模拟路灯节能控制系统的设计

1 引言

在倡导绿色用电的今天，路灯节能控制日益成为人们关注的话题，这里设计并制作一套模拟路灯节能控制系统。节能控制系统结构如图1 所示。

图1 模拟路灯节能控制系统结构图

模拟路灯节能控制系统实现的功能: 支路控制器有时钟功能，能设定、显示开关灯时间，控制整条支路按时开灯和关灯; 能根据环境明暗变化，自动开灯和关灯，能根据交通情况自动调节亮灯状态;并能分别独立控制单只路灯的开灯和关灯时间; 当图1 模拟路灯节能控制系统结构图路灯出现故障时( 灯不亮) ，支路控制器发出声光报警信号，并显示有故障路灯的地址编号。单元控制器具有调光功能，路灯驱动电源输出功率能在规定时间按设定要求自动减小，该功率应能在20% ～100% 范围内设定并调节，调节误差≤2%。

2 总体设计方案

2. 1 设计思路

设计采用PWM 脉宽调制技术和恒流源电路对路灯的驱动和亮度调节。通过单片机和传感器及其检测电路完成路灯工作状态的控制。显示部分利用液晶显示模块，菜单式操作，显示时间、故障路灯地址、支路开关灯时间、每只灯的开关时间等功能。

2. 2 设计原理

根据模拟路灯节能控制系统结构图，将整体电路分成为五部分: 环境控制电路、时钟电路、交通状况的传感器检测电路、显示控制模块、LED 恒流驱动及故障检测电路。

2. 2. 1 环境控制电路

利用光敏电阻的阻值与光照度呈反比例关系，采样其两端的电压信号，利用采样的电压信号通过施密特触发器输出的TTL 电平来控制LED 灯的开关。电路可靠，有效地避免由于短时间光照剧烈变化引起的误动作，操作者可以通过电位器方便的进行调试。

2. 2. 2 时钟电路

使用时钟专用芯片DS1302 进行时钟控制， 通过外加很少的电路就可以实现高精度的时钟信号。

外围电路简单可靠，时间精度高，采用串口通信可以节省I /O 口的资源，通过外接锂电池后可以实现时间信息储存。

2. 2. 3 交通状况的传感器检测电路

使用红外传感器， 来判断物体是否通过相关位置，并送入单片机判断执行相关程序。它具有光电传感器的优点，又避免了LED 灯的灯光干扰。

2. 2. 4 显示控制模块

使用128 × 64 液晶点阵进行信息显示，使用独立键盘进行功能切换和时间调整。信息量大，外围电路简单，通过下拉式菜单方便操作，人机界面友好。

2. 2. 5 LED 恒流驱动及故障检测电路

利用三端可调稳压集成块LM317，实现恒流输出。PWM 脉宽调制法来控制灯的亮度，可以精确的控制灯的亮度和功率，而且LED 灯在从暗到亮的变化中过度平滑。可以选用单片机内部集成有两路PWM脉宽，能方便的产生所需要的PWM 脉宽调制信号。

2. 3 系统组成

2. 3. 1 根据以上的设计思路及设计原理确定系统组成框图如图2。

图2 系统组成框图

2. 3. 2 每只LED 灯控制逻辑关系图

每只LED 灯控制逻辑关系图如图3 所示。在规定的时间条件成立( 开灯时间) 或环境明暗条件成立( 暗到一定程度) 的情况下开灯; 当有物体( 如人、车等) 通过到规定的区域内时灯亮， 当物体离开规定区域时灯灭，实现节能要求。

图3 LED 灯控制逻辑关系图

3 单元电路设计

3. 1 环境光控制电路

环境控制电路是对环境光亮度的检测，将检测信号送单片机P15， 从而实现自动开灯关灯。图4为环境控制电路图。

明暗检测采用光敏电阻RG1 和R12 ( RP2 ) 分压，提取电压信号，送到由555 定时器组成的施密特触发器。当环境暗到一定程度( 通过RP2 可以方便的调节) ，RG1 阻值上升，施密特触发器翻转， 将电平信号送单片机处理。C8 为抗干扰设计， 如天暗时，闪电的干扰，C8 使555 的2 脚电压不会突变，防止误动作。D2 为指示灯，方便调试。

图4 环境控制电路图

3. 2 时钟电路

DS1302 是一款高精度时钟集成电路，它可以进行年、月、日、星期、时、分、秒计时，功能强大。

电路如图5 所示。

图5 时钟电路图

3. 3 交通状况的传感器检测电路

传感器检测电路如图6 所示。

传感器采用E18-D80NK 红外传感器，是一种集发射与接收于一体的光电传感器。检测到目标是低电平输出，正常状态是高电平输出; 检测距离可以根据要求进行调节。

图6 传感器检测电路图

3. 4 显示控制模块

显示控制模块如图7 所示。控制见软件设计。

图7 显示控制模块

3. 5 LED 恒流驱动及故障检测电路

恒流驱动及故障检测电路如图8 所示。

图8 是其中一路LED 恒流驱动电路。恒流驱动最简单的两端线性恒流驱动电路。它借用三端集成稳压器LM317 组成恒流电路，外围仅用两个元件:

