基于溫度的戶外燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

殷軍　張瑜　耿墅　劉尚　朱輝

摘? 要：文章為了研究戶外路燈溫度與使用壽命的關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種基于溫度的戶外路燈控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用MK64單片機(jī)為控制核心，配合熱電偶傳感器，完成對(duì)戶外燈的溫度測(cè)量，采用AD8495芯片對(duì)熱電偶的冷端進(jìn)行補(bǔ)償，獲得更為精確的溫度。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)探究最優(yōu)的戶外路燈控制方案。

關(guān)鍵詞：戶外路燈;熱電偶測(cè)溫;冷端補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TP273? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）18-0050-03

Abstract： In this paper， in order to study the relationship between the temperature and service life of outdoor street lamp， an outdoor street lamp control system based on temperature is designed. The system uses MK64 single-chip microcomputer as the control core and thermocouple sensor to complete the temperature measurement of outdoor lamp. AD8495 chip is used to compensate the cold end of thermocouple to obtain more accurate temperature， so as to set up an experimental platform to explore the optimal outdoor street lamp control scheme.

Keywords： outdoor street lamp; thermocouple temperature measurement; cold end compensation

引言

自從愛迪生發(fā)明電燈以來，戶外照明逐漸成為電能消耗最主要的部分，照明用電占全世界發(fā)電總量的12%～14%[1]。自2010年以后我國(guó)城鎮(zhèn)化不斷推進(jìn)，2013年照明用電占比就達(dá)到14.15%，其中道路景觀照明和公共設(shè)施照明的占比不斷增加，達(dá)到總量的5%為2622.37億kWh[2，3]。伴隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，LED照明產(chǎn)業(yè)不斷融合，我國(guó)已經(jīng)成為全球生產(chǎn)LED照明燈具的重要基地，2019年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)我國(guó)產(chǎn)量占世界總生產(chǎn)量的80%以上。

戶外燈從最早的鎢絲燈發(fā)展到現(xiàn)在LED燈，所產(chǎn)生的熱損失一直是不斷地消耗電能的原因，也是減少燈具壽命的主要原因。研究表明，當(dāng)LED燈的發(fā)光強(qiáng)度衰降到70%，結(jié)溫至65℃時(shí)，燈的發(fā)光時(shí)間可以保持在9萬～10萬小時(shí)之間;結(jié)溫繼續(xù)升高10℃達(dá)到75℃，壽命也將大幅度減小，僅有5萬小時(shí)，隨著結(jié)溫的上升，照明燈的壽命只會(huì)變得越來越短。

為了解決照明燈具的能耗和壽命問題，有人采用單片機(jī)智能路燈控制系統(tǒng)，根據(jù)環(huán)境自動(dòng)亮滅燈和自動(dòng)調(diào)節(jié)燈的亮度[4];有人采用以ZigBee網(wǎng)絡(luò)為核心，由路燈終端節(jié)點(diǎn)、無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和照明控制中心組成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的遠(yuǎn)程手動(dòng)或自動(dòng)控制、路燈狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障路燈精確定位[5-7];陳名松等基于車燈識(shí)別設(shè)計(jì)了一種車輛有無的檢測(cè)算法，通過車輛的需求自動(dòng)控制路燈的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)路燈的節(jié)能控制[8]。檢測(cè)燈具的能耗溫升，然后調(diào)整供電參數(shù)和供電方式也是一個(gè)比較有效方法。我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于MK64FN1M0VLQ12單片機(jī)的戶外燈溫升檢測(cè)系統(tǒng)，嘗試找到燈具能耗和光照強(qiáng)度的平衡點(diǎn)。

1 系統(tǒng)方案的總體設(shè)計(jì)

戶外燈升溫測(cè)量系統(tǒng)主要以MK64FN1M0VLQ12單片機(jī)為智能控制核心，外圍電路包括溫度采集模塊、按鍵模塊、屏幕顯示模塊、USB通信模塊、供電電壓調(diào)節(jié)模塊、LED燈功率控制模塊。熱電偶調(diào)理電路采集戶外燈的溫度經(jīng)過冷端補(bǔ)償和放大之后，由溫度采集模塊發(fā)送到控制中心處理，控制中心通過對(duì)供電電壓的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈功率控制，用屏幕顯示溫度值及戶外燈的電壓、電流值。通過不斷的對(duì)戶外燈測(cè)量、對(duì)供電電壓的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度采集方案的選擇

方案一：選用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，該傳感器使用簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，但DS18B20只能測(cè)量燈的外部溫度，且DS18B20測(cè)溫范圍為-55℃～+125℃，不符合戶外燈溫升測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量要求。方案二：選用熱電偶作為采集傳感器，熱電偶傳感器具有裝配簡(jiǎn)單、更換方便、壓簧式感溫元件，抗震性能好、測(cè)量范圍大（-200℃～1300℃）、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。符合設(shè)計(jì)要求，因此選擇使用方案二。

2.2 基于AD8495的冷端補(bǔ)償方案

本文采用熱電偶采集戶外燈溫度，熱電偶的冷端溫度作為測(cè)度的基準(zhǔn)溫度，常選擇冰點(diǎn)作為參考溫度，獲得冰點(diǎn)溫度最簡(jiǎn)單的方法是使用冰水混合物實(shí)現(xiàn)0℃參考溫度。但該方法產(chǎn)生的誤差大，同時(shí)使用分立元件不僅提高了設(shè)計(jì)成本，且在實(shí)際工程中也難以實(shí)現(xiàn)。在本次應(yīng)用中，熱電偶是直接焊接在電路板上的，冷端以0℃為參考溫度不符合實(shí)際應(yīng)用。為了提升實(shí)驗(yàn)測(cè)量戶外燈溫度的準(zhǔn)確性，需要對(duì)熱電偶的冷端進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以便獲得熱電偶測(cè)量端準(zhǔn)確測(cè)量溫度。

熱電偶的測(cè)量端所測(cè)的溫度由熱端的輸出電壓與冷端的電壓之差經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的。通常情況下以自由端為0℃時(shí)的電壓為基準(zhǔn)電壓。而在實(shí)際應(yīng)用中熱電偶冷端溫度是室溫，會(huì)隨著外界環(huán)境不斷變化，由于冷端的溫度變化會(huì)導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量結(jié)果也會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化而變化，因此需要進(jìn)行冷端補(bǔ)償，補(bǔ)償公式如下：