基于单片机的模拟路灯控制系统设计

Key words： C8051F020； infrared sensors； constant-current drive power source； automatic adjustment
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。
表 3 LED 灯恒流驱动电路测试数据
测试项目
测试数据
功率 /W
0．2 0．3 0．4 0．5 0．6 0．7 0．8 0．9 1
控制电压 /V
1．2 1．5 1．7 1．9 2．1 2．3 2．5 2．8 3．3
输出电压 /V
2．85 2．94 3．00 3．04 3．09 3．13 3．17 3．23 3．3
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
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
2011 年第 11 期
仪表技术
·47·
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
理论输出电流 / mA 60 91 122 152 183 215 244 271．5 305
实际输出电流 / mA 61 92 123 155 183 218 246 276 302
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。
street lamp control system clock； set the display time and control lights of branchs in time； control lights automatically
according to the changes of brightness； adjust the lights automatically according to the traffic condition； control every
2011 年第 11 期
仪表技术
·45·
基于单片机的模拟路灯控制系统设计
王 皑1 ，佘丹妮2 （ 1． 湖南工业职业技术学院，湖南 长沙 410208； 2． 东华大学，上海 201620）
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
·46·
仪表技术
2011 年第 11 期
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。
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。
2．4 环境明暗变化检测与故障检测电路
sists of the US Cygnal C8051F020 SCM，12864 LCD and LED constant-current drive power． C8051F020 SCM is the
core to control the branch of this system． With this system，it is feasible to do these things： simulates the function of the
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。
WANG Ai1 ，SHE Dan-ni2
（ 1． Hunan Industry Polytechnic，Changsha 410208，China； 2． Donghua Univercity，Shanghai 201620，China）
Abstract： A design of a street lamp control system is introduced in this paper，in which the hardware mainly con-
has a clear combination of human and the machine and it is convenient to adjust through infrared remote control． And
the system has a good stability as well as precision．
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。
关键词： C8051F020； 红外传感器； 恒流驱动电源； 自动调节
中图分类号： TP273
文献标识码： A
文章编号： 1006 － 2394（ 2011） 11 － 0045 － 04
The Design Based on Simulation Street Lamp Control System
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。
ILED
=
Vin
×
R39 R25 × R40
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
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wk.baidu.com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
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
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
图 5 LED 恒流驱动电源电路原理图
根据图 5 可知：
表 1 交通情况自动调节测试
M 物体
S 点 A 点 B 点 C 点 S'点
LED 灯 1
开
开
关
关
关
LED 灯 2
关
关
开
开
关
离定点误差值 / cm 0．2
0
0．5
0
0．3
（ 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
时间
17： 00 17： 10 18： 00 18： 10 9： 00 9： 10
LED 灯 1
开
关
开
关
关
关
LED 灯 2
开
关
关
开
开
关
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。
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% 。
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；
收稿日期： 2011 － 07 作者简介： 王皑（ 1972—） ，男，硕士，讲师，研究方向为电子技术。
图 1 路灯布置示意图
·48·
仪表技术
2011 年第 11 期
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。
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。
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。
light independently； when street lamps come to malfunction，branch controller discretes the warning signal and show the
numbers of the faulty lights． Traffic conditions is adjusted automatically by using infrared receiving sensor． This system
采用光敏电阻实现对其明暗的变化，产生不同的
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