基于单片机的LED路灯模拟控制系统的设计与实现

0 引言
    LED照明系统具有省电、轻巧、寿命长、高耐久性等特征，近年来已经越来越多地应用于路灯照明系统中，其趋势是取代目前广泛采用的高压汞灯的路灯照明。
    针对目前比较先进的LED路灯控制系统进行了模拟路灯控制系统设计，实现了整条支路的LED路灯定时控制开关灯、自动开关灯、独立控制开关灯及故障报警等多项功能。对1 W LED路灯单元可调恒流驱动电源，可以按照设定要求调节LED输出功率大小，实现调光功能。

1 系统硬件设计
1．1 系统总体设计
    为了能够真实地模拟实际LED路灯的控制，设计了模拟路灯控制系统。控制系统结构如图1所示，该系统主要由输入显示装置、支路控制器和2个单元控制器模块组成。支路控制器主要用来对整个模拟LED路灯支路进行控制；对于输入显示装置，当按键时输入控制信息，LCD显示相关的控制信息；2个单元控制器受支路控制器控制LED1和LED2的电源供电和功率的输出。

1．2 支路控制器
    模拟LED路灯控制系统的重点在支路控制器，其电路框图如图2所示。AT89S52单片机作为控制核心，时钟电路将时钟信息送显示和时钟存储；光敏检测主要用来检测光线的强度是否应该开关路灯；在路灯出现故障(断路)时将产生声光报警，并指示那一路发生故障。

1．2．1 时钟电路
    基于DS1302的时钟电路设计采用24 h计时方式，时、分、秒并用LCD显示。采用AT89S52单片机和DS1302实时时钟芯片，使用5 V电源供电，采用按键控制，可以进行时间校正，并且可对LED灯的开关时间进行控制和调节。DS1302的VCC2加入3 V锂可充电电池实现时钟掉电保护。通过AT24C02存储时钟信息实现程序掉电保护功能。
1．2．2 光敏检测电路
    光敏检测主要检测光线的强度是否应该开关路灯。光敏检测电路主要利用光敏电阻的感光特性进行工作。光敏检测电路如图3所示，当白天光照射到光敏电阻时，光敏电阻的阻值降低，反向输入端电压随之降低，当低于反相器74HC04的门槛电压时，反相器发生翻转，提供给单片机一高电平，控制LED灯关闭。当弱光或无光照时(晚上)，由于光敏电阻的暗电阻很大，反向输入端电压较高，使得反相器输出为低电平，单片机控制LED灯的自动开启。

1．2．3 故障检测及声光报警
    声光报警装置是支路控制器中单片机控制蜂鸣器和发光二极管发出声光报警的电路装置。当系统中某一支路出现故障(如灯不亮)，正常状况是LED路灯应该点亮的时候，此时判断为路灯出现故障，系统中采用以光敏检测的方法来检测LED路灯是否点亮或者灭，从而判别是否有故障。当有故障时在支路控制器中，单片机控制蜂鸣器和发光二极管发出声光报警信号，并通过LCD显示器显示当前故障路灯的地址编号，实现故障报警显示功能。
1．3 输入及显示装置
    图4所示为键盘输入和液晶显示电路。K1为菜单功能键，相对应的菜单有时间校正、设定LED灯整条支路开关，独立控制每只路灯开关时间和功率调节的调光功能；K2为移位键；K3为加减键；K4为确认键。LCD数据线与单片机P1口相连；RS寄存器选择信号端与P2．0相连；RW读写端与P2．1相连；E使能端与P2．2相连。

1．4 单元控制器
    单元控制电路的工作是由单片机控制D／A转换器输出电压，从而控制可调恒流源驱动电路。可调恒流源驱动电路由运放LM358、继电器、大功率管TIP41和开关管9013等组成，如图5所示。单片机P3．0控制口输出高低电平信号控制继电器开关，给恒流源电路提供+12 V电压，恒流源电路驱动LED发光。当输出高电平，继电器导通，给恒流源电路提供+12 V电压，否则相反。单片机通过控制TLC5615 D／A输出电压信号来调整恒流源的大小。
    LED灯选用独立1 W蓝光发光二极管，正向电压为3．0～4．0 V，正向电流为350 mA，D／A输出电压为0．5～2．4 V，调节流过LED的电流，从而可调整1 W的LED灯，输出功率在20％～100％。经过实测，恒流源输入Vi与LED输出功率(P=UI)的关系如表1所示。

2 系统软件设计
    程序总流程图如图6所示。系统启动后在没有任何按键按下的情况下显示当前日期和时间，选择路灯的工作模式。系统默认的工作模式为检测亮暗开关模式，根据环境光线判断是否打开路灯。当通过按键进行设定的时候，进入设定的模式，包括：LED路灯输出功率的设定，设定范围在20％～100％；当前日期和时间的修改和设定；路灯工作模式的设定；路灯故障的检测及对应单元故障的显示。

3 测试结果
    (1)在液晶屏幕上能够显示时钟、显示菜单。设定、显示开关灯时间，控制整条支路(测试用早上6：00关灯，晚上7：OO开灯)或独立控制LED1及LED2的开灯和关灯。
    (2)环境明暗变化自动开关灯的模拟测试。当环境的光照度小于0．1 lx(用手遮挡光敏电阻)，自动点亮LED灯，手松开自动关闭LED灯。
    (3)路灯故障报警测试。设置LED1灯故障，系统红色发光二极管闪烁，蜂鸣器发出响声，液晶显示屏显示相应故障地址RD1；设置LED2灯故障，声光报警相同，液晶显示屏显示相应故障地址RD2。
    (4)测试出LED1，LED2灯的功率能在20％～100％范围内调节，从而实现调光和调节输出功率功能；
    通过整机调试，液晶显示功率数值与实际测量LED1，LED2灯的功率(P=UI)数值误差小于等于1．8％。

4 结语
    详细讲述了系统设计方案，并给出了相关程序流程。本设计模拟实际大功率LED路灯控制系统，有较强的应用价值。可以将其设计思路和方法应用在公路LED路灯、小区LED路灯和景区亮化工程等。应用本设计可以大幅节约能源消耗，降低成本，实现路灯亮化的智能控制。另外，如果把本设计方案扩展加上上位机，则可以实现远程中央路灯监控系统，将具有更大的应用价值。
    本设计的创新点在于详细设计了基于单片机AT89252模拟路灯控制的系统，通过对功率参数的实际测量，达到精确控制LED路灯的输出功率；能够根据光线强弱自动开关路灯；还能够根据控制设定定时开关路灯；能自动检测故障路灯并显示故障位置。多种控制方式起到节能和智能控制作用。所设计程序已经在模拟LED路灯控制系统硬件平台上成功运行。