模擬路燈節(jié)能控制系統的設計

【Word版本下載可任意編輯】模擬路燈節(jié)能控制系統的設計1引言

在倡導綠色用電的今天，路燈節(jié)能控制日益成為人們關注的話題，這里設計并制作一套模擬路燈節(jié)能控制系統。節(jié)能控制系統構造如圖1所示。

圖1模擬路燈節(jié)能控制系統構造圖

模擬路燈節(jié)能控制系統實現的功能:支路控制器有時鐘功能，能設定、顯示開關燈時間，控制整條支路按時開燈和關燈;能根據環(huán)境明暗變化，自動開燈和關燈，能根據交通情況自動調節(jié)亮燈狀態(tài);并能分別獨立控制單只路燈的開燈和關燈時間;當圖1模擬路燈節(jié)能控制系統構造圖路燈出現故障時(燈不亮)，支路控制器發(fā)出聲光報警信號，并顯示有故障路燈的地址編號。單元控制器具有調光功能，路燈驅動電源輸出功率能在規(guī)定時間按設定要求自動減小，該功率應能在20%～100%范圍內設定并調節(jié)，調節(jié)誤差≤2%。

2總體設計方案

2.1設計思路

設計采用PWM脈寬調制技術和恒流源電路對路燈的驅動和亮度調節(jié)。通過單片機和傳感器及其檢測電路完成路燈工作狀態(tài)的控制。顯示部分利用液晶顯示模塊，菜單式操作，顯示時間、故障路燈地址、支路開關燈時間、每只燈的開關時間等功能。

2.2設計原理

根據模擬路燈節(jié)能控制系統構造圖，將整體電路分成為五部分:環(huán)境控制電路、時鐘電路、交通狀況的傳感器檢測電路、顯示控制模塊、LED恒流驅動及故障檢測電路。

2.2.1環(huán)境控制電路

利用光敏電阻的阻值與光照度呈反比例關系，采樣其兩端的電壓信號，利用采樣的電壓信號通過施密特觸發(fā)器輸出的TTL電平來控制LED燈的開關。電路可靠，有效地防止由于短時間光照劇烈變化引起的誤動作，操作者可以通過電位器方便的開展調試。

2.2.2時鐘電路

使用時鐘專用芯片DS1302開展時鐘控制，通過外加很少的電路就可以實現高精度的時鐘信號。

外圍電路簡單可靠，時間精度高，采用串口通信可以節(jié)省I/O口的資源，通過外接鋰電池后可以實現時間信息儲存。

2.2.3交通狀況的傳感器檢測電路

使用紅外傳感器，來判斷物體是否通過相關位置，并送入單片機判斷執(zhí)行相關程序。它具有光電傳感器的優(yōu)點，又防止了LED燈的燈光干擾。

2.2.4顯示控制模塊

使用128×64液晶點陣開展信息顯示，使用獨立鍵盤開展功能切換和時間調整。信息量大，外圍電路簡單，通過下拉式菜單方便操作，人機界面友好。

2.2.5LED恒流驅動及故障檢測電路

利用三端可調穩(wěn)壓集成塊LM317，實現恒流輸出。PWM脈寬調制法來控制燈的亮度，可以的控制燈的亮度和功率，而且LED燈在從暗到亮的變化中過度平滑?？梢赃x用單片機內部集成有兩路PWM脈寬，能方便的產生所需要的PWM脈寬調制信號。

2.3系統組成

2.3.1根據以上的設計思路及設計原理確定系統組成框圖如圖2。

圖2系統組成框圖

2.3.2每只LED燈控制邏輯關系圖

每只LED燈控制邏輯關系圖如圖3所示。在規(guī)定的時間條件成立(開燈時間)或環(huán)境明暗條件成立(暗到一定程度)的情況下開燈;當有物體(如人、車等)通過到規(guī)定的區(qū)域內時燈亮，當物體離開規(guī)定區(qū)域時燈滅，實現節(jié)能要求。

圖3LED燈控制邏輯關系圖

3單元電路設計

3.1環(huán)境光控制電路

環(huán)境控制電路是對環(huán)境光亮度的檢測，將檢測信號送單片機P15，從而實現自動開燈關燈。圖4為環(huán)境控制電路圖。

明暗檢測采用光敏電阻RG1和R12(RP2)分壓，提取電壓信號，送到由555定時器組成的施密特觸發(fā)器。當環(huán)境暗到一定程度(通過RP2可以方便的調節(jié))，RG1阻值上升，施密特觸發(fā)器翻轉，將電平信號送單片機處理。C8為抗干擾設計，如天暗時，閃電的干擾，C8使555的2腳電壓不會突變，防止誤動作。D2為指示燈，方便調試。

