基于AVR单片机的节能路灯控制系统设计

2012-12-10李岩岩任玲芝

巢湖学院学报 2012年6期

李岩岩任玲芝

（1安徽理工大学电子与信息工程学院，安徽淮南 232001）

（2巢湖学院电子工程与电气自动化学院，安徽巢湖 238000）

1 引言

随着我国国民经济的快速发展，全国电能消耗消费也在快速增加，电力资源已经成为紧缺资源[1]，因此节能降耗是近几年国家一直大力推行的政策。在乡镇城市化进程中，路灯照明系统在不断的扩大，节约电能、提高路灯系统管理水平、保证夜间出行安全是一项急需解决的问题。我国目前很多城市路灯系统都使用全夜亮灯的方式提供照明，造成了很多电能资源的浪费[2]。本文本着“有车亮灯、无车熄灯、按需供电”的思想，提出了一种节能路灯控制系统的设计方案。

2 系统总体方案设计

2.1 系统总体框图

系统采用AVR单片机作为主控制器，整个系统由环境明暗状况检测模块、路灯故障检测模块、交通状况检测模块、键盘输入模块、液晶显示模块、声光报警模块、PWM调光模块、恒流驱动模块和系统电源模块组成，如图1所示。

图1 系统总体结构框图

2.2 每个路灯的逻辑关系框图

为了达到节能的要求，本系统要求在规定的开灯时间内或者环境低于一定地暗度的情况下才允许开灯，且交通状况必须是有车辆或有人通行时，路灯才会点亮，否则不允许开启路灯，实现上述逻辑关系框图如图2所示。

图2 路灯节能控制逻辑框图

3 系统单元模块电路设计

本文以实际应用为出发点，力求设计原理简单、硬件结构可靠、开发成本低、易于实现。在器件选择上，也充分考虑到实际应用的具体情况，单片机控制容易，可靠性高。考虑到系统的稳定性和便于调试的特点，本文采用模块化设计方案。

3.1 AVR最小系统

本文采用AVR单片机作为整个系统的微处理器。AVR单片机是一款高性能、低功耗、成本低的8位微控制器，内部集成了丰富的片上资源，构建的最小系统外围接口电路简单可靠[3]。

3.2 环境明暗检测电路

环境明暗检测采用光敏电阻器件，它的阻值具有光越弱阻值越大的特性，根据这个特性设计如图3所示电路。当天气暗到某一程度时，光敏电阻RG阻值增加一定值时，由555定时器构成的施密特触发器就会发生翻转，将电平信号送入AVR单片机处理。为了提高外部恶劣环境的抗干扰性，比如出现闪电，可在555定时器2脚接入104pF的电容，便可防止触发器误翻转。

图3 环境明暗检测电路

3.3 交通状况检测电路

检测道路上有无车辆或行人采用红外对管来实现，如图4所示。当道理上无车辆时，红外对管处于正常状态，信号端输出高电平；当道路上有车辆通行时，就会挡住发射管发射给接收管的信号，接收管处于截止状态，信号端检测到低电平，单片机时刻检测信号端的电平高低，就知道有无车辆通行，从而控制路灯的亮灭。

图4 交通状况检测电路

3.4 恒流驱动及故障检测电路

为了保证路灯能够稳定工作，同时能够根据环境的明暗状况调节路灯的亮度，以进一步达到节能的目的，设计了恒流驱动电路，如图5所示，其中JP1、JP2、JP3分别路灯端、路灯电压测试端、路灯电流测试端。图5是路灯系统中其中一路恒流驱动电路，它由一个三端称压芯片LM317和两个元件构成的。电路中的恒流值I由电阻R12决定，其关系为I=1.25/R12，1.25为LM317的基准电压值。单片机输出PWM信号控制N沟道MOS管IRF540栅极的通断来调LED发光功率（即亮度），在实际测试中，PWM频率在1kHz时路灯亮度稳定，无闪烁感。

当路灯使用很长一段时间后，再加上外部恶劣的环境，便可能会出现路灯发生故障现象，图5的电路还具有检测路灯是否发生故障的功能。通过D1、R4、C1峰值检波电路，采集IRF540漏极电压与比较器LM324比较输出电平信号送到单片机检测电路是否发生故障。当电路正常工作时，C1处的电压为3.3V，比较器输出高电平；当电路出现开路故障时，C1处的电压为0V，比较器输出低电平。

图5 恒流驱动及故障检测电路

3.5 时钟电路、按键电路、液晶显示电路和声光报警电路

当开灯时间到了，即使没有达到环境的明暗程度，这时也要开启路灯，据此设计了时钟电路。系统采用DS1302时钟芯片[4]，采用四个按键实现系统实时时间调整、开灯时间设置、关灯时间设置、PWM调整。LCD1602实时显示实时时间、开灯时间、关灯时间、PWM占空比。若路灯出现故障，系统会发光声光报警，达到提醒的目的。