基于單片機STC89C52、STC12C2052A/D，采用集成運放LM358、MOS管IRF614實現了智能型節能路燈控制系統，系統分為支路控制器和單元控制器兩個部分，采用主從式485總線傳輸控制方式，實現了集中控制和就地控制，該系統具有傳輸距離遠、響應速度快、操作簡便、性價比高、工作穩定可靠等優點。

路燈是城市的重要公共安全和景觀設施，也是能源消耗大戶，實現智能照明，不僅節約能源，更有利于環境。經過了解，現在大量的路燈都是根據四季不同的天黑天亮時間來控制路燈的開關，先進一點的也不過是簡單的光敏控制，一直從天黑開到天亮，中間不管有沒有行人、車輛通過都是不會關斷，這樣就造成了大量的能源浪費。

為了能高效節能的控制路燈，合理地利用能源，為現代城市的道路提供一個良好的照明環境，本文設計了一種基于單片機的智能型節能路燈控制系統，該系統能夠需要獨立控制每盞路燈的開關與照度，它根據行人或者車輛通過情況和照明範圍，自動開關路燈并控制其照明度，經實際運行，效果較好。

1 系統組成

路燈控制系統采用集成運放LM358、MOS管IRF614實現。支路控制器實現對所有照明單元狀态的狀态收集、顯示、判斷與發出控制命令，是整個系統的控制核心部分；單元控制器是系統的執行終端，完成對該單元所有狀态的采集與通信，接收支路控制器的控制指令并執行。系統組成基本框圖如圖1所示。

2 模塊電路設計

（1）控制方案

系統采用集中控制和就地控制相結合的方式。支路控制單元可以集中對各個單元電路進行控制，同時各個單元控制電路也可以根據所采集的狀态，進行綜合判斷，并做出相應的控制動作。整個系統的控制方式靈活，兩種方式互補，既減輕了支路控制器的負擔，使整個系統的控制容量可以做得很大；又可以避免支路控制器的故障而導緻整個系統的癱瘓，保證各個單元仍然能夠正常的工作。

圖1 系統基本組成框圖

（2）信息傳輸方式

由于傳統的232通信方式傳輸距離有限，在實際路燈系統中，無法實現遠距離路燈的控制，本設計采用485通信方式，該方式除了具有232通信的優點外，還具有傳輸距離遠的特點，在2400B的碼元速率下，傳輸距離可達10KM以上。為實際路燈控制系統提供遠距離傳輸保證。

（3）移動物體定位檢測

采用紅外通信編碼，其靈敏度較高，傳送距離較遠，光源安全，電路簡單并易于實現。

（4）恒流源電路

如果選擇單獨運算放大器構成恒流電路，輸出電流隻能達到幾十毫安，不能滿足LED照明所需電流，必須加入擴流電路。系統采用高精度運算放大器LM358和MOS管IRF614擴流電路組合，可以實現精确的恒流電路。支路控制器和單元控制器硬件電路結構框圖如圖2和圖3所示。

圖2 支路控制器框圖

圖3 單元控制器框圖

系統的支路控制器和單元控制器分别采用STC89C52和STC12C2052A/D單片機，這兩種MCU具有1個232口和1個SPI通信口。

移動物體檢測采用紅外通信編碼的方式。這種檢測不持續發射，而是每隔5ms發射一個持續時間為0.25ms、頻率為40KHZ的載波信号，相當于“紅外雷達”，對≥50cm長的物體以180千米/小時通過時，其經過探頭的時間為10ms，可被檢測兩次，完全能滿足檢測需要。檢測原理如圖4所示。

圖4 紅外檢測原理示意圖

圖5是恒流源電路，采用LM358搭建而成。第一級運放構成跟随器，可以得到第一級同相端3腳的電壓與第二級運放同相端5腳的電壓相等，從而得到反相端6腳的電壓與3腳的電壓相等，該電壓經電阻R14形成一個恒定電流。因此，調整3腳輸入的電壓，就可以改變恒流源的電流。電路簡單，元件很少，靈敏度高，不需要對外圍元件進行匹配調節，真正實現免調試功能。

電源波動影響極小，電壓從10V~36V變化，其恒流穩定性超過1/1000。其等效内阻高達70MW以上。其上端增加了功率限流電阻，防止電流過大而造成路燈損壞。

圖5 恒流源原理電路

為了實現對路燈的調光，達到智能控制照明度，單元控制系統采用了對路燈驅動電源功率的閉環控制，利用PWM脈寬調制[7]實現調光功能。同時，利用光敏電阻對環境光線以及路燈狀态進行監測，作為該調節電路的反饋輸入，使得路燈的亮度跟随環境光線的變化以及路燈開閉的狀态實時線性調整。

故障自動檢測電路。系統能夠對恒流源基準電壓、路燈回路電流以及路燈狀态進行反饋采集，并進行綜合判斷，得出系統工作狀态。當系統控制輸出值與恒流源基準電壓值偏離時，回路未工作在恒流狀态恒流源電路故障；當系統控制燈亮，而反饋路燈狀态為滅時，路燈回路故障，此時，若恒流源基準電壓為0，說明路燈開路；若恒流源基準電壓正常，則說明路燈短路。系統實時查詢上述各狀态，形成故障自動檢測體系。

