仍然有效，且抗干扰能力更强。

本发明所述方法具有如下特点：

①采用单火线方式控制LED灯亮度，无需遥控器，无需控制线，也不用重新敷设电源线；②LED灯亮度调节共分9档，采用旋钮装置调节，符合操作习惯；

③单火线上的亮度控制信号仅仅是在改变亮度时进行短时发送；

④具有关灯功能。

Claims (10)

1.一种控制LED灯亮度的单火线低谐波调节方法，由壁控开关单元、LED灯调节驱动单元组成的装置实现，所述壁控开关单元设有单火线输入端、单火线输出端，所述单火线输入端连接至交流电源火线；所述LED灯调节驱动单元设有火线输入端、零线输入端，其中，所述火线输入端连接至壁控开关单元的单火线输出端，所述零线输入端连接至交流电源零线；其特征在于：

所述壁控开关单元包括单火线稳压器、低压差稳压器、双向晶闸管、控制单片机、晶振XT1、可控硅输出光耦、二极管D1、二极管D2、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电感L1、电感L2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、稳压管DW1、BCD旋转编码器；

单火线输入端是壁控开关单元的模拟地，连接至单火线稳压器的交流电压公共端；电容C1的两端分别连接至单火线稳压器的滤波电容输入端和交流电压公共端；单火线稳压器的直流输出电压地端为壁控开关单元的数字地，电感L2的两端分别连接至壁控开关单元的数字地和模拟地；二极管D1、电感L1和电容C2组成半波整流滤波电路，半波整流滤波电路的输入连接至单火线输出端、输出连接至单火线稳压器的直流高压输入端；单火线稳压器还设有直流电压输出端、交流电压端；

低压差稳压器的输入端连接至单火线稳压器的直流电压输出端，输出端输出直流工作电源VDD，向控制单片机提供工作电源；低压差稳压器的地端连接至壁控开关单元的数字地；电容C3、电容C4分别为低压差稳压器的输入电压、输出电压滤波电容；

双向晶闸管的两个阳极端分别连接至单火线输出端和单火线稳压器的交流电压端；电阻R1并联在双向晶闸管的两个阳极端；可控硅输出光耦的输出可控硅与电阻R2串联，其串联支路连接至双向晶闸管的第一阳极和控制极；可控硅输出光耦的输入发光二极管与电阻R3串联，其串联支路一端连接至直流工作电源，另外一端为触发信号输入端；

电阻R4的两端分别连接至二极管D2阴极和稳压管DW1阴极；二极管D2阳极连接至单火线输出端；稳压管DW1阳极连接至壁控开关单元的模拟地；电阻R5并联在稳压管DW1两端；交流电源过零信号从稳压管DW1阴极输出，过零信号被送至控制单片机；

BCD旋转编码器输出BCD编码作为亮度给定信号，亮度给定信号被送至控制单片机；

触发信号从控制单片机输出，并被送至触发信号输入端；

壁控开关单元由控制单片机控制单火线输出端输出的电压波形来发送亮度控制信号，其方法是，

步骤A，判断是否关闭LED灯，是则关闭LED灯，转到步骤C；否则转到步骤B；

步骤B，发出一次亮度控制信号；

步骤C，判断亮度给定信号是否发生改变，亮度给定信号发生改变，返回步骤A；亮度给定信号没有发生改变，维持不发出亮度控制信号状态，返回步骤C；

控制单片机持续输出触发信号，单火线输出端输出的电压波形为连续完整的单相正弦波，稳压管DW1阴极不输出交流电源过零信号；

发出一次亮度控制信号时，控制单片机随机停止触发信号输出；当停止输出触发信号的时刻在交流电源正半波期间时，双向晶闸管在接下来的交流电源负半波不导通，在接下来的交流电源负半波从稳压管DW1阴极输出交流电源过零信号，交流电源过零信号为对应该不导通的交流电源负半波的正脉冲；当停止触发信号输出的时刻在交流电源负半波期间时，双向晶闸管在接下来的交流电源正半波和下一个交流电源负半波均不导通，在该不导通的交流电源正半波不从稳压管DW1阴极输出交流电源过零信号，在下一个交流电源负半波从稳压管DW1阴极输出交流电源过零信号，交流电源过零信号为对应下一个交流电源负半波的正脉冲。

