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。