模擬路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為解決城市路燈照明系統(tǒng)存在的燈光控制方法和管理手段落后，所用燈具科技含量低等問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)模擬路燈控制系統(tǒng)。采用高效節(jié)能LED路燈作為光源，采用AT89S52單片機(jī)作為控制中心，利用傳感器模塊、光控路燈模塊、恒流源模塊來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)環(huán)境、交通等因素，單片機(jī)采集光敏電阻或光電開關(guān)的信號控制路燈的亮滅，具有自動檢測故障報(bào)警等功能；采用切換多種模式方式設(shè)定并實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光功能，按規(guī)定時(shí)間開關(guān)燈功能。測試結(jié)果表明，路燈驅(qū)動電源輸出功率能在規(guī)定時(shí)間按設(shè)定要求自動減小，該功率能在20％～100％范圍內(nèi)設(shè)定并調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)誤差小于2％，實(shí)現(xiàn)了路燈的智能化控制，節(jié)省了電力能源和人力資源。
關(guān)鍵詞：LED；路燈控制；單片機(jī)；恒流源

    隨著城市的發(fā)展，作為城市公用設(shè)施的城市路燈照明系統(tǒng)對人民生活和交通安全起著重要作用。城市路燈控制系統(tǒng)已在我國得到廣泛應(yīng)用，因此節(jié)能和易于控制成為路燈控制的核心問題。
    本文采用節(jié)能環(huán)保的LED燈作為光源，采用科學(xué)有效的檢測與控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了光電控制、時(shí)間控制、交通情況檢測、故障自動檢測與報(bào)警等功能，節(jié)省了人力和電力資源，降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本，性價(jià)比較高。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)由單片機(jī)控制、傳感器感應(yīng)、恒流源輸出、控制顯示和路燈亮度調(diào)節(jié)等5大模塊構(gòu)成。其中，控制器采用l片AT89S52單片機(jī)作為中心控制器，其外圍電路比較簡單，具有高速、高可靠性、低功耗、超強(qiáng)抗干擾、價(jià)低格等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。采用光電開關(guān)作為傳感器感應(yīng)模塊的重要元件。在每個(gè)路燈位置處分別放置光電開關(guān)裝置，當(dāng)物體經(jīng)過這些點(diǎn)時(shí)，光電開關(guān)發(fā)射的光被
物體遮擋，則接收端因無法接收該光而使其一引腳輸出電平發(fā)生變化，單片機(jī)處理該信號繼而控制路燈的亮暗。光電開關(guān)具有長壽命、高可靠性、靈敏度高等特點(diǎn)，且價(jià)格較低。

    采用LED驅(qū)動電源電路SN3350，其具有輸出350 mA恒流的特性，穩(wěn)定度高，且具有過壓保護(hù)、過溫保護(hù)、體積小和外圍電路簡單等特點(diǎn)，能較好的滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。采用1602LCD液晶和數(shù)碼管同時(shí)顯示。該模塊占用單片機(jī)I／O口較少，且可通過程序?qū)崿F(xiàn)級聯(lián)菜單功能。
    由單片機(jī)控制PWM。恒流源芯片SN3350的3引腳為PWM，可調(diào)節(jié)輸出電流的PWM，從而控制輸出功率。該模式下，只要單片機(jī)控制PWM即可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)方式O～100％范圍內(nèi)調(diào)光，實(shí)現(xiàn)路燈的無級亮度調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 LED監(jiān)測環(huán)境模塊
    LED路燈能檢測外界環(huán)境的明暗，從而自動開燈和關(guān)燈。本設(shè)計(jì)采用光敏電阻進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測，具體電路如圖2所示。

    白天時(shí)，光敏電阻因感光阻值無窮大，則1 MΩ電阻上的電壓很?。寒?dāng)夜幕降臨，光敏電阻的阻值變?yōu)?～20 kΩ，則l MΩ電阻分壓變大為3．0 V左右，單片機(jī)P1．0口檢測該信號的變化，則控制PNP三極管基極輸入低電平，使其導(dǎo)通，進(jìn)而集電極輸出高電平，5 V繼電器導(dǎo)通，路燈所在電路通路，路燈點(diǎn)亮；反之，路燈關(guān)斷，為防止繼電器內(nèi)部電感之間電壓突變引起反相感應(yīng)電動勢破壞三極管，該電路在集電極增加了二極管保護(hù)電路，進(jìn)而完成了路燈隨環(huán)境明暗開關(guān)燈的要求。
2．2 故障檢測報(bào)警模塊
    由圖2可見，當(dāng)路燈正常開燈時(shí)，其所在電路導(dǎo)通，5 Ω負(fù)載電阻上的電壓U=IR=O．35x5=1．75 V；如果路燈壞掉，則該電路處于短路狀態(tài)，該電阻上的電壓為0 V，單片機(jī)P1．3口檢測到該電壓信號的變化，控制路燈監(jiān)測環(huán)境模塊中三極管導(dǎo)通，使繼電器K1閉合導(dǎo)通，報(bào)警燈VD6發(fā)光，即發(fā)出報(bào)警信號。
2．3 恒流源輸出模塊
    本系統(tǒng)恒流源電路以LED驅(qū)動芯片SN3350為核心，輔以簡單的外圍電路，實(shí)現(xiàn)了輸出恒定電流的功能。其輸入電壓為6～40 V，輸出電流最大可達(dá)700 mA，因此，輸出電流變化的一個(gè)因素是輸入電壓。圖3為該恒流源電路。

