模擬路燈節能控制系統的設計

1 引言

在倡導綠色用電的今天，路燈節能控制日益成為人們關注的話題，這里設計并制作一套模擬路燈節能控制系統。節能控制系統結構如圖1 所示。

圖1 模擬路燈節能控制系統結構圖

模擬路燈節能控制系統實現的功能: 支路控制器有時鐘功能，能設定、顯示開關燈時間，控制整條支路按時開燈和關燈; 能根據環境明暗變化，自動開燈和關燈，能根據交通情況自動調節亮燈狀態;并能分別獨立控制單只路燈的開燈和關燈時間; 當圖1 模擬路燈節能控制系統結構圖路燈出現故障時( 燈不亮) ，支路控制器發出聲光報警信號，并顯示有故障路燈的地址編號。單元控制器具有調光功能，路燈驅動電源輸出功率能在規定時間按設定要求自動減小，該功率應能在20% ～100% 范圍內設定并調節，調節誤差≤2%。

2 總體設計方案

2. 1 設計思路

設計采用PWM 脈寬調制技術和恒流源電路對路燈的驅動和亮度調節。通過單片機和傳感器及其檢測電路完成路燈工作狀態的控制。顯示部分利用液晶顯示模塊，菜單式操作，顯示時間、故障路燈地址、支路開關燈時間、每只燈的開關時間等功能。

2. 2 設計原理

根據模擬路燈節能控制系統結構圖，將整體電路分成為五部分: 環境控制電路、時鐘電路、交通狀況的傳感器檢測電路、顯示控制模塊、LED 恒流驅動及故障檢測電路。

2. 2. 1 環境控制電路

利用光敏電阻的阻值與光照度呈反比例關系，采樣其兩端的電壓信號，利用采樣的電壓信號通過施密特觸發器輸出的TTL 電平來控制LED 燈的開關。電路可靠，有效地避免由于短時間光照劇烈變化引起的誤動作，操作者可以通過電位器方便的進行調試。

2. 2. 2 時鐘電路

使用時鐘專用芯片DS1302 進行時鐘控制， 通過外加很少的電路就可以實現高精度的時鐘信號。

外圍電路簡單可靠，時間精度高，采用串口通信可以節省I /O 口的資源，通過外接鋰電池后可以實現時間信息儲存。

2. 2. 3 交通狀況的傳感器檢測電路

使用紅外傳感器， 來判斷物體是否通過相關位置，并送入單片機判斷執行相關程序。它具有光電傳感器的優點，又避免了LED 燈的燈光干擾。

2. 2. 4 顯示控制模塊

使用128 × 64 液晶點陣進行信息顯示，使用獨立鍵盤進行功能切換和時間調整。信息量大，外圍電路簡單，通過下拉式菜單方便操作，人機界面友好。

2. 2. 5 LED 恒流驅動及故障檢測電路

利用三端可調穩壓集成塊LM317，實現恒流輸出。PWM 脈寬調制法來控制燈的亮度，可以精確的控制燈的亮度和功率，而且LED 燈在從暗到亮的變化中過度平滑。可以選用單片機內部集成有兩路PWM脈寬，能方便的產生所需要的PWM 脈寬調制信號。

2. 3 系統組成

2. 3. 1 根據以上的設計思路及設計原理確定系統組成框圖如圖2。

圖2 系統組成框圖

2. 3. 2 每只LED 燈控制邏輯關系圖

每只LED 燈控制邏輯關系圖如圖3 所示。在規定的時間條件成立( 開燈時間) 或環境明暗條件成立( 暗到一定程度) 的情況下開燈; 當有物體( 如人、車等) 通過到規定的區域內時燈亮， 當物體離開規定區域時燈滅，實現節能要求。

圖3 LED 燈控制邏輯關系圖

3 單元電路設計

3. 1 環境光控制電路

環境控制電路是對環境光亮度的檢測，將檢測信號送單片機P15， 從而實現自動開燈關燈。圖4為環境控制電路圖。

明暗檢測采用光敏電阻RG1 和R12 ( RP2 ) 分壓，提取電壓信號，送到由555 定時器組成的施密特觸發器。當環境暗到一定程度( 通過RP2 可以方便的調節) ，RG1 阻值上升，施密特觸發器翻轉， 將電平信號送單片機處理。C8 為抗干擾設計， 如天暗時，閃電的干擾，C8 使555 的2 腳電壓不會突變，防止誤動作。D2 為指示燈，方便調試。

圖4 環境控制電路圖

3. 2 時鐘電路

DS1302 是一款高精度時鐘集成電路，它可以進行年、月、日、星期、時、分、秒計時，功能強大。

電路如圖5 所示。

圖5 時鐘電路圖

3. 3 交通狀況的傳感器檢測電路

傳感器檢測電路如圖6 所示。

傳感器采用E18-D80NK 紅外傳感器，是一種集發射與接收于一體的光電傳感器。檢測到目標是低電平輸出，正常狀態是高電平輸出; 檢測距離可以根據要求進行調節。

圖6 傳感器檢測電路圖

3. 4 顯示控制模塊

顯示控制模塊如圖7 所示。控制見軟件設計。

圖7 顯示控制模塊

3. 5 LED 恒流驅動及故障檢測電路

恒流驅動及故障檢測電路如圖8 所示。

圖8 是其中一路LED 恒流驅動電路。恒流驅動最簡單的兩端線性恒流驅動電路。它借用三端集成穩壓器LM317 組成恒流電路，外圍僅用兩個元件:

