路灯节能控制系统设计Word格式.docx
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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。
2.2.5LED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3LED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
3.5LED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。
1.25V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1.5A,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。