2.根据权利要求1所述的控制LED灯亮度的单火线低谐波调节方法，其特征在于：

所述维持不发出亮度控制信号状态，当LED灯处在关闭状态时，单火线输出端流过微电流；所述维持不发出亮度控制信号状态，当LED灯处在点亮状态时，单火线输出端输出的电压波形为连续完整的单相正弦波。

3.根据权利要求2所述的控制LED灯亮度的单火线低谐波调节方法，其特征在于：

所述发出一次亮度控制信号，包括发出引导波形，再紧接着发出数据波形；

所述引导波形由一个不导通的负半波，紧接一个完整导通的正半波组成；所述引导波形或者由一个不导通的完整周波，紧接一个完整导通的正半波组成；

所述数据波形由一个周波的移相波形组成，负半波为移相角β₁，正半波为移相角β₀；

所述移相角β₁、移相角β₀的值分别为移相角α₂、α₁、α₀中的一个，移相角α₂、α₁、α₀分别对应三进制数码值2、1、0；

所述亮度控制信号有从低到高9档不同亮度，由2位三进制亮度数据组成。

4.根据权利要求3所述的控制LED灯亮度的单火线低谐波调节方法，其特征在于：

将交流电源过零信号的正脉冲下降沿作为过零计时起点，10ms后为移相角β₁的过零点，20 ms后为移相角β₀的过零点。

5.根据权利要求3所述的控制LED灯亮度的单火线低谐波调节方法，其特征在于：所述移相角β₁为2位三进制亮度数据的高位，移相角β₀为2位三进制亮度数据的低位。

6.根据权利要求3所述的控制LED灯亮度的单火线低谐波调节方法，其特征在于：所述移相角α₂、α₁、α₀满足α₂ < α₁ < α₀的关系。

7.根据权利要求3所述的控制LED灯亮度的单火线低谐波调节方法，其特征在于：所述移相角α₂ = 45°，α₁ = 90°，α₀ = 135° 。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的控制LED灯亮度的单火线低谐波调节方法，其特征在于：

所述LED灯调节驱动单元由单片机调节模块、LED驱动模块组成；

所述LED驱动模块设有交流输入端和LED灯驱动端，其中，交流输入端连接至LED灯调节驱动单元的火线输入端和零线输入端，LED灯驱动端连接至LED灯；所述LED驱动模块还设有PWM亮度调节信号输入端；

所述单片机调节模块包括有调节单片机、正半波整流整形电路、负半波整流整形电路和整流稳压电路，设有交流输入端、PWM亮度调节信号输出端；所述交流输入端连接至LED灯调节驱动单元的火线输入端和零线输入端，PWM亮度调节信号输出端连接至LED驱动模块的PWM亮度调节信号输入端；所述正半波整流整形电路和负半波整流整形电路分别对火线输入端输入的交流电压进行正半波整流整形和负半波整流整形；所述正半波整流整形电路的输出、负半波整流整形电路的输出分别连接至调节单片机不同的脉冲捕捉输入端。

9.根据权利要求8所述的控制LED灯亮度的单火线低谐波调节方法，其特征在于：

所述LED灯调节驱动单元由单片机调节模块接收亮度控制信号并调节LED灯亮度，其方法是，

步骤一，初始化，控制LED灯为初始亮度；

步骤二，判断单火线上是否有亮度控制信号；没有亮度控制信号，返回步骤二；有亮度控制信号，转到步骤三；

步骤三，接收亮度控制信号，得到2位三进制亮度数据；

步骤四，改变LED灯亮度；返回步骤二；

所述判断单火线上是否有亮度控制信号，方法为判断单火线上是否有亮度控制信号的引导波形；

所述接收亮度控制信号，得到2位三进制亮度数据，方法为依次测量数据波形负半波的导通角和正半波的导通角，计算得到负半波的移相角β₁和正半波的移相角β₀后，再转换成2位三进制亮度数据；

所述改变LED灯亮度，由单片机调节模块改变连接至LED灯调节驱动单元的PWM亮度调节信号的占空比实现。

10.根据权利要求9所述的控制LED灯亮度的单火线低谐波调节方法，其特征在于：所述判断单火线上是否有亮度控制信号的引导波形，方法为判断负半波整流整形电路输出的波形有负半波脉冲缺失，且接下来的正半波整流整形电路输出的正半波波形完整。

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