模拟路灯节能控制系统的设计

于军 邢永中

(鹤壁职业技术学院电子信息工程系，河南鹤壁 458030)

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［3］。

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［4］

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］

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

图3 LED灯控制逻辑关系图

2.3.2 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。

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［5］。

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4 环境控制电路图

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。

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。

3.5 LED恒流驱动及故障检测电路

图6 传感器检测电路图

图7 显示控制模块

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［1］

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。

说明:该论文指导设计的电子作品在2009年全国大学生电子设计竞赛河南赛区获一等奖见http://jwc.zzti.edu.cn/InfoView.aspx?id=1061

［1］林方键，胥布工.基于ZigBee网络的路灯节能控制系统［J］. 控制工程，2009，16(3):324～326

［2］黄鑫，林在荣，周明等.时钟芯片RS5C372A/B在无功补偿节能系统中的应用 ［J］.电子技术应用，2009，8:21～23

［3］蔡可健.道路照明节能控制系统设计 ［J］.电力电子技术，2006，40(6):14～15

［4］上海耐杰科技实业发展有限公司.浅析道路照明节能控制方法 ［J］.照明工程学报，2006，17(B03):35～36

［5］徐健丰.基于PLC的路灯智能节能控制系统设计 ［J］.电子元器件应用，2008，10(11):65～66