1 軟件流程圖

支路控制器電路軟件流程如圖6所示。它包括定時中斷和響應按鍵兩部分。定時中斷部分産生一個時鐘節拍，定時讀取時鐘芯片時間、輪詢各單元控制器的數據、刷新LCD顯示；響應按鍵部分則根據按鍵進入功能界面，完成各種功能選擇、初值設定。這種設計方式在中斷裡面僅僅處理相應标志位，而在程序主循環中根據标志處理任務。

圖7是單元控制器電路軟件流程圖。它包括串口通信和T0定時器模塊兩部分，其中T0定時器包括電子表、軟件脈寬調制、鍵盤、軟件紅外系統、實時故障診斷以及動态顯示六個子模塊，系統不工作的間隙都是處于睡眠狀态，有利于進一步減小系統功耗。

圖6 支路控制器電路軟件流程圖

圖7 單元控制器電路軟件流程圖

2 軟件設計特點

主從式多機通信方式：在主從式多機通信系統中，當主機輪詢從機時，未被呼叫的從機不停接收主機下發的信息，産生接收中斷，增加從機的工作負擔，使從機的工作效率極低。在本系統中，為了避免這種情況的發生，采用了一套多機通信協議，協議中包含地址幀，從機收到地址幀後，判斷是否呼叫本機，再決定是否繼續後續的數據接收[8]。從而提高從機的工作效率。

環境光照自适應學習：在系統中，單元控制器還可以根據環境光照的變化調整路燈明暗。系統以光敏電阻實時采集環境光照的變化，反饋給單元控制器MCU。由于不同場合、或同一場合不同時間的環境光照均有差别，且光敏電阻光電特性也有個體差異，系統增加了環境光照自适應學習和校正的功能。以開機後30秒内的光照對應的AD采樣均值為基準，動态調整路燈開關阈值與功率調整基準。

友好的人機界面：支路控制器采用128*64的LCD為顯示屏，以6鍵鍵盤為輸入設備，可實時顯示路燈狀态，系統時間，報警時間等多種信息，設置系統時間、開關燈時間、設置路燈功率、與單元控制器工作模式。采用交互式的人機界面設計操作方便，不需要關機就可以從一種狀态切換至其他狀态。采用前後台系統的設計思路，在中斷裡面處理事件标志，主流程中檢測标志處理具體事務，程序有很強的健壯性。

1 根據環境明暗自動開燈關燈測試

測試方法：模拟環境的明暗變化，采用人為改變環境明暗以及遮擋環境光監測光敏電阻的方法來實現。開關燈阈值由系統自動學習設定。在實驗室進行的測試結果如表1所示。

表1 環境明暗自動開關燈測試結果

當環境暗于阈值時，燈打開；當環境亮于阈值時，燈關掉。本測試在每個不同的阈值情況下，都做了多次測試。結果表明，本系統完全能夠根據環境的明暗，而自動開燈或關燈。

2 根據交通情況自動調節照明度

測試方法：在外界環境條件一定的情況下，推動可移動物體在模拟道路中移動，測試2個LED燈狀态。結果如表2-1與表2-2所示。

表2-1物體從左向右移動時測試結果

表2-2 物體從右向左移動時測試結果

從測試結果分析，本系統完全能夠滿足非常精确的要求，根據交通情況自動調節照明度。

3 恒流源電路測試

測試方法：調整運放的輸入端電壓，使得電流分别為10mA、100mA、200mA，用可調直流穩壓電源改變系統輸入電壓，用三位半數字三用表測試電流。測試結果如表3所示。

從表中可以看出，不同檔位的電流在電壓變化時穩定性高，電壓波動對恒流源電路的影響極小，電壓從10V~36V變化，其恒流穩定性超過1/1000，性能非常優越。

表3 恒流源測試結果

4 調光功能電路測試

測試方法：将一個三用表串入LED燈驅動電源回路測試電流，另一三用表測試LED燈兩端電壓，計算實際功率。測試結果如表4。

表4 調光功能測試結果

在功率設定完成後，電路中的電流瞬間改變到表中的測試值，表明功率調節功能可以在瞬間完成；由表中可以看出，誤差最大的是100%功率檔，為1.44%；誤差最小的是50%功率檔，為0.02%，精确度非常高。

5 定時開關燈測試及故障測試

定時開關燈測試方法：對每個路燈單獨設定和對兩個路燈同時設定兩種情況都進行了測試。經多次測試表明，系統完全能夠按照設定的時間和要求，準确地實現開燈和關燈功能。

故障測試方法：在進行故障測試時，人為地使路燈短路或開路，觀察支路控制器的顯示及聲音。結果表明，當故障發生時，支路控制器能夠及時發出聲光報警信号，同時，LCD液晶屏上顯示相應的故障和地址編号，均能達到最初我們設想的要求。

本系統實現完全智能化控制，移動物體的距離測量最高達到0.3cm，恒流源功率測試誤差≤0.02%。系統具有閉環自動檢測和學習自适應功能，同時具有完備的指示和保護系統，增強了系統的安全穩定性，通過設計運行實驗，效果較好，同時系統可實現在線遠程升級功能，提高了系統的可維護性。

本文編自《電氣技術》，原文标題為“基于單片機的智能型節能路燈控制系統”，作者為王正、王洪誠、傅磊。

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