基于单片机的模拟路灯控制系统设计方案

摘要： 文章设计了一种路灯控制系统，它的硬件主要由美国Cygnal 公司的C8051F020 单片机、12864 液晶显示器、LED 恒流驱动电源等组成。C8051F020 单片机作为模拟路灯控制系统支路控制核心，实现模拟路灯控制系统的时钟功能，设定显示开关灯时间，并能控制支路按时开灯和关灯; 根据环境明暗的变化自动控制开灯和关灯; 根据交通情况自动调节亮灯状态; 独立控制每只路灯的开灯和关灯时间; 当路灯出现故障时，支路控制器发出滴答的报警信号，并显示有故障灯的编号。交通情况采用红外收发传感器方式实现自动调节功能; 该系统具有人机界面直观，红外遥控调节方便，系统运行稳定，精度高等特点。

0 引言

本文采用高效节能环保的LED 灯作为光源，利用传感器模块、光控路灯模块、恒流源模块来实现，根据环境、交通等因素，单片机采集光敏电阻或光电开关的信号控制路灯的亮灭，实现了光电和时间控制; 同时具有交通情况检测、故障自动检测与报警等功能，实现了路灯的智能化控制，节省了电力能源和人力资源。

1 系统设计要求方案

1.1 系统设计要求。

设计并制作一套模拟路灯控制系统，路灯布置如图1 所示。要求实现模拟路灯控制系统的时钟功能，设定显示开关灯时间，并能控制支路按时开灯和关灯;根据环境明暗的变化自动控制开灯和关灯; 根据交通情况自动调节亮灯状态; 独立控制每只路灯的开灯和关灯时间; 当路灯出现故障时，支路控制器发出滴答的报警信号，并显示有故障灯的编号。交通情况采用红外收发传感器方式实现自动调节功能。单元控制器具有调光功能，路灯驱动电源输出功率能在规定时间按设定要求自动减小，该功率应能在20% ~ 100% 范围内设定并调节，调节误差≤2%.

图1 路灯布置示意图

1.2 系统设计方案

系统采用C8051F020 单片机作为系统的控制器，利用有线传输方式实现对LED1 和LED2 的控制，控制方式如图2 所示。C8051F020 单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，内部自带ADC、DAC.而本系统需要采集环境明暗的变化，自动控制LED 亮度，这需要将模拟电压转换为数字量处理，将数字量转换为模拟量控制。整个系统完全自给自足，使用外围器件少，系统成本低，系统调试简单方便。

图2 C8051F020 控制方式结构。

2 系统硬件设计

2.1 系统总体框图及控制电路的设计

红外线路灯控制系统硬件结构如图3 所示。控制系统主要由主控单片机、显示接口、红外遥控、传感器、恒流驱动等功能模块组成。C8051F020 单片机接收红外线遥控信号，设定其开关灯的时间，启动模拟控制系统，并将环境明暗信号采集输入单片机进行模数转换，控制LED 灯的开关状态。单片机实时检测LED 灯的工作状态，当出现故障时，单片机控制声光电路报警并控制液晶显示器显示其故障点编号。在规定的时间内输出模拟电压控制LED 灯的亮度。根据红外接收信号检测交通情况，并能根据不同的交通情况对LED 灯作出相应智能控制。C8051F020 单片机最小系统及接口电路见图4.

图3 红外线路灯控制系统硬件结构。

图4 C8051F020 单片机最小系统及接口电路原理图。

2.2 LED 恒流驱动电源设计

由于OP07 具有非常低的输入失调电压( 最大为25 μV) ,所以OP07 在很多应用场合不需要额外的调零措施; OP07 同时具有输入偏置电流低( ± 2 nA) 和开环增益高( 300 V/mV) 的特点。OP07 集成运放6 脚的输出电压经电阻R30 反馈至反相输入端，构成同相比例电路。功率三极管Q6的基极与运放相连，用来增加驱动电流。当OP07 的同相端输入电压恒定时，由于负反馈的存在，保证了OP07 输出电压恒定，从而使流经LED 负载的电流为恒定电流。LED 恒流驱动电源电路原理图如图5 所示。