圖4環(huán)境控制電路圖

3.2時鐘電路

DS1302是一款高精度時鐘集成電路，它可以開展年、月、日、星期、時、分、秒計時，功能強大。

電路如圖5所示。

圖5時鐘電路圖

3.3交通狀況的傳感器檢測電路

傳感器檢測電路如圖6所示。

傳感器采用E18-D80NK紅外傳感器，是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器。檢測到目標是低電平輸出，正常狀態(tài)是高電平輸出;檢測距離可以根據要求開展調節(jié)。

圖6傳感器檢測電路圖

3.4顯示控制模塊

顯示控制模塊如圖7所示?？刂埔娷浖O計。

圖7顯示控制模塊

3.5LED恒流驅動及故障檢測電路

恒流驅動及故障檢測電路如圖8所示。

圖8是其中一路LED恒流驅動電路。恒流驅動簡單的兩端線性恒流驅動電路。它借用三端集成穩(wěn)壓器LM317組成恒流電路，外圍僅用兩個元件:

電流取樣電阻R42和抗干擾消振電容C9。J9、J10、J12分別是路燈、壓降測試端、電流測試端。

恒流值I由R42值來確定:I=1.25/R42。

1.25V是LM317的基準電壓。反過來，根據所要求的恒流值I，可計算電流取樣電阻:R42=1.25/I。

LM317輸出電流可達1.5A，工作壓差≤40V，穩(wěn)流精度高，可達±1～2%，內部設有過流、過熱保護，使用安全可靠。

LM317工作在線性狀態(tài)，其功率損耗P=UI，在恒流值I已定的情況下，只有降低工作壓差U才能降低功耗。合適的工作壓差選擇在4～8V范圍。

低于3V將不恒流了。

單片機輸出PWM加在IRF540柵極，控制其通斷，來到達調整LED亮度(功率)的功能。PWM頻率一般取值經驗500～1000Hz，通過信號發(fā)生器實際測試PWM占空比在20～100%范圍調節(jié)，頻率到1000Hz左右時路燈無閃爍感。

故障檢測電路，采集IRF540漏極電壓，經D6、R40、C7峰值檢波電路得到直流電壓信號，與LM393組成的比較器的2腳電壓比較輸出電平信號送單片機P10檢測。按圖元件取值，實測路燈正常時，C7電壓為3.3V，斷路故障時0V，短路故障時7.2V。實際電路只做了檢測斷路故障，平時P1.0為高電平，斷路故障時3932腳電壓為0V，比較器翻轉輸出低電平。R39調節(jié)比較器基準電壓，可以在1V左右，防止干擾信號。R37取值關鍵，影響C7的放電時間。經實驗取300K較合適。短路檢測原理同上。注意PWM的占空比只能在20%～99.5%之間調節(jié)，當輸出100%的PWM時，IRF540始終處于導通狀態(tài)，C7不會被充電，會影響故障檢測。

圖8恒流驅動及故障檢測電路

圖9鍵盤及液晶顯示流程圖

4軟件設計

軟件設計的關鍵是按要求對路燈控制和液晶的操作界面設置。

4.1軟件實現的功能

(1)時鐘功能。(2)路燈控制。(3)2路PWM控制。(4)鍵盤及液晶顯示。

4.2鍵盤及液晶顯示

液晶顯示和功能設置采用菜單式操作，流程圖如圖9所示。液晶帶漢字庫，操作界面友好方便，設置四個多功能鍵和一個返回鍵完成整個路燈控制設置和PWM輸出。

4.3路燈控制流程圖

圖10路燈控制流程圖

5系統測試

5.1時鐘設置測試

通過菜單操作，進入時間設定，和開關燈設置。

設置當前時間在開關燈時間內:實測時，當前時間設置為20點、兩路燈的開燈均設置為18點、關燈時間設置均為為6點。移動物體按設計要求開展測試，滿足要求。

5.2環(huán)境明暗變化測試

晚上，用物體遮擋光敏電阻，調節(jié)PR2關燈，指示燈D2滅，表示調好。關燈移動物體按設計要求開展測試，滿足要求。

5.3獨立時間控制設置

將兩燈開關時間分別設置。一路滿足開燈時間條件，一路不滿足時間條件。

移動物體按基本要求開展測試，滿足開燈時間條件的路燈會按要求亮滅，不滿足時間條件的路燈長滅。交換兩路燈開燈條件結果一致。

5.4將路燈1去掉(模擬斷路)，滿足時間條件，移動物體按基本要求路燈1應該亮，蜂鳴器響，同時示警燈閃爍，液晶顯示L1故障。路燈2同樣滿足要求。實際的LED燈故障基本都是斷路，所以僅作斷路檢測。

5.5由于路燈LED亮滅時由PWM控制，只要PWM信號能在20～100%內調節(jié)，誤差小于2%，則路燈電源的輸出功率就能滿足設計要求。實際測試