電流取樣電阻R42 和抗干擾消振電容C9。J9、J10、J12 分別是路燈、壓降測試端、電流測試端。

恒流值I 由R42 值來確定: I = 1. 25 /R42。

1. 25 V 是LM317 的基準電壓。反過來，根據所要求的恒流值I， 可計算電流取樣電阻: R42 =1. 25 / I。

LM317 最大輸出電流可達1. 5 A，工作壓差≤40V，穩流精度高，可達± 1 ～ 2% ，內部設有過流、過熱保護，使用安全可靠。

LM317 工作在線性狀態， 其功率損耗P = UI，在恒流值I 已定的情況下，只有降低工作壓差U 才能降低功耗。合適的工作壓差選擇在4 ～ 8V 范圍。

低于3V 將不恒流了。

單片機輸出PWM 加在IRF540 柵極，控制其通斷，來達到調整LED 亮度( 功率) 的功能。PWM頻率一般取值經驗500 ～ 1000Hz，通過信號發生器實際測試PWM 占空比在20 ～ 100% 范圍調節，頻率到1000Hz 左右時路燈無閃爍感。

故障檢測電路，采集IRF540 漏極電壓，經D6、R40、C7 峰值檢波電路得到直流電壓信號， 與LM393 組成的比較器的2 腳電壓比較輸出電平信號送單片機P10 檢測。按圖元件取值，實測路燈正常時，C7 電壓為3. 3V，斷路故障時0V，短路故障時7. 2V。實際電路只做了檢測斷路故障， 平時P1. 0為高電平，斷路故障時3932 腳電壓為0V，比較器翻轉輸出低電平。R39 調節比較器基準電壓，可以在1V 左右，防止干擾信號。R37 取值關鍵， 影響C7 的放電時間。經實驗取300K 較合適。短路檢測原理同上。注意PWM 的占空比只能在20% ～99. 5% 之間調節，當輸出100% 的PWM 時，IRF540始終處于導通狀態，C7 不會被充電， 會影響故障檢測。

圖8 恒流驅動及故障檢測電路

圖9 鍵盤及液晶顯示流程圖

4 軟件設計

軟件設計的關鍵是按要求對路燈控制和液晶的操作界面設置。

4. 1 軟件實現的功能

(1) 時鐘功能。( 2 ) 路燈控制。( 3 ) 2 路PWM 控制。(4) 鍵盤及液晶顯示。

4. 2 鍵盤及液晶顯示

液晶顯示和功能設置采用菜單式操作，流程圖如圖9 所示。液晶帶漢字庫，操作界面友好方便，設置四個多功能鍵和一個返回鍵完成整個路燈控制設置和PWM 輸出。

4. 3 路燈控制流程圖

圖10 路燈控制流程圖

5 系統測試

5. 1 時鐘設置測試

通過菜單操作，進入時間設定，和開關燈設置。

設置當前時間在開關燈時間內: 實測時，當前時間設置為20 點、兩路燈的開燈均設置為18 點、關燈時間設置均為為6 點。移動物體按設計要求進行測試，滿足要求。

5. 2 環境明暗變化測試

晚上，用物體遮擋光敏電阻， 調節PR2 關燈，指示燈D2 滅，表示調好。關燈移動物體按設計要求進行測試，滿足要求。

5. 3 獨立時間控制設置

將兩燈開關時間分別設置。一路滿足開燈時間條件，一路不滿足時間條件。

移動物體按基本要求進行測試，滿足開燈時間條件的路燈會按要求亮滅，不滿足時間條件的路燈長滅。交換兩路燈開燈條件結果一致。

5. 4 將路燈1 去掉( 模擬斷路) ，滿足時間條件，移動物體按基本要求路燈1 應該亮，蜂鳴器響，同時示警燈閃爍，液晶顯示L1 故障。路燈2 同樣滿足要求。實際的LED 燈故障基本都是斷路，所以僅作斷路檢測。

5. 5 由于路燈LED 亮滅時由PWM 控制， 只要PWM 信號能在20 ～ 100% 內調節， 誤差小于2% ，則路燈電源的輸出功率就能滿足設計要求。實際測試PWM 信號只能在20% ～ 99% 間調節( 見2. 5 所示) ，最大誤差1% ，滿足設計要求。

6 結束語

模擬路燈節能控制系統經測試完全滿足設計要求和工作需要，控制系統操作界面簡單易懂，單電源供電使電路簡潔明快，成本低廉; 環境光控制電路、恒流驅動及故障檢測電路設計特色突出，交通狀況的傳感器檢測電路經濟實用，整個模擬路燈節能控制系統的應用前景廣泛，具有開發應用價值。