模擬路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 引言

在倡導(dǎo)綠色用電的今天，路燈節(jié)能控制日益成為人們關(guān)注的話題，這里設(shè)計(jì)并制作一套模擬路燈節(jié)能控制系統(tǒng)。節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 模擬路燈節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

模擬路燈節(jié)能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能: 支路控制器有時(shí)鐘功能，能設(shè)定、顯示開關(guān)燈時(shí)間，控制整條支路按時(shí)開燈和關(guān)燈; 能根據(jù)環(huán)境明暗變化，自動(dòng)開燈和關(guān)燈，能根據(jù)交通情況自動(dòng)調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài);并能分別獨(dú)立控制單只路燈的開燈和關(guān)燈時(shí)間; 當(dāng)圖1 模擬路燈節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖路燈出現(xiàn)故障時(shí)( 燈不亮) ，支路控制器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并顯示有故障路燈的地址編號(hào)。單元控制器具有調(diào)光功能，路燈驅(qū)動(dòng)電源輸出功率能在規(guī)定時(shí)間按設(shè)定要求自動(dòng)減小，該功率應(yīng)能在20% ～100% 范圍內(nèi)設(shè)定并調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)誤差≤2%。

2 總體設(shè)計(jì)方案

2. 1 設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)采用PWM 脈寬調(diào)制技術(shù)和恒流源電路對(duì)路燈的驅(qū)動(dòng)和亮度調(diào)節(jié)。通過單片機(jī)和傳感器及其檢測(cè)電路完成路燈工作狀態(tài)的控制。顯示部分利用液晶顯示模塊，菜單式操作，顯示時(shí)間、故障路燈地址、支路開關(guān)燈時(shí)間、每只燈的開關(guān)時(shí)間等功能。

2. 2 設(shè)計(jì)原理

根據(jù)模擬路燈節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，將整體電路分成為五部分: 環(huán)境控制電路、時(shí)鐘電路、交通狀況的傳感器檢測(cè)電路、顯示控制模塊、LED 恒流驅(qū)動(dòng)及故障檢測(cè)電路。

2. 2. 1 環(huán)境控制電路

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

2. 2. 2 時(shí)鐘電路

使用時(shí)鐘專用芯片DS1302 進(jìn)行時(shí)鐘控制， 通過外加很少的電路就可以實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)鐘信號(hào)。

外圍電路簡(jiǎn)單可靠，時(shí)間精度高，采用串口通信可以節(jié)省I /O 口的資源，通過外接鋰電池后可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間信息儲(chǔ)存。

2. 2. 3 交通狀況的傳感器檢測(cè)電路

使用紅外傳感器， 來判斷物體是否通過相關(guān)位置，并送入單片機(jī)判斷執(zhí)行相關(guān)程序。它具有光電傳感器的優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)陣進(jìn)行信息顯示，使用獨(dú)立鍵盤進(jìn)行功能切換和時(shí)間調(diào)整。信息量大，外圍電路簡(jiǎn)單，通過下拉式菜單方便操作，人機(jī)界面友好。

2. 2. 5 LED 恒流驅(qū)動(dòng)及故障檢測(cè)電路

利用三端可調(diào)穩(wěn)壓集成塊LM317，實(shí)現(xiàn)恒流輸出。PWM 脈寬調(diào)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?？梢赃x用單片機(jī)內(nèi)部集成有兩路PWM脈寬，能方便的產(chǎn)生所需要的PWM 脈寬調(diào)制信號(hào)。

2. 3 系統(tǒng)組成

2. 3. 1 根據(jù)以上的設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)原理確定系統(tǒng)組成框圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

2. 3. 2 每只LED 燈控制邏輯關(guān)系圖

每只LED 燈控制邏輯關(guān)系圖如圖3 所示。在規(guī)定的時(shí)間條件成立( 開燈時(shí)間) 或環(huán)境明暗條件成立( 暗到一定程度) 的情況下開燈; 當(dāng)有物體( 如人、車等) 通過到規(guī)定的區(qū)域內(nèi)時(shí)燈亮， 當(dāng)物體離開規(guī)定區(qū)域時(shí)燈滅，實(shí)現(xiàn)節(jié)能要求。

圖3 LED 燈控制邏輯關(guān)系圖

3 單元電路設(shè)計(jì)

3. 1 環(huán)境光控制電路

環(huán)境控制電路是對(duì)環(huán)境光亮度的檢測(cè)，將檢測(cè)信號(hào)送單片機(jī)P15， 從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開燈關(guān)燈。圖4為環(huán)境控制電路圖。

明暗檢測(cè)采用光敏電阻RG1 和R12 ( RP2 ) 分壓，提取電壓信號(hào)，送到由555 定時(shí)器組成的施密特觸發(fā)器。當(dāng)環(huán)境暗到一定程度( 通過RP2 可以方便的調(diào)節(jié)) ，RG1 阻值上升，施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)， 將電平信號(hào)送單片機(jī)處理。C8 為抗干擾設(shè)計(jì)， 如天暗時(shí)，閃電的干擾，C8 使555 的2 腳電壓不會(huì)突變，防止誤動(dòng)作。D2 為指示燈，方便調(diào)試。

圖4 環(huán)境控制電路圖

3. 2 時(shí)鐘電路

DS1302 是一款高精度時(shí)鐘集成電路，它可以進(jìn)行年、月、日、星期、時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)，功能強(qiáng)大。

電路如圖5 所示。

圖5 時(shí)鐘電路圖

3. 3 交通狀況的傳感器檢測(cè)電路

傳感器檢測(cè)電路如圖6 所示。

傳感器采用E18-D80NK 紅外傳感器，是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器。檢測(cè)到目標(biāo)是低電平輸出，正常狀態(tài)是高電平輸出; 檢測(cè)距離可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖6 傳感器檢測(cè)電路圖

