基于單片機(jī)的智能型節(jié)能路燈控制系統(tǒng)

王 正 王洪誠(chéng) 傅 磊

（西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都 610500）

路燈是城市的重要公共安全和景觀設(shè)施，也是能源消耗大戶，實(shí)現(xiàn)智能照明，不僅節(jié)約能源，更有利于環(huán)境。經(jīng)過(guò)了解，現(xiàn)在大量的路燈都是根據(jù)四季不同的天黑天亮?xí)r間來(lái)控制路燈的開(kāi)關(guān)，先進(jìn)一點(diǎn)的也不過(guò)是簡(jiǎn)單的光敏控制，一直從天黑開(kāi)到天亮，中間不管有沒(méi)有行人、車輛通過(guò)都是不會(huì)關(guān)斷，這樣就造成了大量的能源浪費(fèi)。為了能高效節(jié)能的控制路燈，合理的利用能源，為現(xiàn)代城市的道路提供一個(gè)良好的照明環(huán)境，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的智能型節(jié)能路燈控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠需要獨(dú)立控制每盞路燈的開(kāi)關(guān)與照度，它根據(jù)行人或者車輛通過(guò)情況和照明范圍，自動(dòng)開(kāi)關(guān)路燈并控制其照明度，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，效果較好。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

路燈控制系統(tǒng)采用集成運(yùn)放LM358、MOS 管IRF614 實(shí)現(xiàn)。支路控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)所有照明單元狀態(tài)的狀態(tài)收集、顯示、判斷與發(fā)出控制命令，是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心部分；單元控制器是系統(tǒng)的執(zhí)行終端，完成對(duì)該單元所有狀態(tài)的采集與通信，接收支路控制器的控制指令并執(zhí)行。系統(tǒng)組成基本框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本組成框圖

1.2 模塊電路設(shè)計(jì)

1）控制方案

系統(tǒng)采用集中控制和就地控制相結(jié)合的方式。支路控制單元可以集中對(duì)各個(gè)單元電路進(jìn)行控制，同時(shí)各個(gè)單元控制電路也可以根據(jù)所采集的狀態(tài)，進(jìn)行綜合判斷，并做出相應(yīng)的控制動(dòng)作。整個(gè)系統(tǒng)的控制方式靈活，兩種方式互補(bǔ)，既減輕了支路控制器的負(fù)擔(dān)，使整個(gè)系統(tǒng)的控制容量可以做得很大；又可以避免支路控制器的故障而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓，保證各個(gè)單元仍然能夠正常的工作。

2）信息傳輸方式

由于傳統(tǒng)的232 通信方式傳輸距離有限，在實(shí)際路燈系統(tǒng)中，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離路燈的控制，本設(shè)計(jì)采用485 通信方式[1]，該方式除了具有232 通信的優(yōu)點(diǎn)外，還具有傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，在2400B 的碼元速率下，傳輸距離可達(dá)10km 以上。為實(shí)際路燈控制系統(tǒng)提供遠(yuǎn)距離傳輸保證。

3）移動(dòng)物體定位檢測(cè)

采用紅外通信編碼[2]，其靈敏度較高，傳送距離較遠(yuǎn)，光源安全，電路簡(jiǎn)單并易于實(shí)現(xiàn)。

4）恒流源電路

如果選擇單獨(dú)運(yùn)算放大器構(gòu)成恒流電路，輸出電流只能達(dá)到幾十毫安，不能滿足LED 照明所需電流，必須加入擴(kuò)流電路。系統(tǒng)采用高精度運(yùn)算放大器LM358 和MOS 管IRF614 擴(kuò)流電路組合，可以實(shí)現(xiàn)精確的恒流電路[3]。

支路控制器和單元控制器硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2和圖3所示。

圖2 支路控制器框圖

圖3 單元控制器框圖

2 工作原理

系統(tǒng)的支路控制器和單元控制器分別采用STC89C52 和STC12C2052A/D 單片機(jī)[4]，這兩種MCU 具有1 個(gè)232 口和1 個(gè)SPI 通信口。

移動(dòng)物體檢測(cè)采用紅外通信編碼的方式[5]。這種檢測(cè)不持續(xù)發(fā)射，而是每隔5ms 發(fā)射一個(gè)持續(xù)時(shí)間為0.25ms、頻率為40kHz 的載波信號(hào)，相當(dāng)于“紅外雷達(dá)”，對(duì)≥50cm 長(zhǎng)的物體以180km/h 通過(guò)時(shí)，其經(jīng)過(guò)探頭的時(shí)間為10ms，可被檢測(cè)兩次，完全能滿足檢測(cè)需要。檢測(cè)原理如圖4所示。

