基于AVR單片機的節(jié)能路燈控制系統(tǒng)設計

李巖巖 任玲芝

（1安徽理工大學電子與信息工程學院，安徽 淮南 232001）

（2巢湖學院電子工程與電氣自動化學院，安徽 巢湖 238000）

1 引言

隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，全國電能消耗消費也在快速增加，電力資源已經(jīng)成為緊缺資源[1]，因此節(jié)能降耗是近幾年國家一直大力推行的政策。在鄉(xiāng)鎮(zhèn)城市化進程中，路燈照明系統(tǒng)在不斷的擴大，節(jié)約電能、提高路燈系統(tǒng)管理水平、保證夜間出行安全是一項急需解決的問題。我國目前很多城市路燈系統(tǒng)都使用全夜亮燈的方式提供照明，造成了很多電能資源的浪費[2]。本文本著“有車亮燈、無車熄燈、按需供電”的思想，提出了一種節(jié)能路燈控制系統(tǒng)的設計方案。

2 系統(tǒng)總體方案設計

2.1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)采用AVR單片機作為主控制器，整個系統(tǒng)由環(huán)境明暗狀況檢測模塊、路燈故障檢測模塊、交通狀況檢測模塊、鍵盤輸入模塊、液晶顯示模塊、聲光報警模塊、PWM調(diào)光模塊、恒流驅(qū)動模塊和系統(tǒng)電源模塊組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2.2 每個路燈的邏輯關(guān)系框圖

為了達到節(jié)能的要求，本系統(tǒng)要求在規(guī)定的開燈時間內(nèi)或者環(huán)境低于一定地暗度的情況下才允許開燈，且交通狀況必須是有車輛或有人通行時，路燈才會點亮，否則不允許開啟路燈，實現(xiàn)上述邏輯關(guān)系框圖如圖2所示。

圖2 路燈節(jié)能控制邏輯框圖

3 系統(tǒng)單元模塊電路設計

本文以實際應用為出發(fā)點，力求設計原理簡單、硬件結(jié)構(gòu)可靠、開發(fā)成本低、易于實現(xiàn)。在器件選擇上，也充分考慮到實際應用的具體情況，單片機控制容易，可靠性高?？紤]到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和便于調(diào)試的特點，本文采用模塊化設計方案。

3.1 AVR最小系統(tǒng)

本文采用AVR單片機作為整個系統(tǒng)的微處理器。AVR單片機是一款高性能、低功耗、成本低的8位微控制器，內(nèi)部集成了豐富的片上資源，構(gòu)建的最小系統(tǒng)外圍接口電路簡單可靠[3]。

3.2 環(huán)境明暗檢測電路

環(huán)境明暗檢測采用光敏電阻器件，它的阻值具有光越弱阻值越大的特性，根據(jù)這個特性設計如圖3所示電路。當天氣暗到某一程度時，光敏電阻RG阻值增加一定值時，由555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器就會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，將電平信號送入AVR單片機處理。為了提高外部惡劣環(huán)境的抗干擾性，比如出現(xiàn)閃電，可在555定時器2腳接入104pF的電容，便可防止觸發(fā)器誤翻轉(zhuǎn)。

圖3 環(huán)境明暗檢測電路

3.3 交通狀況檢測電路

檢測道路上有無車輛或行人采用紅外對管來實現(xiàn)，如圖4所示。當?shù)览砩蠠o車輛時，紅外對管處于正常狀態(tài)，信號端輸出高電平；當?shù)缆飞嫌熊囕v通行時，就會擋住發(fā)射管發(fā)射給接收管的信號，接收管處于截止狀態(tài)，信號端檢測到低電平，單片機時刻檢測信號端的電平高低，就知道有無車輛通行，從而控制路燈的亮滅。

圖4 交通狀況檢測電路

3.4 恒流驅(qū)動及故障檢測電路

為了保證路燈能夠穩(wěn)定工作，同時能夠根據(jù)環(huán)境的明暗狀況調(diào)節(jié)路燈的亮度，以進一步達到節(jié)能的目的，設計了恒流驅(qū)動電路，如圖5所示，其中JP1、JP2、JP3分別路燈端、路燈電壓測試端、路燈電流測試端。圖5是路燈系統(tǒng)中其中一路恒流驅(qū)動電路，它由一個三端稱壓芯片LM317和兩個元件構(gòu)成的。電路中的恒流值I由電阻R12決定，其關(guān)系為I=1.25/R12，1.25為LM317的基準電壓值。單片機輸出PWM信號控制N溝道MOS管IRF540柵極的通斷來調(diào)LED發(fā)光功率（即亮度），在實際測試中，PWM頻率在1kHz時路燈亮度穩(wěn)定，無閃爍感。

當路燈使用很長一段時間后，再加上外部惡劣的環(huán)境，便可能會出現(xiàn)路燈發(fā)生故障現(xiàn)象，圖5的電路還具有檢測路燈是否發(fā)生故障的功能。通過D1、R4、C1峰值檢波電路，采集IRF540漏極電壓與比較器LM324比較輸出電平信號送到單片機檢測電路是否發(fā)生故障。當電路正常工作時，C1處的電壓為3.3V，比較器輸出高電平；當電路出現(xiàn)開路故障時，C1處的電壓為0V，比較器輸出低電平。

圖5 恒流驅(qū)動及故障檢測電路

3.5 時鐘電路、按鍵電路、液晶顯示電路和聲光報警電路

當開燈時間到了，即使沒有達到環(huán)境的明暗程度，這時也要開啟路燈，據(jù)此設計了時鐘電路。系統(tǒng)采用DS1302時鐘芯片[4]，采用四個按鍵實現(xiàn)系統(tǒng)實時時間調(diào)整、開燈時間設置、關(guān)燈時間設置、PWM調(diào)整。LCD1602實時顯示實時時間、開燈時間、關(guān)燈時間、PWM占空比。若路燈出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會發(fā)光聲光報警，達到提醒的目的。

4 系統(tǒng)軟件設計

根據(jù)硬件電路設計相應的軟件驅(qū)動程序，系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

圖6 路燈節(jié)能控制系統(tǒng)流程圖

5 結(jié)束語

經(jīng)測試表明，該路燈節(jié)能控制系統(tǒng)不僅完全滿足設計要求和工作需要，而且還具有可靠性高、成本低、結(jié)構(gòu)簡單許多突出的特點。在環(huán)境檢測電路、恒流驅(qū)動電路及故障檢測電路這三部分的設計也是十分合理、可靠的。本系統(tǒng)節(jié)能效果明顯，提高了電能使用效率，具有廣泛的應用前景和很好的開發(fā)應用價值。

[1]林建平，吳必瑞，葉德柱.基于單片機模擬路燈控制系統(tǒng)的設計[J].河南工程學院學報（自然科學版），2010，22（4）:34-37.

[2]馬騰，李淵，李寶營，等.LED路燈智能控制系統(tǒng)設計[J].大連工業(yè)大學學報,2012，31（1）:75-78.

[3]何薇薇，盧金，楊金明.基于AVR的風光互補路燈控制系統(tǒng)設計[J].照明工程學報，2012，23（1）:112-116.

[4]郭小芳，余明輝.基于單片機的多功能數(shù)字鐘系統(tǒng)設計與分析[J].電子技術(shù)，2012，（6）:35-38.