多功能LED路灯控制系统单元控制器的设计与实现

王海燕，高之圣，杨定波

(1.淮安信息职业技术学院，江苏 淮安 223003；2.宿迁市绿源照明有限公司，江苏 宿迁 223800)

1 引言

当前，能源短缺已成为人类经济社会发展面临的重要挑战，在国家“十二五”规划纲要中提出的节能环保产业作为七大战略性新兴产业之首被委以重任。城市亮灯工程让现代化大都市日益靓丽，交通出行更加便利。但是，很多城市路灯控制存在亮灯的时间管理不够科学，不能根据季节的变化及时调整路灯的控制模式，造成很多电能的浪费。

2 路灯控制系统方案的选择

图1是路灯控制系统的示意图，经过查阅大量文献资料，发现目前的国内外路灯控制系统[1]都是基于各种有线和无线网络的嵌入式应用，主要实现方案有以下几种：

图1 路灯控制系统示意图Fig.1 Street lighting control system diagram

方案一：基于GSM[2]、GPRS、ZigBee[3]无线网络的路灯管理，它具有施工方便的优点，并且利用了现有的网络基础实施，管理方便，便于查询和存储数据，管理效率高，但是这些技术方案实现成本普遍较高；

方案二：采用工业以太网、LonWorks、CAN总线[4]等有线网络的路灯管理系统和无线网络相比，施工布线复杂，后期的维护成本高。

方案三：采用低廉的RS-485有线网络方式构建路灯管理系统，突出优点是成本低和技术上更易于实现。

经过综合考虑，决定采用方案三构建LED路灯管理系统。

3 系统方案设计

3.1 系统的总体设计

本路灯模拟系统由一个支路控制器和四个单元控制器组成。支路控制器和单元控制器都采用单片机为主控制器，它们之间采用RS485的数据通信方式。支路控制器通过RS485实现对各单元路灯的定时开关、灯光亮度调节、时间显示、光线检测、故障检测、从机数目查询、各单元控制器的工作状态显示等，系统方案如图2所示。

图2 系统方案框图Fig.2 System block diagram program

3.2 单元控制器的方案设计

单元控制器主要由处理器模块、光线检测模块、移动物体检测模块、路灯故障检测模块、灯光调节驱动模块组成，如图3所示。传感器检测模块将检测到的环境光线信号和物体运动方向信号送给单片机，单元控制器利用脉宽调制技术，产生PWM波信号来实现路灯的开、关控制，以及路灯亮度的调节。

图3 单元控制器的方案框图Fig.3 Plan diagram of a controller unit

4 单元控制器的硬件电路设计

4.1 环境光线检测电路

环境光线检测电路如图4所示，该电路主要根据光照情况来检测判断白天和黑夜。此部分电路采用高性价比的光敏电阻作为光学传感器件，其亮阻为5kΩ左右，暗阻值100kΩ左右。将它与一个电阻相连，将光信号转换为电信号的高低电平，供单片机处理，电路简单，成本低。

图4 光敏检测电路图Fig.4 Sensitive detection circuit

4.2 故障检测电路

故障检测电路主要检测路灯应该发光却不发光时，判断路灯出现故障，因此可以在路灯的下方附近安装一个光敏电阻，此光敏电阻在晚上天黑的时候，只接受对应路灯发出的光照呈现亮阻；如果路灯坏了不发光，则光敏电阻呈现暗阻，从而判断路灯是否出现故障，该电路原理和上述光敏检测电路结构类似，不再重述。

4.3 移动物体检测电路

移动物体检测电路如图5所示，它能根据路上的人流量来开启和关闭路灯，当检测到有人走来时，前方的路灯随着人的向前移动逐次点亮；同时，后方的路灯逐次熄灭，由于减少了路灯的亮灯时间，达到节能的效果。

图5 光电检测电路图Fig.5 Photoelectric detection circuit

4.4 白光LED驱动电路

路灯控制系统试验过程中采用1W的白光[5]LED作为路灯，经测试，该灯泡最大功率工作时需要流过约350mA的电流，当流过的电流不同时，亮度也跟着改变，只有恒流驱动时，灯光亮度才不会闪烁，达到照明的要求。因此，路灯的正常发光需要一个恒流驱动电路，考虑到路灯亮度的调节范围，对应要求路灯的恒流源电流在20%～100%内变化，并能可靠工作。

最常用的路灯驱动方案有：基于运放和大功率三极管或场效应管构成的恒流源；利用稳压源和大功率三极管构成的恒流源；采用专用的大功率白光LED驱动集成电路。

由于本系统采用的LED功率不大，因此，采用一个常用的LM7805和S8050三极管就可以驱动，并且电路简单、成本低廉，因而被采用。

利用单片机定时中断的方式产生PWM脉冲，对一只NPN型的8050三极管通断控制。当PWM的频率超过50Hz时，人眼觉察不到灯的闪烁，并且利用PWM的脉宽变化实现了路灯的亮度调节，此电路可达到对PWM脉冲宽度步进1%进行控制，实现了对路灯亮度的20%～100%可调。实验证明，该方案能稳定可靠。具体电路如图6所示。

图6 LED驱动电路图Fig.6 LED drive circuit diagram

5 单元控制器的软件设计

通电后，单元控制器执行完初始化程序，就处于监听状态，主要是接受支路控制器的查询和设置，从而选择自己的工作模式，并一直工作在这种模式，直到支路控制器发来新的指令。在天黑点亮路灯的时候，单元控制器还一直检测路灯的工作状态，发生故障时，能够主动通知支路控制器。在光电模式中，单元控制器必须能够及时获得它两侧的光电开关的检测信号，借以决定当前路灯的开和关。系统流程图如图7所示。

图7 单元控制器流程图Fig.7 Unit controller flowchart

6 系统调试

系统调试使用了数字万用表及GWS-2202双通道示波器，对本控制系统所用的白光LED灯进行测试，测试结果如表1所示。

通过测量分析，可见该系统实现了路灯亮度的有效调节功能。另外，还对进行移动物体检测、环境光线检测、故障检测等功能验证及测试，实现了LED路灯系统多模式智能控制。

表1 单颗粒LED的测量数据Table 1 LED single particle measurement data

7 结论

本系统通过实验、测试，成功开发了一种智能LED路灯控制系统单元控制器。系统控制方便，运行稳定，达到最初设计要求。系统设计电路简捷，成本低廉，性价比高。本系统下一步还将在单元控制器与支路控制器之间的组网、通信、上位机及路灯综合调度管理等方面作深入研究。

[1] 李健,蒋全胜,任灵芝.智能路灯控制系统设计[J].工业控制计算机,2010,23(6):110～112.

[2] 王玉巧,胡玉玺.基于单片机的路灯智能控制系统[J].山东轻工业学院学报,2010,24(4):70～72.

[3] 申利民,翁桂鹏.基于ZigBee的智能小区LED路灯控制系统设计[J].中国照明电器，2011,(02):26～29.

[4] 杨芬,吴伯农,吴海军.智能传感器的CAN总线接口设计[J].单片机与嵌入式系统应用, 2011,(08):7～10.

[5] 杨恒. LED照明驱动电路设计与实例精选[M].北京:中国电力出版社,2008.