圖4 紅外檢測(cè)原理示意圖

圖5是恒流源電路，采用LM358 搭建而成。第一級(jí)運(yùn)放構(gòu)成跟隨器[6]，可以得到第一級(jí)同相端3腳的電壓與第二級(jí)運(yùn)放同相端5 腳的電壓相等，從而得到反相端6 腳的電壓與3 腳的電壓相等，該電壓經(jīng)電阻R14 形成一個(gè)恒定電流。因此，調(diào)整3 腳輸入的電壓，就可以改變恒流源的電流。電路簡(jiǎn)單，元件很少，靈敏度高，不需要對(duì)外圍元件進(jìn)行匹配調(diào)節(jié)，真正實(shí)現(xiàn)免調(diào)試功能。電源波動(dòng)影響極小，電壓從10～36V 變化，其恒流穩(wěn)定性超過(guò)1/1000。其等效內(nèi)阻高達(dá)70MΩ以上。其上端增加了功率限流電阻，防止電流過(guò)大而造成路燈損壞。

圖5 恒流源原理電路

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的調(diào)光，達(dá)到智能控制照明度，單元控制系統(tǒng)采用了對(duì)路燈驅(qū)動(dòng)電源功率的閉環(huán)控制，利用PWM 脈寬調(diào)制[7]實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能。同時(shí)，利用光敏電阻對(duì)環(huán)境光線以及路燈狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，作為該調(diào)節(jié)電路的反饋輸入，使得路燈的亮度跟隨環(huán)境光線的變化以及路燈開(kāi)閉的狀態(tài)實(shí)時(shí)線性調(diào)整。

故障自動(dòng)檢測(cè)電路。系統(tǒng)能夠?qū)懔髟椿鶞?zhǔn)電壓、路燈回路電流以及路燈狀態(tài)進(jìn)行反饋采集，并進(jìn)行綜合判斷，得出系統(tǒng)工作狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)控制輸出值與恒流源基準(zhǔn)電壓值偏離時(shí)，回路未工作在恒流狀態(tài)恒流源電路故障；當(dāng)系統(tǒng)控制燈亮，而反饋路燈狀態(tài)為滅時(shí)，路燈回路故障，此時(shí)，若恒流源基準(zhǔn)電壓為0，說(shuō)明路燈開(kāi)路；若恒流源基準(zhǔn)電壓正常，則說(shuō)明路燈短路。系統(tǒng)實(shí)時(shí)查詢上述各狀態(tài)，形成故障自動(dòng)檢測(cè)體系。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件流程圖

支路控制器電路軟件流程如圖6所示。它包括定時(shí)中斷和響應(yīng)按鍵兩部分。定時(shí)中斷部分產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍，定時(shí)讀取時(shí)鐘芯片時(shí)間、輪詢各單元控制器的數(shù)據(jù)、刷新LCD 顯示；響應(yīng)按鍵部分則根據(jù)按鍵進(jìn)入功能界面，完成各種功能選擇、初值設(shè)定。這種設(shè)計(jì)方式在中斷里面僅僅處理相應(yīng)標(biāo)志位，而在程序主循環(huán)中根據(jù)標(biāo)志處理任務(wù)。

圖6 支路控制器電路軟件流程圖

圖7是單元控制器電路軟件流程圖。它包括串口通信和T0 定時(shí)器模塊兩部分，其中T0 定時(shí)器包括電子表、軟件脈寬調(diào)制、鍵盤、軟件紅外系統(tǒng)、實(shí)時(shí)故障診斷以及動(dòng)態(tài)顯示六個(gè)子模塊，系統(tǒng)不工作的間隙都是處于睡眠狀態(tài)，有利于進(jìn)一步減小系統(tǒng)功耗。

圖7 單元控制器電路軟件流程圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)特點(diǎn)

主從式多機(jī)通信方式：在主從式多機(jī)通信系統(tǒng)中，當(dāng)主機(jī)輪詢從機(jī)時(shí)，未被呼叫的從機(jī)不停接收主機(jī)下發(fā)的信息，產(chǎn)生接收中斷，增加從機(jī)的工作負(fù)擔(dān)，使從機(jī)的工作效率極低。在本系統(tǒng)中，為了避免這種情況的發(fā)生，采用了一套多機(jī)通信協(xié)議，協(xié)議中包含地址幀，從機(jī)收到地址幀后，判斷是否呼叫本機(jī)，再?zèng)Q定是否繼續(xù)后續(xù)的數(shù)據(jù)接收[8]。從而提高從機(jī)的工作效率。

環(huán)境光照自適應(yīng)學(xué)習(xí)：在系統(tǒng)中，單元控制器還可以根據(jù)環(huán)境光照的變化調(diào)整路燈明暗。系統(tǒng)以光敏電阻實(shí)時(shí)采集環(huán)境光照的變化，反饋給單元控制器MCU。由于不同場(chǎng)合、或同一場(chǎng)合不同時(shí)間的環(huán)境光照均有差別，且光敏電阻光電特性也有個(gè)體差異，系統(tǒng)增加了環(huán)境光照自適應(yīng)學(xué)習(xí)和校正的功能。以開(kāi)機(jī)后30s 內(nèi)的光照對(duì)應(yīng)的AD 采樣均值為基準(zhǔn)，動(dòng)態(tài)調(diào)整路燈開(kāi)關(guān)閾值與功率調(diào)整基準(zhǔn)[9]。