电流取样电阻R42 和抗干扰消振电容C9。J9、J10、J12 分别是路灯、压降测试端、电流测试端。

恒流值I 由R42 值来确定: I = 1. 25 /R42。

1. 25 V 是LM317 的基准电压。反过来，根据所要求的恒流值I， 可计算电流取样电阻: R42 =1. 25 / I。

LM317 最大输出电流可达1. 5 A，工作压差≤40V，稳流精度高，可达± 1 ～ 2% ，内部设有过流、过热保护，使用安全可靠。

LM317 工作在线性状态， 其功率损耗P = UI，在恒流值I 已定的情况下，只有降低工作压差U 才能降低功耗。合适的工作压差选择在4 ～ 8V 范围。

低于3V 将不恒流了。

单片机输出PWM 加在IRF540 栅极，控制其通断，来达到调整LED 亮度( 功率) 的功能。PWM频率一般取值经验500 ～ 1000Hz，通过信号发生器实际测试PWM 占空比在20 ～ 100% 范围调节，频率到1000Hz 左右时路灯无闪烁感。

故障检测电路，采集IRF540 漏极电压，经D6、R40、C7 峰值检波电路得到直流电压信号， 与LM393 组成的比较器的2 脚电压比较输出电平信号送单片机P10 检测。按图元件取值，实测路灯正常时，C7 电压为3. 3V，断路故障时0V，短路故障时7. 2V。实际电路只做了检测断路故障， 平时P1. 0为高电平，断路故障时3932 脚电压为0V，比较器翻转输出低电平。R39 调节比较器基准电压，可以在1V 左右，防止干扰信号。R37 取值关键， 影响C7 的放电时间。经实验取300K 较合适。短路检测原理同上。注意PWM 的占空比只能在20% ～99. 5% 之间调节，当输出100% 的PWM 时，IRF540始终处于导通状态，C7 不会被充电， 会影响故障检测。

图8 恒流驱动及故障检测电路

图9 键盘及液晶显示流程图

4 软件设计

软件设计的关键是按要求对路灯控制和液晶的操作界面设置。

4. 1 软件实现的功能

(1) 时钟功能。( 2 ) 路灯控制。( 3 ) 2 路PWM 控制。(4) 键盘及液晶显示。

4. 2 键盘及液晶显示

液晶显示和功能设置采用菜单式操作，流程图如图9 所示。液晶带汉字库，操作界面友好方便，设置四个多功能键和一个返回键完成整个路灯控制设置和PWM 输出。

4. 3 路灯控制流程图

图10 路灯控制流程图

5 系统测试

5. 1 时钟设置测试

通过菜单操作，进入时间设定，和开关灯设置。

设置当前时间在开关灯时间内: 实测时，当前时间设置为20 点、两路灯的开灯均设置为18 点、关灯时间设置均为为6 点。移动物体按设计要求进行测试，满足要求。

5. 2 环境明暗变化测试

晚上，用物体遮挡光敏电阻， 调节PR2 关灯，指示灯D2 灭，表示调好。关灯移动物体按设计要求进行测试，满足要求。

5. 3 独立时间控制设置

将两灯开关时间分别设置。一路满足开灯时间条件，一路不满足时间条件。

移动物体按基本要求进行测试，满足开灯时间条件的路灯会按要求亮灭，不满足时间条件的路灯长灭。交换两路灯开灯条件结果一致。

5. 4 将路灯1 去掉( 模拟断路) ，满足时间条件，移动物体按基本要求路灯1 应该亮，蜂鸣器响，同时示警灯闪烁，液晶显示L1 故障。路灯2 同样满足要求。实际的LED 灯故障基本都是断路，所以仅作断路检测。

5. 5 由于路灯LED 亮灭时由PWM 控制， 只要PWM 信号能在20 ～ 100% 内调节， 误差小于2% ，则路灯电源的输出功率就能满足设计要求。实际测试PWM 信号只能在20% ～ 99% 间调节( 见2. 5 所示) ，最大误差1% ，满足设计要求。

6 结束语

模拟路灯节能控制系统经测试完全满足设计要求和工作需要，控制系统操作界面简单易懂，单电源供电使电路简洁明快，成本低廉; 环境光控制电路、恒流驱动及故障检测电路设计特色突出，交通状况的传感器检测电路经济实用，整个模拟路灯节能控制系统的应用前景广泛，具有开发应用价值。