根據環境自動調節狀態的節能智能路燈系統

范海洋+++胡一鳴+++黃偉杰

摘 要：傳統的路燈控制與維護手段已不能夠適應現代化城市發展的要求，而電力資源己成為緊缺資源，而電能的相當一部分消耗是在照明上，因此，設計自動化程度高、運行可靠、高效節能、使用維護方便并能美化市容的照明路燈，是照明控制與管理現代化的必然要求，而LED在照明應用中，因其具有節能、壽命長、環保、體積小、響應速度快、可靠性高、調控方便等諸多優點，正作為一種新型照明光源并獲得越來越廣泛的應用，此路燈系統以兼容性好且價格低廉的Arduino作為主控，通過聲光控并自校準延時控制路燈狀態，應用PWM方式調節光強以適應需要。

關鍵詞：調光；Arduino；LED；聲光控；自校準

1 設計思路

1.1 整體方案的設計

對于路燈系統，其工作是為了在光照強度不足時，為行人及行車提供足夠的光照。現在的路燈控制系統多采用的是人工定時開關的控制方式，即在某一個時間段如晚六點到早上六點之間路燈處于全開狀態，其他時間路燈全關，這顯然是不合理的。當突然遇到天氣不好需要路燈補充照明的時候，上述控制方式不能達到系統的要求。因此，本文按前面的要求設計了如下控制方式。通過光敏電阻采集到的光強以模擬量輸出通過單片機檢測并根據不同光強輸出不同占空比以控制燈亮度，當光強高于某一閥值時，關閉輸出以降低功耗，通過采集濾波后聲音的均值作為比較的基準，當出現高于此值的聲音時，確定為有聲音，并且每隔一定時間更新此均值作為自校準，這樣可以適應不同情況下的環境低噪。

1.2 設計任務及目標

（1）設計亮度反饋及調節系統，采集環境聲音與光強大小，以得出適當的控制量，使得能量利用最大化。

（2）運用單片機設計監測和反饋系統來接受和處理各方數據并及時動作以保證等工作狀態良好，并能適應極端天氣等影響。

（3）歸納了一般LED照明對驅動電源要求的前提下，選用了合適驅動芯片，設計驅動電源主電路。

（4）決定大功率LED的性能和路燈設計的幾個關鍵技術中的散熱設計。

2 光控自動控制電路設計

2.1 主控芯片的選擇

經過比較比較常用的51單片機，Arduino，stm32，我們確定了以Arduino作為主控，因Arduino很便捷靈活。Arduino的設計初衷是讓人們更加便宜且方便的控制機器人。但是無心插柳柳成蔭，現在的Arduino已經在更多的領域展現出來他的價值，現在的Arduino擁有幾乎任何單片機都難以比擬的函數庫，且各種傳感器都具有驚人的通用性，在Arduino體系下，幾乎每款控制器都能兼容。這種巨大的優勢，相信裸奔過各種不同單片機的工程師們一定有更深刻的體會。這些兼容性設計，使得Arduino雖然更多的是硬件，但是比傳統硬件離程序員甚至大眾更近了，所以現在的Arduino其實算是程序員想直接跟硬件交互的最好手段之一了。同時Arduino 的理念就是開源，軟硬件完全開放，技術上不做任何保留。針對周邊I/O設備的Arduino 編程，很多常用的I/O 設備都已經帶有庫文件或者樣例程序，在此基礎上進行簡單的修改，即可編寫出比較復雜的程序，完成功能多樣化的作品。以ATmega8P為例

