基于單片機(jī)的LED路燈模擬控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引言
    LED照明系統(tǒng)具有省電、輕巧、壽命長(zhǎng)、高耐久性等特征，近年來(lái)已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用于路燈照明系統(tǒng)中，其趨勢(shì)是取代目前廣泛采用的高壓汞燈的路燈照明。
    針對(duì)目前比較先進(jìn)的LED路燈控制系統(tǒng)進(jìn)行了模擬路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了整條支路的LED路燈定時(shí)控制開關(guān)燈、自動(dòng)開關(guān)燈、獨(dú)立控制開關(guān)燈及故障報(bào)警等多項(xiàng)功能。對(duì)1 W LED路燈單元可調(diào)恒流驅(qū)動(dòng)電源，可以按照設(shè)定要求調(diào)節(jié)LED輸出功率大小，實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    為了能夠真實(shí)地模擬實(shí)際LED路燈的控制，設(shè)計(jì)了模擬路燈控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(gè)單元控制器模塊組成。支路控制器主要用來(lái)對(duì)整個(gè)模擬LED路燈支路進(jìn)行控制；對(duì)于輸入顯示裝置，當(dāng)按鍵時(shí)輸入控制信息，LCD顯示相關(guān)的控制信息；2個(gè)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(diǎn)在支路控制器，其電路框圖如圖2所示。AT89S52單片機(jī)作為控制核心，時(shí)鐘電路將時(shí)鐘信息送顯示和時(shí)鐘存儲(chǔ)；光敏檢測(cè)主要用來(lái)檢測(cè)光線的強(qiáng)度是否應(yīng)該開關(guān)路燈；在路燈出現(xiàn)故障(斷路)時(shí)將產(chǎn)生聲光報(bào)警，并指示那一路發(fā)生故障。

1．2．1 時(shí)鐘電路
    基于DS1302的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)采用24 h計(jì)時(shí)方式，時(shí)、分、秒并用LCD顯示。采用AT89S52單片機(jī)和DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，使用5 V電源供電，采用按鍵控制，可以進(jìn)行時(shí)間校正，并且可對(duì)LED燈的開關(guān)時(shí)間進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。DS1302的VCC2加入3 V鋰可充電電池實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘掉電保護(hù)。通過(guò)AT24C02存儲(chǔ)時(shí)鐘信息實(shí)現(xiàn)程序掉電保護(hù)功能。
1．2．2 光敏檢測(cè)電路
    光敏檢測(cè)主要檢測(cè)光線的強(qiáng)度是否應(yīng)該開關(guān)路燈。光敏檢測(cè)電路主要利用光敏電阻的感光特性進(jìn)行工作。光敏檢測(cè)電路如圖3所示，當(dāng)白天光照射到光敏電阻時(shí)，光敏電阻的阻值降低，反向輸入端電壓隨之降低，當(dāng)?shù)陀诜聪嗥?4HC04的門檻電壓時(shí)，反相器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，提供給單片機(jī)一高電平，控制LED燈關(guān)閉。當(dāng)弱光或無(wú)光照時(shí)(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(jī)控制LED燈的自動(dòng)開啟。

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1．2．3 故障檢測(cè)及聲光報(bào)警
    聲光報(bào)警裝置是支路控制器中單片機(jī)控制蜂鳴器和發(fā)光二極管發(fā)出聲光報(bào)警的電路裝置。當(dāng)系統(tǒng)中某一支路出現(xiàn)故障(如燈不亮)，正常狀況是LED路燈應(yīng)該點(diǎn)亮的時(shí)候，此時(shí)判斷為路燈出現(xiàn)故障，系統(tǒng)中采用以光敏檢測(cè)的方法來(lái)檢測(cè)LED路燈是否點(diǎn)亮或者滅，從而判別是否有故障。當(dāng)有故障時(shí)在支路控制器中，單片機(jī)控制蜂鳴器和發(fā)光二極管發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并通過(guò)LCD顯示器顯示當(dāng)前故障路燈的地址編號(hào)，實(shí)現(xiàn)故障報(bào)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(duì)應(yīng)的菜單有時(shí)間校正、設(shè)定LED燈整條支路開關(guān)，獨(dú)立控制每只路燈開關(guān)時(shí)間和功率調(diào)節(jié)的調(diào)光功能；K2為移位鍵；K3為加減鍵；K4為確認(rèn)鍵。LCD數(shù)據(jù)線與單片機(jī)P1口相連；RS寄存器選擇信號(hào)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(jī)控制D／A轉(zhuǎn)換器輸出電壓，從而控制可調(diào)恒流源驅(qū)動(dòng)電路?？烧{(diào)恒流源驅(qū)動(dòng)電路由運(yùn)放LM358、繼電器、大功率管TIP41和開關(guān)管9013等組成，如圖5所示。單片機(jī)P3．0控制口輸出高低電平信號(hào)控制繼電器開關(guān)，給恒流源電路提供+12 V電壓，恒流源電路驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光。當(dāng)輸出高電平，繼電器導(dǎo)通，給恒流源電路提供+12 V電壓，否則相反。單片機(jī)通過(guò)控制TLC5615 D／A輸出電壓信號(hào)來(lái)調(diào)整恒流源的大小。
    LED燈選用獨(dú)立1 W藍(lán)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(diào)節(jié)流過(guò)LED的電流，從而可調(diào)整1 W的LED燈，輸出功率在20％～100％。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，恒流源輸入Vi與LED輸出功率(P=UI)的關(guān)系如表1所示。[!--empirenews.page--]

