模拟路灯控制系统的设计与实现

摘要：为解决城市路灯照明系统存在的灯光控制方法和管理手段落后，所用灯具科技含量低等问题，设计了一个模拟路灯控制系统。采用高效节能LED路灯作为光源，采用AT89S52单片机作为控制中心，利用传感器模块、光控路灯模块、恒流源模块来实现，根据环境、交通等因素，单片机采集光敏电阻或光电开关的信号控制路灯的亮灭，具有自动检测故障报警等功能；采用切换多种模式方式设定并实现PWM调光功能，按规定时间开关灯功能。测试结果表明，路灯驱动电源输出功率能在规定时间按设定要求自动减小，该功率能在20％～100％范围内设定并调节，调节误差小于2％，实现了路灯的智能化控制，节省了电力能源和人力资源。
关键词：LED；路灯控制；单片机；恒流源

    随着城市的发展，作为城市公用设施的城市路灯照明系统对人民生活和交通安全起着重要作用。城市路灯控制系统已在我国得到广泛应用，因此节能和易于控制成为路灯控制的核心问题。
    本文采用节能环保的LED灯作为光源，采用科学有效的检测与控制技术，实现了光电控制、时间控制、交通情况检测、故障自动检测与报警等功能，节省了人力和电力资源，降低了系统运行成本，性价比较高。

1 系统总体方案设计
    系统总体设计框图如图1所示。该系统设计由单片机控制、传感器感应、恒流源输出、控制显示和路灯亮度调节等5大模块构成。其中，控制器采用l片AT89S52单片机作为中心控制器，其外围电路比较简单，具有高速、高可靠性、低功耗、超强抗干扰、价低格等优点，应用广泛。采用光电开关作为传感器感应模块的重要元件。在每个路灯位置处分别放置光电开关装置，当物体经过这些点时，光电开关发射的光被
物体遮挡，则接收端因无法接收该光而使其一引脚输出电平发生变化，单片机处理该信号继而控制路灯的亮暗。光电开关具有长寿命、高可靠性、灵敏度高等特点，且价格较低。

    采用LED驱动电源电路SN3350，其具有输出350 mA恒流的特性，稳定度高，且具有过压保护、过温保护、体积小和外围电路简单等特点，能较好的满足本系统设计要求。采用1602LCD液晶和数码管同时显示。该模块占用单片机I／O口较少，且可通过程序实现级联菜单功能。
    由单片机控制PWM。恒流源芯片SN3350的3引脚为PWM，可调节输出电流的PWM，从而控制输出功率。该模式下，只要单片机控制PWM即可实现调节方式O～100％范围内调光，实现路灯的无级亮度调节。

2 系统硬件设计
2．1 LED监测环境模块
    LED路灯能检测外界环境的明暗，从而自动开灯和关灯。本设计采用光敏电阻进行环境监测，具体电路如图2所示。

    白天时，光敏电阻因感光阻值无穷大，则1 MΩ电阻上的电压很小：当夜幕降临，光敏电阻的阻值变为1～20 kΩ，则l MΩ电阻分压变大为3．0 V左右，单片机P1．0口检测该信号的变化，则控制PNP三极管基极输入低电平，使其导通，进而集电极输出高电平，5 V继电器导通，路灯所在电路通路，路灯点亮；反之，路灯关断，为防止继电器内部电感之间电压突变引起反相感应电动势破坏三极管，该电路在集电极增加了二极管保护电路，进而完成了路灯随环境明暗开关灯的要求。
2．2 故障检测报警模块
    由图2可见，当路灯正常开灯时，其所在电路导通，5 Ω负载电阻上的电压U=IR=O．35x5=1．75 V；如果路灯坏掉，则该电路处于短路状态，该电阻上的电压为0 V，单片机P1．3口检测到该电压信号的变化，控制路灯监测环境模块中三极管导通，使继电器K1闭合导通，报警灯VD6发光，即发出报警信号。
2．3 恒流源输出模块
    本系统恒流源电路以LED驱动芯片SN3350为核心，辅以简单的外围电路，实现了输出恒定电流的功能。其输入电压为6～40 V，输出电流最大可达700 mA，因此，输出电流变化的一个因素是输入电压。图3为该恒流源电路。

    由SN3350的数据资料可知，输出电流与传感电阻R1有关，二者关系为IOUT=O．1／Rl(Rl>0．13 Ω)。通常情况下，Rl的设定是特定阻值，根据相应额定输出电流333 mA，该系统选择特性阻值为0．3 Ω。且由SN3350的特性曲线知，当外围电路电阻0．3 Ω，电感47μH时，输出效率较高，节能性能最好。通过实验，当输入端加入8．3 V直流电压时，其输出电流恒定为350 mA。该电路的输人端增加了4个稳压管，使输入电压更加稳定，继而输出电流驱动1 W的LED。由此可见，该方法的电路所需器件少，设计简单，性价比高。且SN3350内置过流保护，当异常情况使电流过大时，该芯片可内部保护LED。
    驱动电源输出功率能在规定时间按设定要求自动减小，SN3350的3引脚ADJ可通过外接PWM的控制信号进而无级调节恒流源输出功率。该功率能在20％～100％范围内设定并可调。

3 系统软件设计
3．1 程序流程
    程序流程如图4所示。

    程序流程为：选择路灯的控制方式后等待外界信号的检测输入。判断接收为自由控制灯信号、环境监测信号、交通信号，单片机处理相应信号，然后控制开关路灯，并累计路灯开关时间，用LCD显示。若正常情况下路灯不亮，则控制器检测到该信号并用报警灯提示和LCD显示故障灯的地址。此外，路灯的每部分电源由自制恒流源提供，且其输出功率可通过控制SN3350的引脚3进行调节，从而实现路灯的亮度可控。
3．2 功能测试
    该系统能根据环境的明暗变化自动开灯和关灯，当白天天亮时灯灭，当环境渐渐变暗，黑夜降临时灯亮。且能根据交通情况自动调节路灯的亮灭状态，即行人车辆来时灯亮，过后灯灭，每个路灯都是如此，这就大大节省电能。该系统具有时钟功能，能设定显示开关灯的时间，并能控制整条支路或每只路灯按时开灯和关灯。当路灯出现故障时能及时发出声光报警，并在LCD上显示故障灯的地址编号。
3．3 指标测试
    基础部分主要是电路逻辑测试，比较简单，通过实验，该系统除满足以上设定的全部功能外，还具有自动调光功能。为了方便测试恒流源，系统先将20％～100％的功率以步进10％分为9个等级以便准确测试输出功率的变化，具体表现为路灯的亮度随输出功率的减少而逐渐变暗。灯泡内阻计算：
    因P=I2R，所以，测试时只需测试输出电流的参数即可。具体参数如表l所示。测得数据误差均小于2％。

4 结论
    该模拟路灯控制系统具有根据环境明暗、交通情况、设定时间来控制路灯亮灭的功能，且可以对灯亮时间进行计时，对路灯进行故障检测，并用报警灯提示，路灯电源的供应为自制恒流源。并且该系统还具备自动调节灯泡亮度的功能，且所用器件少，电路简单，性价比高，具有较高的现实意义。