LED路灯模拟控制系统的设计与实现

□李显圣，闭吕庆

（1.广西职业技术学院，广西 南宁 530226；2.玉林师范学院，广西 玉林 537000）

LED路灯模拟控制系统的设计与实现

□李显圣1，闭吕庆2

（1.广西职业技术学院，广西 南宁 530226；2.玉林师范学院，广西 玉林 537000）

设计了一套LED路灯模拟控制系统。系统采用单片机控制，由支路控制器和单元控制器构成，控制器间采用多机串行通信方式通信，以两路1W的LED灯控制系统模拟两个单元控制器，采用恒流电路驱动，通过多种控制方式，如定时控制、根据环境光线明暗控制、根据交通情况控制及LED灯的短路和断路故障报警等，实现了LED灯的节能和智能控制。制作表明，本系统达到了较高的技术指标.

恒流源；故障检测；功率调节；单片机；LED灯

1 前言

城城市的路灯照明系统作为城市的一项重要的公共设施必将随着城市的发展而不断地发展，并会朝着节能和智能化的方向发展.近年来，随着国家低碳经济发展战略和绿色照明工程的实施，城市路灯照明系统也朝着节能、高效、环保的方向不断地发展[1].

本文以目前较为热门的LED路灯照明系统为研究对象，设计了一套模拟控制系统，使照明系统具有定时控制、随环境明暗自动控制、根据交通流量自动控制及故障报警并能精确指示故障位置等功能[2].文中采用1W LED灯模拟实际路灯，设计了两个路灯支路.

2 系统硬件设计

2.1 总体方案

本系统采用单片机控制，由支路控制器和单元控制器组成.支路控制器分别由单片机最小系统模块、显示模块、时钟电路模块、自然光信号检测模块、键盘模块、声光报警模块组成.单元控制器由单片机最小系统模块、恒流源模块、故障检测模块、热释红外检测模块组成.支路控制器与单元控制器间均采用串行口通信.系统组成框图如图2.1所示.

图 1 系统组成框图

2.2 硬件设计

2.2.1 支路控制器硬件设计

支路控制器的主控芯片采用51单片机，型号为STC89C58RD+.

为实现支路控制器能根据环境明暗变化，自动开灯和关灯，系统中加入了自然光信号的检测电路，光敏元件采用光敏电阻.为避免控制器误动作，增加电路的抗干扰能力，检测电路采用了电压滞回比较器[3,4].电路如图2所示.

图2 光信号检测电路

支路控制器的时间信息通过RTC芯片DS1302产生[5]，本方案与通过单片机内部定时器产生时间信息相比，具有如下好处：首先，采用时钟芯片可以大大减小单片机的繁忙程度，使单片机能更及时检测到各种模块的状态及做出相应的处理.其次，时间的准确度较高.另外，DS1302自带的31字节RAM可做少量数据的备份用.

2.2.2 单元控制器硬件设计

单元控制器采用单片机控制，型号为AT89C2051.单元控制器的电路设计叙述如下：

（1）恒流源电路设计

恒流源电路[3,5]如图3所示.由于光源采用1W的LED灯，最大工作电流为319mA，工作电压约为3.4V.恒流源采用+6V直流供电，为降低在采样电阻R5上消耗的功率，在设计电路时，选择了3Ω的阻值，功率为1W.R1和R2是为了衰减来自D/A转换器的电压而设计的.该电路输出最大功率时，运放反相输入端得到的反馈电压约为1V，D/A转换器的最大输出电压为5V，从而R1和R2的参数比为4：1，在此选择了4KΩ和1KΩ. C1可以滤除干扰信号，保证电路正常工作时不会因为干扰信号引起运放输出负电压，而使三极管截止.恒流源的功率采用D/A转换器MAX517控制[6]，控制精度高.其输出电流计算公式是：I=UR5/R5.图中Q3是为了解决恒流源不能完全关断的问题而引入的.

图3 恒流源电路

（2）故障检测电路设计

当灯不亮时，可能是因为灯短路或开路引起的，故障的检测必须兼顾到这两种情况.当出现灯短路时，图3中Q2的集电极电压Vc=6V，正常情况下，约为2.6V.根据这些参数设计电路如图4所示[7,8]，其检测信号经变换成高低电平后送至单片机的外部中断口.图中的稳压管选择5.1V的稳压值，为正常状态下的Vc值留出余量，确保不误报警.电路的工作原理为：正常工作状态下，稳压管不会被击穿，三极管截止，单片机中断口获得高电平；灯短路时，稳压管击穿，三极管饱和导通，单片机中断口获得低电平，触发中断.

同理，只要得到灯开路时电路的电压变化即可为单片机提供报警信号.经分析和实测得到，当灯开路时，图3中运放输出端的电压变化明显.电路正常工作时，运放输出端电压小于4V，当出现灯开路时，该端为10V.据此，只需修改稳压管D和R1的值就可以采用与图4电路结构相同的电路来检测该状态.R1可取500Ω，D的稳压值可取8.2V，电路的检测点为TL082的第1脚.