產品特點

高性能，低功耗的AVR（R）8位微控制器

先進的RISC結構

- 131條指令 - 絕大多數為單時鐘周期執行

- 32個8位通用工作寄存器

- 全靜態工作

- 高達20 MIPS的吞吐量在20兆赫

- 片上2周期乘法器

·高耐用性非揮發性記憶體段

- 4/8/16 /的在系統內可編程的Flash課程校內存32K字節

（ATMEGA48PA/88PA/168PA/328P）

- 256/512/512 /1K字節的EEPROM（ATMEGA48PA/88PA/168PA/328P）

- 512/1K/1K/2K字節的片內SRAM（ATMEGA48PA/88PA/168PA/328P）

- 寫/擦除周期：10，000閃存/ EEPROM100000

- 數據保存：20年，在85℃/百年，在25℃（1）

- 可選Boot代碼區具有獨立鎖定位

在系統編程通過片上引導程序

真正的同時讀 - 寫操作

- 鎖編程軟件安全

·外設特點

- 2個8位定時器/計數器具有獨立預分頻器和比較模式

- 1個16位定時器/計數器具有獨立預分頻器，比較功能和捕捉模式

- 實時計數器具有獨立振蕩器

- 六個PWM通道

- 8通道10位ADC的TQFP和QFN/ MLF封裝

溫度測量

- 6通道10位ADC PDIP封裝

溫度測量

- 可編程的串行USART

- 主/從SPI串行接口

- 面向字節的兩線串行接口（飛利浦I2C兼容）

- 可編程看門狗定時器具有獨立片內振蕩器

- 片內模擬比較器

- 中斷和喚醒引腳電平變化

·單片機的特殊功能

- 上電復位和可編程的掉電檢測

- 內部校準振蕩器

- 外部和內部中斷源

- 六休眠模式：空閑模式、ADC噪聲抑制、省電、掉電、待機

和擴展Standby

·I/O和封裝

- 23可編程I / O線

- 28引腳PDIP，32引腳TQFP封裝，28焊盤QFN/ MLF以及32焊盤的QFN/ MLF

·工作電壓：

- 1.8 - 5.5V的ATMEGA48PA/88PA/168PA/328P

·溫度范圍：

- -40℃至85℃

·速度等級：

- 0 - 20 MHz的@1.8 - 5.5V

·低功耗在1 MHz，1.8V，25℃ATMEGA48PA/88PA/168PA/328P：

- 主動模式：0.2毫安

- 掉電模式：0.1μA

- 省電模式：0.75μA（包括32千赫，RTC）

8位 微控制器

具有4/8/16/32K 字節的可編程系統

2.2 聲光控電路處理

人能聽到的聲音頻率范圍約20Hz到20000Hz，為盡量減少外界噪聲干擾，必須設計一帶通濾波器，去除噪聲干擾，濾波要求通頻帶內平坦而過渡帶陡峭。一般情況下，巴特沃茲濾波器通頻帶內平坦而過渡帶陡峭，此處采用4階巴特沃茲低通和四階巴特沃茲高通級聯，低通濾波器的截止頻率為3.4kHz，高通濾波器的截止頻率為300Hz，同時添加放大電路以適用于單片機檢測，光敏電阻器是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉換（將光的變化轉換為電的變化）。常用的光敏電阻器硫化鎘光敏電阻器，它是由半導體材料制成的。光敏電阻器的阻值隨入射光線（可見光）的強弱變化而變化，在黑暗條件下，它的阻值（暗阻）可達1～10M歐，在強光條件（100LX）下，它阻值（亮阻）僅有幾百至數千歐姆。光敏電阻器對光的敏感性（即光譜特性）與人眼對可見光（0.4～0.76）μm的響應很接近，只要人眼可感受的光，都會引起它的阻值變化。

2.3 LED簡介

LED在照明應用中，因其具有節能、壽命長、環保、體積小、響應速度快、可靠性高、調控方便等諸多優點，雖然現在市場上較多的仍不是LED，但不可否認LED正作為一種新型照明光源并獲得越來越廣泛的應用。

2.4 電源及LED驅動設計

電源在這里采用成品的15V、50W開關電源，一方面是節省了成本和開銷；另一方面主要是保證了可靠性和安全性。對于一個安全可靠的開關電源是需要由專業的電源工程師設計并調試后才可以投放市場的，我們這里主要的研究方向是路燈控制系統，而不是電源，所以采用市面上的成品開關電源。

LED驅動在這里使用上海芯龍半導體公司的XL6006升壓型LED驅動器，該驅動器擁有180KHz的工作頻率和最大5A的開關電流，可以保證驅動電路的工作效率和可靠性。根據查閱官方數據手冊，這里設計了可以與AVR單片機兼容的PWM調光接口電路，可以由單片機的內部定時器產生需要的PWM調光信號來控制LED驅動器從而達到單片機控制LED亮度的目的。

3 電路制作與調試

3.1 電路原理圖

LED驅動器，見圖1

聲音傳感器（濾波），見圖2、圖3。

單片機原理圖，見圖4。

PCB圖，見圖5。

4 結束語

本次的路燈設計是針對已經存在的路燈進行改進，設計中使用了聲光控相結合并校正的方法，避免了聲光控方法易受環境因素干擾，同時省去了時控需頻繁設置時間的麻煩，為了節約用電，本路燈根據環境調節到合適光強，以適應不同情況下的環境。

參考文獻

[1]林雪娃.聲光控延時開關電路的制作[D].河南省技師學院，2013.

[2]竇林平.國內LED照明應用探討[C].中國照明電器協會，2011.

[3]黃天宏.LED照明技術的研究和設計實例[D].湖南大學，2009.

[4]Simon Monk.Arduino編程指南[M].人民郵電出版社，2016.