图5 LED 恒流驱动电源电路原理图。

根据图5 可知：

由上式可以看出输出电流的值仅与输入端控制电压有关，两者成正比关系，电路中R25 = R26,R39 = R30,通过选择适当的电阻值可以改变比例因子。在改变电流源比例因子的同时，也要注意改变补偿电容C29的电容值。

2.3 位置检测电路

采用红外收发传感器，一个发射管发射红外线和一个接收头接收红外线信号。图6 为红外收发传感器判断交通情况原理框图及红外接收发射电路。红外发射管和接收管对射式安装，当有障碍物到达红外发射管和接收管中间时，会产生不同的高低电平，单片机采集此信号，控制灯的开关状态。红外发射管和接收管采用屏蔽的方式来消除外界的干扰。

图6 红外收发传感器判断交通情况原理框图及红外接收发射电路。

2.4 环境明暗变化检测与故障检测电路

采用光敏电阻实现对其明暗的变化，产生不同的电压，经单片机内部模数转换处理，根据检测的信号进行相应的处理，实现因环境变化而改变LED 灯的开关状态。其原理图如图7 所示。

图7 环境明暗变化检测与故障检测电路。

3 系统软件设计

系统的软件采用C 语言编程，软件开发采用新华龙Silicon Laboratories IDE 软件平台进行调试。为了编写和调试的方便，节省资源，程序使用模块化设计，根据各功能要求分别设计程序，大大简化了程序的设计和调试工作，节省设计周期。

3.1 系统主程序

主程序开始工作在一个等待设定状态，当有键按下时系统根据按键模式工作。本系统采用红外遥控控制，利用定时器中断来实现对其解码。程序根据设定的模式工作，当遇到特殊情况会自动控制路灯的开关状态。主程序流程图如图8 所示。

图8 主程序流程图。

3.2 功率调节子程序

功率调节子程序流程图如图9 所示。程序首先通过PID 算法比较判断检测值的大小是否到20%,如果不够，时钟信号加1,同时修改PWM 控制电压输出。

若时钟信号不加1,就要考虑是否需要手动调节功率。

图9 功率调节子程序流程图。

4 系统测试

4.1 开关控制功能测量

( 1) 交通情况自动调节测试。

交通情况自动调节测试如表1 所示。测试结果表明能自动调节LED 灯1 及LED 灯2 的开关，且可移动物体M 上定位点与过"亮灯状态变换点"( S、B、S' 等点) 垂线间的距离≤2 cm.

表1 交通情况自动调节测试。

( 2) 开关灯定时测试。

设定LED 灯1 及LED 灯2 同时开( 17: 00) ,LED灯1 及LED 灯2 同时关( 17: 10) ; 设定LED 灯1 及LED 灯2 分别在不同时间开关( LED 灯1 于18: 00 开，LED 灯2 于18: 10 开; LED 灯1 于9: 00 关，LED 灯2于9: 10 关) .开关灯定时测试如表2 所示。

表2 开关灯定时测试

上表可见系统存在误差，误差产生是由于电路本身时钟有误差，还有人为的读数误差。

( 3) 环境明暗变化自动开关灯测试。

明暗变化自动开关灯测试，测试结果表明： 当环境变暗时，自动开启灯，当环境变亮时，自动关灯。

4.2 恒流源输出功率测试

表3 是在恒流源带LED 负载，调节控制电压时的实测电流值。

表3 LED 灯恒流驱动电路测试数据

从测试结果可以看出，电流源的恒流精度达到了98.7%,输出功率精度变化小于2%,基本技术指标达到设计要求。

5 结论

通过综合测试，本模拟路灯控制系统实现了自主设定显示开关灯时间，控制整条支路按时开灯和关灯，并根据环境明暗的变化及交通情况自动控制调节灯的亮度和开关; 当路灯出现故障时，支路控制器发出滴答的报警信号，并显示有故障灯的编号。整个系统完全自给自足，使用外围器件少，软件编程方便灵活，系统调试简单方便，系统成本低，性价比高，具有较高的现实意义。