多功能LED路燈控制系統單元控制器的設計與實現

王海燕，高之圣，楊定波

(1.淮安信息職業技術學院，江蘇 淮安 223003；2.宿遷市綠源照明有限公司，江蘇 宿遷 223800)

1 引言

當前，能源短缺已成為人類經濟社會發展面臨的重要挑戰，在國家“十二五”規劃綱要中提出的節能環保產業作為七大戰略性新興產業之首被委以重任。城市亮燈工程讓現代化大都市日益靚麗，交通出行更加便利。但是，很多城市路燈控制存在亮燈的時間管理不夠科學，不能根據季節的變化及時調整路燈的控制模式，造成很多電能的浪費。

2 路燈控制系統方案的選擇

圖1是路燈控制系統的示意圖，經過查閱大量文獻資料，發現目前的國內外路燈控制系統[1]都是基于各種有線和無線網絡的嵌入式應用，主要實現方案有以下幾種：

圖1 路燈控制系統示意圖Fig.1 Street lighting control system diagram

方案一：基于GSM[2]、GPRS、ZigBee[3]無線網絡的路燈管理，它具有施工方便的優點，并且利用了現有的網絡基礎實施，管理方便，便于查詢和存儲數據，管理效率高，但是這些技術方案實現成本普遍較高；

方案二：采用工業以太網、LonWorks、CAN總線[4]等有線網絡的路燈管理系統和無線網絡相比，施工布線復雜，后期的維護成本高。

方案三：采用低廉的RS-485有線網絡方式構建路燈管理系統，突出優點是成本低和技術上更易于實現。

經過綜合考慮，決定采用方案三構建LED路燈管理系統。

3 系統方案設計

3.1 系統的總體設計

本路燈模擬系統由一個支路控制器和四個單元控制器組成。支路控制器和單元控制器都采用單片機為主控制器，它們之間采用RS485的數據通信方式。支路控制器通過RS485實現對各單元路燈的定時開關、燈光亮度調節、時間顯示、光線檢測、故障檢測、從機數目查詢、各單元控制器的工作狀態顯示等，系統方案如圖2所示。

圖2 系統方案框圖Fig.2 System block diagram program

3.2 單元控制器的方案設計

單元控制器主要由處理器模塊、光線檢測模塊、移動物體檢測模塊、路燈故障檢測模塊、燈光調節驅動模塊組成，如圖3所示。傳感器檢測模塊將檢測到的環境光線信號和物體運動方向信號送給單片機，單元控制器利用脈寬調制技術，產生PWM波信號來實現路燈的開、關控制，以及路燈亮度的調節。

圖3 單元控制器的方案框圖Fig.3 Plan diagram of a controller unit

4 單元控制器的硬件電路設計

4.1 環境光線檢測電路

環境光線檢測電路如圖4所示，該電路主要根據光照情況來檢測判斷白天和黑夜。此部分電路采用高性價比的光敏電阻作為光學傳感器件，其亮阻為5kΩ左右，暗阻值100kΩ左右。將它與一個電阻相連，將光信號轉換為電信號的高低電平，供單片機處理，電路簡單，成本低。

圖4 光敏檢測電路圖Fig.4 Sensitive detection circuit

4.2 故障檢測電路

故障檢測電路主要檢測路燈應該發光卻不發光時，判斷路燈出現故障，因此可以在路燈的下方附近安裝一個光敏電阻，此光敏電阻在晚上天黑的時候，只接受對應路燈發出的光照呈現亮阻；如果路燈壞了不發光，則光敏電阻呈現暗阻，從而判斷路燈是否出現故障，該電路原理和上述光敏檢測電路結構類似，不再重述。

4.3 移動物體檢測電路

移動物體檢測電路如圖5所示，它能根據路上的人流量來開啟和關閉路燈，當檢測到有人走來時，前方的路燈隨著人的向前移動逐次點亮；同時，后方的路燈逐次熄滅，由于減少了路燈的亮燈時間，達到節能的效果。

圖5 光電檢測電路圖Fig.5 Photoelectric detection circuit

4.4 白光LED驅動電路

路燈控制系統試驗過程中采用1W的白光[5]LED作為路燈，經測試，該燈泡最大功率工作時需要流過約350mA的電流，當流過的電流不同時，亮度也跟著改變，只有恒流驅動時，燈光亮度才不會閃爍，達到照明的要求。因此，路燈的正常發光需要一個恒流驅動電路，考慮到路燈亮度的調節范圍，對應要求路燈的恒流源電流在20%～100%內變化，并能可靠工作。

最常用的路燈驅動方案有：基于運放和大功率三極管或場效應管構成的恒流源；利用穩壓源和大功率三極管構成的恒流源；采用專用的大功率白光LED驅動集成電路。

由于本系統采用的LED功率不大，因此，采用一個常用的LM7805和S8050三極管就可以驅動，并且電路簡單、成本低廉，因而被采用。

利用單片機定時中斷的方式產生PWM脈沖，對一只NPN型的8050三極管通斷控制。當PWM的頻率超過50Hz時，人眼覺察不到燈的閃爍，并且利用PWM的脈寬變化實現了路燈的亮度調節，此電路可達到對PWM脈沖寬度步進1%進行控制，實現了對路燈亮度的20%～100%可調。實驗證明，該方案能穩定可靠。具體電路如圖6所示。

圖6 LED驅動電路圖Fig.6 LED drive circuit diagram

5 單元控制器的軟件設計

通電后，單元控制器執行完初始化程序，就處于監聽狀態，主要是接受支路控制器的查詢和設置，從而選擇自己的工作模式，并一直工作在這種模式，直到支路控制器發來新的指令。在天黑點亮路燈的時候，單元控制器還一直檢測路燈的工作狀態，發生故障時，能夠主動通知支路控制器。在光電模式中，單元控制器必須能夠及時獲得它兩側的光電開關的檢測信號，借以決定當前路燈的開和關。系統流程圖如圖7所示。

圖7 單元控制器流程圖Fig.7 Unit controller flowchart

6 系統調試

系統調試使用了數字萬用表及GWS-2202雙通道示波器，對本控制系統所用的白光LED燈進行測試，測試結果如表1所示。

通過測量分析，可見該系統實現了路燈亮度的有效調節功能。另外，還對進行移動物體檢測、環境光線檢測、故障檢測等功能驗證及測試，實現了LED路燈系統多模式智能控制。

表1 單顆粒LED的測量數據Table 1 LED single particle measurement data

7 結論

本系統通過實驗、測試，成功開發了一種智能LED路燈控制系統單元控制器。系統控制方便，運行穩定，達到最初設計要求。系統設計電路簡捷，成本低廉，性價比高。本系統下一步還將在單元控制器與支路控制器之間的組網、通信、上位機及路燈綜合調度管理等方面作深入研究。

[1] 李健,蔣全勝,任靈芝.智能路燈控制系統設計[J].工業控制計算機,2010,23(6):110～112.

[2] 王玉巧,胡玉璽.基于單片機的路燈智能控制系統[J].山東輕工業學院學報,2010,24(4):70～72.

[3] 申利民,翁桂鵬.基于ZigBee的智能小區LED路燈控制系統設計[J].中國照明電器，2011,(02):26～29.

[4] 楊芬,吳伯農,吳海軍.智能傳感器的CAN總線接口設計[J].單片機與嵌入式系統應用, 2011,(08):7～10.

[5] 楊恒. LED照明驅動電路設計與實例精選[M].北京:中國電力出版社,2008.