    由SN3350的數(shù)據(jù)資料可知，輸出電流與傳感電阻R1有關(guān)，二者關(guān)系為IOUT=O．1／Rl(Rl>0．13 Ω)。通常情況下，Rl的設(shè)定是特定阻值，根據(jù)相應(yīng)額定輸出電流333 mA，該系統(tǒng)選擇特性阻值為0．3 Ω。且由SN3350的特性曲線知，當(dāng)外圍電路電阻0．3 Ω，電感47μH時(shí)，輸出效率較高，節(jié)能性能最好。通過實(shí)驗(yàn)，當(dāng)輸入端加入8．3 V直流電壓時(shí)，其輸出電流恒定為350 mA。該電路的輸人端增加了4個(gè)穩(wěn)壓管，使輸入電壓更加穩(wěn)定，繼而輸出電流驅(qū)動1 W的LED。由此可見，該方法的電路所需器件少，設(shè)計(jì)簡單，性價(jià)比高。且SN3350內(nèi)置過流保護(hù)，當(dāng)異常情況使電流過大時(shí)，該芯片可內(nèi)部保護(hù)LED。
    驅(qū)動電源輸出功率能在規(guī)定時(shí)間按設(shè)定要求自動減小，SN3350的3引腳ADJ可通過外接PWM的控制信號進(jìn)而無級調(diào)節(jié)恒流源輸出功率。該功率能在20％～100％范圍內(nèi)設(shè)定并可調(diào)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 程序流程
    程序流程如圖4所示。

    程序流程為：選擇路燈的控制方式后等待外界信號的檢測輸入。判斷接收為自由控制燈信號、環(huán)境監(jiān)測信號、交通信號，單片機(jī)處理相應(yīng)信號，然后控制開關(guān)路燈，并累計(jì)路燈開關(guān)時(shí)間，用LCD顯示。若正常情況下路燈不亮，則控制器檢測到該信號并用報(bào)警燈提示和LCD顯示故障燈的地址。此外，路燈的每部分電源由自制恒流源提供，且其輸出功率可通過控制SN3350的引腳3進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)路燈的亮度可控。
3．2 功能測試
    該系統(tǒng)能根據(jù)環(huán)境的明暗變化自動開燈和關(guān)燈，當(dāng)白天天亮?xí)r燈滅，當(dāng)環(huán)境漸漸變暗，黑夜降臨時(shí)燈亮。且能根據(jù)交通情況自動調(diào)節(jié)路燈的亮滅狀態(tài)，即行人車輛來時(shí)燈亮，過后燈滅，每個(gè)路燈都是如此，這就大大節(jié)省電能。該系統(tǒng)具有時(shí)鐘功能，能設(shè)定顯示開關(guān)燈的時(shí)間，并能控制整條支路或每只路燈按時(shí)開燈和關(guān)燈。當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時(shí)能及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，并在LCD上顯示故障燈的地址編號。
3．3 指標(biāo)測試
    基礎(chǔ)部分主要是電路邏輯測試，比較簡單，通過實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)除滿足以上設(shè)定的全部功能外，還具有自動調(diào)光功能。為了方便測試恒流源，系統(tǒng)先將20％～100％的功率以步進(jìn)10％分為9個(gè)等級以便準(zhǔn)確測試輸出功率的變化，具體表現(xiàn)為路燈的亮度隨輸出功率的減少而逐漸變暗。燈泡內(nèi)阻計(jì)算：
    因P=I2R，所以，測試時(shí)只需測試輸出電流的參數(shù)即可。具體參數(shù)如表l所示。測得數(shù)據(jù)誤差均小于2％。

4 結(jié)論
    該模擬路燈控制系統(tǒng)具有根據(jù)環(huán)境明暗、交通情況、設(shè)定時(shí)間來控制路燈亮滅的功能，且可以對燈亮?xí)r間進(jìn)行計(jì)時(shí)，對路燈進(jìn)行故障檢測，并用報(bào)警燈提示，路燈電源的供應(yīng)為自制恒流源。并且該系統(tǒng)還具備自動調(diào)節(jié)燈泡亮度的功能，且所用器件少，電路簡單，性價(jià)比高，具有較高的現(xiàn)實(shí)意義。