图4 灯短路检测电路

本系统每个单元控制器通过两组热释红外线检测探头检测交通情况，模拟行人进入某单元路灯照明范围时，路灯自动点亮，行人离开该路灯照明范围时自动关灯，以达到最大限度的节能.为增加探头的探测距离，安装时为热释红外线传感器增加了菲涅尔透镜.热释红外线探头的电路[3,7]及其安装示意图分别如图5和图6所示.

图5 热释红外线检测电路

图6 探头安装示意图

3 软件设计

3.1 程序设计思路

3.1.1 支路控制器部分

支路控制器的程序主要有时钟芯片DS1302驱动程序、LCD1602显示驱动程序、键盘及其功能程序、光信号判断程序及串行通信程序.支路控制器程序的设计思路为：控制器上电，单片机初始化完成后，立刻读取时钟芯片的时间信息，再检测单元控制器的工作状态和各种控制信息的状态，如果出现异常状态，则显示报警信息或通过串行口发出控制单元控制器的开关灯控制命令，否则，显示时间日历，并扫描键盘.如果键盘被按下，则执行对应的功能程序，并将设定的数据备份至DS1302的RAM中.所有支路控制器对单元控制器的控制信息均以命令形式通过单片机的串行口发送出去，单元控制器发送回来的状态信息采用串口中断方式接收并判断是哪个单元发送回来的何种状态信息最后送显示[9,10].

3.1.2 单元控制器部分

单元控制器的程序主要有MAX517驱动程序、交通状况检测程序、串行通信程序.单元控制器程序的设计思路为：控制器上电，单片机初始化完毕后关闭路灯，等待支路控制器的开关灯控制命令及亮灯的功率参数，接收到相关信息后，再通过控制DA转换器输出相应的电压信号控制恒流源，达到控制目的.当单元控制器检测到物体越过规定点时，将该信息通过串口通信反馈给支路控制器，再根据支路控制器发回的开关灯命令执行规定动作.

3.2 程序流程图

3.2.1 支路控制器程序流程图

图7 支路控制器程序流程图

3.2.2 单元控制器程序流程图

图8 单元控制器程序流程图

4 测试结果及分析

（1）两条支路均可独立实现定时开关灯控制.

（2）当用手遮挡光敏电阻时，LED灯自动点亮，移开手时，LED灯自动关闭.

（3）功率可在20%～100%范围内调节，功率指标具体测试结果如表1所示.

表1 功率测试表

由表1可得，调节误差≤1.2%.

（4）当设置故障时，能准确显示故障种类和故障路灯地址.

（5）可模拟实现根据交通情况自动开关灯，即没有行人进入路灯的照明范围时，路灯是关闭的，反之则点亮.

5 结束语

综上所述，本系统能够对LED路灯实现节能和智能控制，并且达到了较高的功率控制精度，系统功能已在硬件平台上验证通过.本文系统的设计思路可应用于实际LED路灯照明系统中，有较高的应用价值.系统的单元控制器采用软件编址，易于扩展单元控制器数量.若增加上位机软件，则操作更方便，更具应用价值. ■

[1]冯璐，余有灵.城市照明智能管理系统解决方案[J].电子技术与软件工程，2012，(2)：39-41.

[2]纪玲玲.路灯控制系统控制方法研究[J].广西物理，2009，30(3):38-40.

[3]冈村迪夫 著，王玲 译.OP放大电路设计[M].科学出版社，2013.3.

[4]王伞.常用电路模块分析与设计指导(第2版)[M].清华大学出版社，2013.3.

[5]MAX517-MAX519.pdf[EB/OL]. http://china. maximintegrated.com/datasheet/index.

[6]DS1302.pdf[EB/OL]. http://china.maximintegrated.com/ datasheet/index.

[7]青木英彦 著，周南生 译.模拟电路设计与制作[M].科学出版社，2005.4.黑田彻 著 周南生 译.晶体管电路设计与制作[M].科学

[8]出版社，2006.8.彭伟.单片机C语言程序设计实训100例：基于

[9]8051+Proteus仿真(第2版)[M].电子工业出版社，2012.10.

[10]温子祺，刘志峰，冼安胜.51单片机C语言创新教程[M].北京航空航天大学出版社，2011.4.

【责任编辑 谢文海】

Design and Realization of LED Street Light Simulating Control System

LI Xian-sheng1,2，BI Lv-qing3
(1. Guangxi Vocational & Technical College, Nanning, Guangxi, 530226; 2. Yulin Normal University, Yulin, Guangxi 537000)

This paper introduces a LED street light simulating control system. The system controlled by MCU, consists of branch controller and unit controller, the communication between controllers is multimachine serial communication, and two unit controllers are simulated by two 1W LED controllers, driven by constant current circuit, and through a variety of control mode, such as timing control, according to the ambient light control, according to the traffic flow control and LED lights short and open fault alarm, realizing the energy saving and intelligent control of the LED lights. Production shows that the system has reached a higher technical indicator.

Constant Current Source; fault detection; power regulation; MCU; LED light

TP273

A

1004-4671（2014）05-0033-05

2013-09-23

李显圣，广西大学电气工程学院工程硕士，广西职业技术学院讲师。