1、多功能 LED 路灯控制系统单元控制器的设计摘要：针对传统路灯控制系统使用中存在的问题，提出了以单片机为控制核心，由 RS485 通信、光电检测物体运动和 PWM 调制恒流驱动模块共同组成的 LED 路灯控制系统设计方案。该控制系统主要由单元控制器和支路控制器组成。单元控制器具有移动物体检测、环境光线检测、路灯驱动及故障检测等功能；支路控制器具有人机交互、故障报警、日历显示等功能。整个控制系统设计了四种自动开关灯模式，模式之间可以任意切换，实现了 LED 路灯系统多模式智能控制。 关键词：LED 路灯；控制系统；单片机；单元控制器；智能控制 中图分类号：TU2 文献标识码： A 引言 当前，能
2、源短缺已成为人类经济社会发展面临的重要挑战，国家“十二五”规划纲要提出，节能环保产业作为七大战略性新兴产业之首被委以重任。城市路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，造成电能的浪费。 LED 灯 1 LED 灯 2 图 1 路灯控制系统示意图 1 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：方案一：基于 GSM、GPRS、ZigBee 无线网络的路灯管理，它具有施工方便
3、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，突出的优点是成本低，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。 2 系统方案设计 （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。支路控制器和四个单元控制器组成。支路控制器和单元控制器都采用 MSC-51 单片机为主控制器，它们之间
4、采用 RS-485 的数据通信方式。支路控制器通过 RS-485 实现对各单元路灯的开关定时、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。 （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、路灯调节驱动模块组成，如图 3 所示。单元控制器将传感器检测到的环境光线信号和移动物体的方向，经过当前设置的工作模式的控制，产生相应的 PWM 信号，通过单片机 I/O 口来实现开、关路灯以及路灯灯光亮度的调节。 3 单元控制器的硬件电路设计 （1）环境光线检测电路 环境光线检测电路如
5、图 4 所示，该电路主要根据光照情况来检查白天和黑夜。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 5k 左右，暗组值 100k 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。 （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存在的故障。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本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，从而可判断出路灯的损坏情况。该电路原理和上述光敏检测电路结构相似，不再重述。 （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
6、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。 （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 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也要在 20%-100%范围内变化，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
7、用稳压源和大功率三极管构成恒流源；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%的可调。实验证明，该方案性能稳定可靠。具体电路如图 6 所示。 4 单元控制器的软件设计
8、 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命令。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 5 系统调试 系统调试使用数字万用表及 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。 表 1 单颗粒 LED 的测量值（单位：A/v/w） P
9、WM 占空比 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 电流 （A） 0.08 0.11 0.15 0.19 0.23 0.27 0.32 0.36 0.40 电压 （V） 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 功率 （W） 0.4 0.55 0.75 0.95 1.15 1.35 1.60 1.80 2.0 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。 6 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。 参考文献： 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程M.北京：电子工业出版社，2005. 白林，梁宏宝.大功率自光 LED 路灯发光板设计与驱动技术J.发光学报，2009，30（4）：487-494. 苏建龙，张晓雷，陆文娟.LED 路灯节能控制系统的设计与应用J.电气技术，2009（10）：57-58. 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.
