模擬路燈節能控制系統的設計

于軍 邢永中

(鶴壁職業技術學院電子信息工程系，河南鶴壁 458030)

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［3］。

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［4］

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］

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

圖3 LED燈控制邏輯關系圖

2.3.2 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。

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［5］。

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4 環境控制電路圖

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。

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。

3.5 LED恒流驅動及故障檢測電路

圖6 傳感器檢測電路圖

圖7 顯示控制模塊

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［1］

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。

說明:該論文指導設計的電子作品在2009年全國大學生電子設計競賽河南賽區獲一等獎見http://jwc.zzti.edu.cn/InfoView.aspx?id=1061

［1］林方鍵，胥布工.基于ZigBee網絡的路燈節能控制系統［J］. 控制工程，2009，16(3):324～326

［2］黃鑫，林在榮，周明等.時鐘芯片RS5C372A/B在無功補償節能系統中的應用 ［J］.電子技術應用，2009，8:21～23

［3］蔡可健.道路照明節能控制系統設計 ［J］.電力電子技術，2006，40(6):14～15

［4］上海耐杰科技實業發展有限公司.淺析道路照明節能控制方法 ［J］.照明工程學報，2006，17(B03):35～36

［5］徐健豐.基于PLC的路燈智能節能控制系統設計 ［J］.電子元器件應用，2008，10(11):65～66