基于單片機的LED路燈模擬控制系統(tǒng)的設計與實現

0 引言
    LED照明系統(tǒng)具有省電、輕巧、壽命長、高耐久性等特征，近年來已經越來越多地應用于路燈照明系統(tǒng)中，其趨勢是取代目前廣泛采用的高壓汞燈的路燈照明。
    針對目前比較先進的LED路燈控制系統(tǒng)進行了模擬路燈控制系統(tǒng)設計，實現了整條支路的LED路燈定時控制開關燈、自動開關燈、獨立控制開關燈及故障報警等多項功能。對1 W LED路燈單元可調恒流驅動電源，可以按照設定要求調節(jié)LED輸出功率大小，實現調光功能。

1 系統(tǒng)硬件設計
1．1 系統(tǒng)總體設計
    為了能夠真實地模擬實際LED路燈的控制，設計了模擬路燈控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)結構如圖1所示，該系統(tǒng)主要由輸入顯示裝置、支路控制器和2個單元控制器模塊組成。支路控制器主要用來對整個模擬LED路燈支路進行控制；對于輸入顯示裝置，當按鍵時輸入控制信息，LCD顯示相關的控制信息；2個單元控制器受支路控制器控制LED1和LED2的電源供電和功率的輸出。

1．2 支路控制器
    模擬LED路燈控制系統(tǒng)的重點在支路控制器，其電路框圖如圖2所示。AT89S52單片機作為控制核心，時鐘電路將時鐘信息送顯示和時鐘存儲；光敏檢測主要用來檢測光線的強度是否應該開關路燈；在路燈出現故障(斷路)時將產生聲光報警，并指示那一路發(fā)生故障。

1．2．1 時鐘電路
    基于DS1302的時鐘電路設計采用24 h計時方式，時、分、秒并用LCD顯示。采用AT89S52單片機和DS1302實時時鐘芯片，使用5 V電源供電，采用按鍵控制，可以進行時間校正，并且可對LED燈的開關時間進行控制和調節(jié)。DS1302的VCC2加入3 V鋰可充電電池實現時鐘掉電保護。通過AT24C02存儲時鐘信息實現程序掉電保護功能。
1．2．2 光敏檢測電路
    光敏檢測主要檢測光線的強度是否應該開關路燈。光敏檢測電路主要利用光敏電阻的感光特性進行工作。光敏檢測電路如圖3所示，當白天光照射到光敏電阻時，光敏電阻的阻值降低，反向輸入端電壓隨之降低，當低于反相器74HC04的門檻電壓時，反相器發(fā)生翻轉，提供給單片機一高電平，控制LED燈關閉。當弱光或無光照時(晚上)，由于光敏電阻的暗電阻很大，反向輸入端電壓較高，使得反相器輸出為低電平，單片機控制LED燈的自動開啟。

1．2．3 故障檢測及聲光報警
    聲光報警裝置是支路控制器中單片機控制蜂鳴器和發(fā)光二極管發(fā)出聲光報警的電路裝置。當系統(tǒng)中某一支路出現故障(如燈不亮)，正常狀況是LED路燈應該點亮的時候，此時判斷為路燈出現故障，系統(tǒng)中采用以光敏檢測的方法來檢測LED路燈是否點亮或者滅，從而判別是否有故障。當有故障時在支路控制器中，單片機控制蜂鳴器和發(fā)光二極管發(fā)出聲光報警信號，并通過LCD顯示器顯示當前故障路燈的地址編號，實現故障報警顯示功能。
1．3 輸入及顯示裝置
    圖4所示為鍵盤輸入和液晶顯示電路。K1為菜單功能鍵，相對應的菜單有時間校正、設定LED燈整條支路開關，獨立控制每只路燈開關時間和功率調節(jié)的調光功能；K2為移位鍵；K3為加減鍵；K4為確認鍵。LCD數據線與單片機P1口相連；RS寄存器選擇信號端與P2．0相連；RW讀寫端與P2．1相連；E使能端與P2．2相連。

1．4 單元控制器
    單元控制電路的工作是由單片機控制D／A轉換器輸出電壓，從而控制可調恒流源驅動電路?？烧{恒流源驅動電路由運放LM358、繼電器、大功率管TIP41和開關管9013等組成，如圖5所示。單片機P3．0控制口輸出高低電平信號控制繼電器開關，給恒流源電路提供+12 V電壓，恒流源電路驅動LED發(fā)光。當輸出高電平，繼電器導通，給恒流源電路提供+12 V電壓，否則相反。單片機通過控制TLC5615 D／A輸出電壓信號來調整恒流源的大小。
    LED燈選用獨立1 W藍光發(fā)光二極管，正向電壓為3．0～4．0 V，正向電流為350 mA，D／A輸出電壓為0．5～2．4 V，調節(jié)流過LED的電流，從而可調整1 W的LED燈，輸出功率在20％～100％。經過實測，恒流源輸入Vi與LED輸出功率(P=UI)的關系如表1所示。

2 系統(tǒng)軟件設計
    程序總流程圖如圖6所示。系統(tǒng)啟動后在沒有任何按鍵按下的情況下顯示當前日期和時間，選擇路燈的工作模式。系統(tǒng)默認的工作模式為檢測亮暗開關模式，根據環(huán)境光線判斷是否打開路燈。當通過按鍵進行設定的時候，進入設定的模式，包括：LED路燈輸出功率的設定，設定范圍在20％～100％；當前日期和時間的修改和設定；路燈工作模式的設定；路燈故障的檢測及對應單元故障的顯示。

3 測試結果
    (1)在液晶屏幕上能夠顯示時鐘、顯示菜單。設定、顯示開關燈時間，控制整條支路(測試用早上6：00關燈，晚上7：OO開燈)或獨立控制LED1及LED2的開燈和關燈。
    (2)環(huán)境明暗變化自動開關燈的模擬測試。當環(huán)境的光照度小于0．1 lx(用手遮擋光敏電阻)，自動點亮LED燈，手松開自動關閉LED燈。
    (3)路燈故障報警測試。設置LED1燈故障，系統(tǒng)紅色發(fā)光二極管閃爍，蜂鳴器發(fā)出響聲，液晶顯示屏顯示相應故障地址RD1；設置LED2燈故障，聲光報警相同，液晶顯示屏顯示相應故障地址RD2。
    (4)測試出LED1，LED2燈的功率能在20％～100％范圍內調節(jié)，從而實現調光和調節(jié)輸出功率功能；
    通過整機調試，液晶顯示功率數值與實際測量LED1，LED2燈的功率(P=UI)數值誤差小于等于1．8％。

4 結語
    詳細講述了系統(tǒng)設計方案，并給出了相關程序流程。本設計模擬實際大功率LED路燈控制系統(tǒng)，有較強的應用價值?？梢詫⑵湓O計思路和方法應用在公路LED路燈、小區(qū)LED路燈和景區(qū)亮化工程等。應用本設計可以大幅節(jié)約能源消耗，降低成本，實現路燈亮化的智能控制。另外，如果把本設計方案擴展加上上位機，則可以實現遠程中央路燈監(jiān)控系統(tǒng)，將具有更大的應用價值。
    本設計的創(chuàng)新點在于詳細設計了基于單片機AT89252模擬路燈控制的系統(tǒng)，通過對功率參數的實際測量，達到精確控制LED路燈的輸出功率；能夠根據光線強弱自動開關路燈；還能夠根據控制設定定時開關路燈；能自動檢測故障路燈并顯示故障位置。多種控制方式起到節(jié)能和智能控制作用。所設計程序已經在模擬LED路燈控制系統(tǒng)硬件平臺上成功運行。