友好的人機(jī)界面：支路控制器采用128*64 的LCD為顯示屏，以6 鍵鍵盤為輸入設(shè)備，可實(shí)時(shí)顯示路燈狀態(tài)，系統(tǒng)時(shí)間，報(bào)警時(shí)間等多種信息，設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間、開(kāi)關(guān)燈時(shí)間、設(shè)置路燈功率、與單元控制器工作模式。采用交互式的人機(jī)界面設(shè)計(jì)操作方便，不需要關(guān)機(jī)就可以從一種狀態(tài)切換至其他狀態(tài)。采用前后臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，在中斷里面處理事件標(biāo)志，主流程中檢測(cè)標(biāo)志處理具體事務(wù)，程序有很強(qiáng)的健壯性。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 根據(jù)環(huán)境明暗自動(dòng)開(kāi)燈關(guān)燈測(cè)試

測(cè)試方法：模擬環(huán)境的明暗變化，采用人為改變環(huán)境明暗以及遮擋環(huán)境光監(jiān)測(cè)光敏電阻的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。開(kāi)關(guān)燈閾值由系統(tǒng)自動(dòng)學(xué)習(xí)設(shè)定。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 環(huán)境明暗自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈測(cè)試結(jié)果

當(dāng)環(huán)境暗于閾值時(shí)，燈打開(kāi)；當(dāng)環(huán)境亮于閾值時(shí)，燈關(guān)掉。本測(cè)試在每個(gè)不同的閾值情況下，都做了多次測(cè)試。結(jié)果表明，本系統(tǒng)完全能夠根據(jù)環(huán)境的明暗，而自動(dòng)開(kāi)燈或關(guān)燈。

4.2 根據(jù)交通情況自動(dòng)調(diào)節(jié)照明度

測(cè)試方法：在外界環(huán)境條件一定的情況下，推動(dòng)可移動(dòng)物體在模擬道路中移動(dòng)，測(cè)試2 個(gè)LED 燈狀態(tài)。結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

表2 物體從左向右移動(dòng)時(shí)測(cè)試結(jié)果

表3 物體從右向左移動(dòng)時(shí)測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果分析，本系統(tǒng)完全能夠滿足非常精確的要求，根據(jù)交通情況自動(dòng)調(diào)節(jié)照明度。

4.3 恒流源電路測(cè)試

測(cè)試方法：調(diào)整運(yùn)放的輸入端電壓，使得電流分別為10mA、100mA、200mA，用可調(diào)直流穩(wěn)壓電源改變系統(tǒng)輸入電壓，用三位半數(shù)字三用表測(cè)試電流。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

從表中可以看出，不同檔位的電流在電壓變化時(shí)穩(wěn)定性高，電壓波動(dòng)對(duì)恒流源電路的影響極小，電壓從10～36V 變化，其恒流穩(wěn)定性超過(guò)1/1000，性能非常優(yōu)越。

表4 恒流源測(cè)試結(jié)果

4.4 調(diào)光功能電路測(cè)試

測(cè)試方法：將一個(gè)三用表串入LED 燈驅(qū)動(dòng)電源回路測(cè)試電流，另一三用表測(cè)試LED 燈兩端電壓，計(jì)算實(shí)際功率。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 調(diào)光功能測(cè)試結(jié)果

在功率設(shè)定完成后，電路中的電流瞬間改變到表中的測(cè)試值，表明功率調(diào)節(jié)功能可以在瞬間完成；由表中可以看出，誤差最大的是100%功率檔，為1.44%；誤差最小的是50%功率檔，為0.02%，精確度非常高。

4.5 定時(shí)開(kāi)關(guān)燈測(cè)試及故障測(cè)試

定時(shí)開(kāi)關(guān)燈測(cè)試方法：對(duì)每個(gè)路燈單獨(dú)設(shè)定和對(duì)兩個(gè)路燈同時(shí)設(shè)定兩種情況都進(jìn)行了測(cè)試。經(jīng)多次測(cè)試表明，系統(tǒng)完全能夠按照設(shè)定的時(shí)間和要求，準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)開(kāi)燈和關(guān)燈功能。

故障測(cè)試方法：在進(jìn)行故障測(cè)試時(shí)，人為地使路燈短路或開(kāi)路，觀察支路控制器的顯示及聲音。結(jié)果表明，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，支路控制器能夠及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，同時(shí)，LCD 液晶屏上顯示相應(yīng)的故障和地址編號(hào)，均能達(dá)到最初我們?cè)O(shè)想的要求。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完全智能化控制，移動(dòng)物體的距離測(cè)量最高達(dá)到0.3cm，恒流源功率測(cè)試誤差≤0.02%。系統(tǒng)具有閉環(huán)自動(dòng)檢測(cè)和學(xué)習(xí)自適應(yīng)功能，同時(shí)具有完備的指示和保護(hù)系統(tǒng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，通過(guò)設(shè)計(jì)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，效果較好，同時(shí)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在線遠(yuǎn)程升級(jí)功能，提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性。

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