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    程序總流程圖如圖6所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后在沒有任何按鍵按下的情況下顯示當(dāng)前日期和時(shí)間，選擇路燈的工作模式。系統(tǒng)默認(rèn)的工作模式為檢測(cè)亮暗開關(guān)模式，根據(jù)環(huán)境光線判斷是否打開路燈。當(dāng)通過(guò)按鍵進(jìn)行設(shè)定的時(shí)候，進(jìn)入設(shè)定的模式，包括：LED路燈輸出功率的設(shè)定，設(shè)定范圍在20％～100％；當(dāng)前日期和時(shí)間的修改和設(shè)定；路燈工作模式的設(shè)定；路燈故障的檢測(cè)及對(duì)應(yīng)單元故障的顯示。

3 測(cè)試結(jié)果
    (1)在液晶屏幕上能夠顯示時(shí)鐘、顯示菜單。設(shè)定、顯示開關(guān)燈時(shí)間，控制整條支路(測(cè)試用早上6：00關(guān)燈，晚上7：OO開燈)或獨(dú)立控制LED1及LED2的開燈和關(guān)燈。
    (2)環(huán)境明暗變化自動(dòng)開關(guān)燈的模擬測(cè)試。當(dāng)環(huán)境的光照度小于0．1 lx(用手遮擋光敏電阻)，自動(dòng)點(diǎn)亮LED燈，手松開自動(dòng)關(guān)閉LED燈。
    (3)路燈故障報(bào)警測(cè)試。設(shè)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(yīng)故障地址RD1；設(shè)置LED2燈故障，聲光報(bào)警相同，液晶顯示屏顯示相應(yīng)故障地址RD2。
    (4)測(cè)試出LED1，LED2燈的功率能在20％～100％范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光和調(diào)節(jié)輸出功率功能；
    通過(guò)整機(jī)調(diào)試，液晶顯示功率數(shù)值與實(shí)際測(cè)量LED1，LED2燈的功率(P=UI)數(shù)值誤差小于等于1．8％。

4 結(jié)語(yǔ)
    詳細(xì)講述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并給出了相關(guān)程序流程。本設(shè)計(jì)模擬實(shí)際大功率LED路燈控制系統(tǒng)，有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值?？梢詫⑵湓O(shè)計(jì)思路和方法應(yīng)用在公路LED路燈、小區(qū)LED路燈和景區(qū)亮化工程等。應(yīng)用本設(shè)計(jì)可以大幅節(jié)約能源消耗，降低成本，實(shí)現(xiàn)路燈亮化的智能控制。另外，如果把本設(shè)計(jì)方案擴(kuò)展加上上位機(jī)，則可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程中央路燈監(jiān)控系統(tǒng)，將具有更大的應(yīng)用價(jià)值。
    本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于詳細(xì)設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)AT89252模擬路燈控制的系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)功率參數(shù)的實(shí)際測(cè)量，達(dá)到精確控制LED路燈的輸出功率；能夠根據(jù)光線強(qiáng)弱自動(dòng)開關(guān)路燈；還能夠根據(jù)控制設(shè)定定時(shí)開關(guān)路燈；能自動(dòng)檢測(cè)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(shè)計(jì)程序已經(jīng)在模擬LED路燈控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)上成功運(yùn)行。