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基于单片机的路灯模拟控制系统.doc
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基于单片机的路灯模拟控制系统.doc
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自动化 084 班 刘连鹏
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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
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
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。
2
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 TLC5615D/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。
3
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;
4
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。
模拟路灯控制系统的设计
摘要
本系统以 AVR 低功耗单片机系列 ATMEGA16L 为核心组成支路控制系统,
采用专用时钟芯片实现精确的时钟功能,设定并显示开关灯时间。该控制系统
能根据环境明暗变化自动开灯和关灯,以达到节能要求。ATMEGA16L 是一款
高性能、低功耗的 8 位 AVR 微处理器,使系统在低功耗的状态下稳定工作。系
统采用线路简单、体积小的专用时钟芯片 DS1302,DS1302 工作时功耗很低,
保持数据和时钟信息时功率小于 1mW。使用 DS1302 不但使电路功耗降低,
而且节省 IO 口资源。采用低功耗的字符型液晶作为显示器件,显示更为直观。
使用光敏电阻来检测环境明暗的变化,光敏电阻在不同光强下电阻值会发生明
显变化,单片机内部 AD 采集电阻值的变化量达到检测目的。采用对射式收发
一体光电传感器检测物体的运动,使用灵敏光电传感器更有效地实现在物体运
动过程中路灯的自动控制,达到节能的要求。当路灯电路出现故障时,单片机
采集路灯电路采样点的电压后处理采集到的数据,实现自动报警功能。该系统
基于可靠的硬件设计和稳定的软件算法实现题目基本要求。
关键词:ATMEGA16L 功耗 节能 光电传感器
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