基于温度的户外灯控制系统设计与实现

殷军　张瑜　耿墅　刘尚　朱辉

摘  要：文章为了研究户外路灯温度与使用寿命的关系，设计了一种基于温度的户外路灯控制系统，该系统采用MK64单片机为控制核心，配合热电偶传感器，完成对户外灯的温度测量，采用AD8495芯片对热电偶的冷端进行补偿，获得更为精确的温度。搭建实验平台探究最优的户外路灯控制方案。

关键词：户外路灯;热电偶测温;冷端补偿

中图分类号：TP273         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）18-0050-03

Abstract： In this paper， in order to study the relationship between the temperature and service life of outdoor street lamp， an outdoor street lamp control system based on temperature is designed. The system uses MK64 single-chip microcomputer as the control core and thermocouple sensor to complete the temperature measurement of outdoor lamp. AD8495 chip is used to compensate the cold end of thermocouple to obtain more accurate temperature， so as to set up an experimental platform to explore the optimal outdoor street lamp control scheme.

Keywords： outdoor street lamp; thermocouple temperature measurement; cold end compensation

引言

自从爱迪生发明电灯以来，户外照明逐渐成为电能消耗最主要的部分，照明用电占全世界发电总量的12%～14%[1]。自2010年以后我国城镇化不断推进，2013年照明用电占比就达到14.15%，其中道路景观照明和公共设施照明的占比不断增加，达到总量的5%为2622.37亿kWh[2，3]。伴随着中国经济的快速发展，LED照明产业不断融合，我国已经成为全球生产LED照明灯具的重要基地，2019年统计数据我国产量占世界总生产量的80%以上。

户外灯从最早的钨丝灯发展到现在LED灯，所产生的热损失一直是不断地消耗电能的原因，也是减少灯具寿命的主要原因。研究表明，当LED灯的发光强度衰降到70%，结温至65℃时，灯的发光时间可以保持在9万～10万小时之间;结温继续升高10℃达到75℃，寿命也将大幅度减小，仅有5万小时，随着结温的上升，照明灯的寿命只会变得越来越短。

为了解决照明灯具的能耗和寿命问题，有人采用单片机智能路灯控制系统，根据环境自动亮灭灯和自动调节灯的亮度[4];有人采用以ZigBee网络为核心，由路灯终端节点、无线网关节点和照明控制中心组成系统，实现对路灯的远程手动或自动控制、路灯状态监测、故障路灯精确定位[5-7];陈名松等基于车灯识别设计了一种车辆有无的检测算法，通过车辆的需求自动控制路灯的开关，实现路灯的节能控制[8]。检测灯具的能耗温升，然后调整供电参数和供电方式也是一个比较有效方法。我们设计了一种基于MK64FN1M0VLQ12单片机的户外灯温升检测系统，尝试找到灯具能耗和光照强度的平衡点。

1 系统方案的总体设计

户外灯升温测量系统主要以MK64FN1M0VLQ12单片机为智能控制核心，外围电路包括温度采集模块、按键模块、屏幕显示模块、USB通信模块、供电电压调节模块、LED灯功率控制模块。热电偶调理电路采集户外灯的温度经过冷端补偿和放大之后，由温度采集模块发送到控制中心处理，控制中心通过对供电电压的调节实现对LED灯功率控制，用屏幕显示温度值及户外灯的电压、电流值。通过不断的对户外灯测量、对供电电压的调节实现节能。

2 系统硬件设计

2.1 温度采集方案的选择

方案一：选用DS18B20数字温度传感器，该传感器使用简单、价格便宜，但DS18B20只能测量灯的外部温度，且DS18B20测温范围为-55℃～+125℃，不符合户外灯温升测量系统的测量要求。方案二：选用热电偶作为采集传感器，热电偶传感器具有装配简单、更换方便、压簧式感温元件，抗震性能好、测量范围大（-200℃～1300℃）、使用寿命长等优点。符合设计要求，因此选择使用方案二。

2.2 基于AD8495的冷端补偿方案

本文采用熱电偶采集户外灯温度，热电偶的冷端温度作为测度的基准温度，常选择冰点作为参考温度，获得冰点温度最简单的方法是使用冰水混合物实现0℃参考温度。但该方法产生的误差大，同时使用分立元件不仅提高了设计成本，且在实际工程中也难以实现。在本次应用中，热电偶是直接焊接在电路板上的，冷端以0℃为参考温度不符合实际应用。为了提升实验测量户外灯温度的准确性，需要对热电偶的冷端进行温度补偿，以便获得热电偶测量端准确测量温度。

热电偶的测量端所测的温度由热端的输出电压与冷端的电压之差经过模数转换得到的。通常情况下以自由端为0℃时的电压为基准电压。而在实际应用中热电偶冷端温度是室温，会随着外界环境不断变化，由于冷端的温度变化会导致实际测量结果也会随着环境温度的变化而变化，因此需要进行冷端补偿，补偿公式如下：