路灯节能控制系统设计.docx

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路灯节能控制系统设计

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。

　　2.2.5LED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。