3. 4 顯示控制模塊

顯示控制模塊如圖7 所示?？刂埔娷浖O(shè)計(jì)。

圖7 顯示控制模塊

3. 5 LED 恒流驅(qū)動(dòng)及故障檢測(cè)電路

恒流驅(qū)動(dòng)及故障檢測(cè)電路如圖8 所示。

圖8 是其中一路LED 恒流驅(qū)動(dòng)電路。恒流驅(qū)動(dòng)最簡(jiǎn)單的兩端線性恒流驅(qū)動(dòng)電路。它借用三端集成穩(wěn)壓器LM317 組成恒流電路，外圍僅用兩個(gè)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(cè)試端、電流測(cè)試端。

恒流值I 由R42 值來確定: I = 1. 25 /R42。

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

LM317 最大輸出電流可達(dá)1. 5 A，工作壓差≤40V，穩(wěn)流精度高，可達(dá)± 1 ～ 2% ，內(nèi)部設(shè)有過流、過熱保護(hù)，使用安全可靠。

LM317 工作在線性狀態(tài)， 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(jī)輸出PWM 加在IRF540 柵極，控制其通斷，來達(dá)到調(diào)整LED 亮度( 功率) 的功能。PWM頻率一般取值經(jīng)驗(yàn)500 ～ 1000Hz，通過信號(hào)發(fā)生器實(shí)際測(cè)試PWM 占空比在20 ～ 100% 范圍調(diào)節(jié)，頻率到1000Hz 左右時(shí)路燈無閃爍感。

故障檢測(cè)電路，采集IRF540 漏極電壓，經(jīng)D6、R40、C7 峰值檢波電路得到直流電壓信號(hào)， 與LM393 組成的比較器的2 腳電壓比較輸出電平信號(hào)送單片機(jī)P10 檢測(cè)。按圖元件取值，實(shí)測(cè)路燈正常時(shí)，C7 電壓為3. 3V，斷路故障時(shí)0V，短路故障時(shí)7. 2V。實(shí)際電路只做了檢測(cè)斷路故障， 平時(shí)P1. 0為高電平，斷路故障時(shí)3932 腳電壓為0V，比較器翻轉(zhuǎn)輸出低電平。R39 調(diào)節(jié)比較器基準(zhǔn)電壓，可以在1V 左右，防止干擾信號(hào)。R37 取值關(guān)鍵， 影響C7 的放電時(shí)間。經(jīng)實(shí)驗(yàn)取300K 較合適。短路檢測(cè)原理同上。注意PWM 的占空比只能在20% ～99. 5% 之間調(diào)節(jié)，當(dāng)輸出100% 的PWM 時(shí)，IRF540始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，C7 不會(huì)被充電， 會(huì)影響故障檢測(cè)。

圖8 恒流驅(qū)動(dòng)及故障檢測(cè)電路

圖9 鍵盤及液晶顯示流程圖

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是按要求對(duì)路燈控制和液晶的操作界面設(shè)置。

4. 1 軟件實(shí)現(xiàn)的功能

(1) 時(shí)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(shè)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(shè)置四個(gè)多功能鍵和一個(gè)返回鍵完成整個(gè)路燈控制設(shè)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(tǒng)測(cè)試

5. 1 時(shí)鐘設(shè)置測(cè)試

通過菜單操作，進(jìn)入時(shí)間設(shè)定，和開關(guān)燈設(shè)置。

設(shè)置當(dāng)前時(shí)間在開關(guān)燈時(shí)間內(nèi): 實(shí)測(cè)時(shí)，當(dāng)前時(shí)間設(shè)置為20 點(diǎn)、兩路燈的開燈均設(shè)置為18 點(diǎn)、關(guān)燈時(shí)間設(shè)置均為為6 點(diǎn)。移動(dòng)物體按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行測(cè)試，滿足要求。

5. 2 環(huán)境明暗變化測(cè)試

晚上，用物體遮擋光敏電阻， 調(diào)節(jié)PR2 關(guān)燈，指示燈D2 滅，表示調(diào)好。關(guān)燈移動(dòng)物體按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行測(cè)試，滿足要求。

5. 3 獨(dú)立時(shí)間控制設(shè)置

將兩燈開關(guān)時(shí)間分別設(shè)置。一路滿足開燈時(shí)間條件，一路不滿足時(shí)間條件。

移動(dòng)物體按基本要求進(jìn)行測(cè)試，滿足開燈時(shí)間條件的路燈會(huì)按要求亮滅，不滿足時(shí)間條件的路燈長(zhǎng)滅。交換兩路燈開燈條件結(jié)果一致。

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

5. 5 由于路燈LED 亮滅時(shí)由PWM 控制， 只要PWM 信號(hào)能在20 ～ 100% 內(nèi)調(diào)節(jié)， 誤差小于2% ，則路燈電源的輸出功率就能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際測(cè)試PWM 信號(hào)只能在20% ～ 99% 間調(diào)節(jié)( 見2. 5 所示) ，最大誤差1% ，滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語

模擬路燈節(jié)能控制系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試完全滿足設(shè)計(jì)要求和工作需要，控制系統(tǒng)操作界面簡(jiǎn)單易懂，單電源供電使電路簡(jiǎn)潔明快，成本低廉; 環(huán)境光控制電路、恒流驅(qū)動(dòng)及故障檢測(cè)電路設(shè)計(jì)特色突出，交通狀況的傳感器檢測(cè)電路經(jīng)濟(jì)實(shí)用，整個(gè)模擬路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的應(yīng)用前景廣泛，具有開發(fā)應(yīng)用價(jià)值。