模拟路灯控制系统

模拟路灯控制系统

李乃曦，曹绪华，孙德芬

山东凯文科技职业学院信息学院

（2009年全国大学生电子设计竞赛（高职高专组）全国二等奖）

6.2.1 题目要求

任务：设计并制作一套模拟路灯控制系统。控制系统结构如图6.2.1所示，路灯布置如图6.2.2所示。

图6.2.1 路灯控制系统示意图

图6.2.2 路灯布置示意图（单位：cm）

1．基本要求

（1）支路控制器有时钟功能，能设定、显示开关灯时间，并控制整条支路按时开灯和关灯。

（2）支路控制器应能根据环境明暗变化，自动开灯和关灯。

（3）支路控制器应能根据交通情况自动调节亮灯状态：当可移动物体M（在物体前端标出定位点，由定位点确定物体位置）由左至右到达S点时（见图2），灯1亮；当物体M到达B点时，灯1灭，灯2亮；若物体M由右至左移动时，则亮灯次序与上相反。

（4）支路控制器能分别独立控制每只路灯的开灯和关灯时间。

（5）当路灯出现故障时（灯不亮），支路控制器应发出声光报警信号，并显示有故障路灯的地址编号。

2．发挥部分

（1）自制单元控制器中的LED灯恒流驱动电源。

（2）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%。

（3）其它（性价比等）。

说明:

（1）光源采用1 W的LED灯，LED的类型不作限定。

（2）自制的LED驱动电源不得使用产品模块。

（3）自制的LED驱动电源输出端需留有电流、电压测量点。

（4）系统中不得采用接触式传感器。

（5）基本要求（3）需测定可移动物体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，要求该距离≤2cm。

6.2.2 设计报告

摘要

该系统由主控模块、光控模块、传感器模块、故障检测模块及LED恒流源驱动模块组成。其中主控模块包括支路控制器和两个led单元的控制器，由一片STC12系列单片机为核心器件构成，恒流源以SN3350为核心芯片，辅以其它必要的外围电路和软件构成了一个完整的模拟路灯控制系统。系统能根据环境明暗变化自动开灯和关灯；能根据交通状况自动调节亮灯状态；具有时钟功能，能设定、显示开/关灯时间，并能控制整条支路或每只路灯按时开灯和关灯；当路灯出现故障时可发出声光报警，并显示故障灯的编号；具有调光功能，能在规定时间按设定要求自动调节led驱动电源功率，调节与设定范围为20%～100%，调节误差≤2%。系统使用节能环保的LED灯光源，采用科学有效的监控手段进行亮度控制、时间控制、交通状况监测、故障自动报警等，可节省人力和电力资源，降低系统运行成本，性价比高。

关键词：路灯控制；LED；恒流源；光电开关

1．系统方案选择与论证

根据题目要求，系统可由主控器、传感器、恒流源、时钟、显示、键盘输入、故障检测报警和环境亮度检测等模块构成，其总体结构如图6.2.3所示。主要模块的具体方案选择论证如下：

主主主主

主主主主主主

主主主主主主主

主主主主

LED

主主主主

主主主主主主

主主主主主主主主主

主主主主

主主主主

图6.2.3 系统总体结构

1) 控制器方案的选择与论证

方案一：采用单片机89C51作为控制核心。89C51单片机价格低廉，使用简单，但其运算速度较低，功能较为单一。用一个89C51单片机需辅以必要的外围AD 芯片来实现单元控制和支路控制的功能，这就增加了硬件电路的复杂程度，且编程较复杂。

方案二：采用FPGA 作为系统的控制器。FPGA 可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高。但本设计对数据处理速度要求不高，FPGA 的高速处理优势得不到体现，并且因其价格较高会使系统成本增加。

方案三：采用一片单片机STC12C5410AD 作为中心控制器。该芯片内置AD 和DA 功能，减少了外围电路的复杂度，且具有高速、高可靠性、低功耗、超强抗干扰、价格低等优点。

综上比较，本系统采用方案三做为两个控制器的核心器件。 2) 光控模块方案选择与论证

方案一：采用光电开关。在S ，B ，S’三个位置分别放置光电开关装置，当物体经过这些点时，光电开关发射的光被物体遮挡，则接收端因无法接收该光而使其一引脚输出电平发生变化，单片机处理该信号继而控制路灯的开/关。光电开关具有长寿命、高可靠性、灵敏度高等特点，且价格较低。

方案二：采用红外发射装置。使用电路原理与方案一类似，但其精度低，灵敏度较弱，方向性差，性价比低。

方案三：选用干簧管。该装置是一种磁敏的特殊“开关”。它通常由两个或三个既导磁又导电的材料做成的簧片触点，当永久磁铁靠近干簧管时，簧片的接点就会感应出极性相反的磁极。由于磁极极性相反而相互吸引，“开关”闭合，当磁力减小到一定值时，“开关”断开。但其磁力的大小与磁铁有关，灵敏度较差。

综上比较，本系统采用方案一作为传感器模块的主要元件。 3) 恒流源方案的选择与论证

方案一：采用集成运放设计。用集成运放和电感组成简单的电压限制电路，根据所需电流调节可调电阻来获得所需的电流。用此方法得到的输出电流稳定度较低，且硬件电路调试复杂。

方案二：采用LED 驱动电源芯片SN3350。其具有输出350mA 恒流的特性，稳定度高，且具有过压保护、过温保护、体积小、外围电路简单等特点，可较好的满足本系统的要求。

方案三：采用恒压源串联电阻。将恒压源串联可变电阻，通过调节可变电阻，输出电流也可恒定在某一值。但是该方案外接电阻的阻值调节不灵敏，难以满足设计的精度要求。

综上比较，本系统采用方案二制作恒流源。

4) 显示方案选择与论证

方案一：采用LED数码管。通过单片机引脚控制，由数码管动态显示设定的时间和开关灯时间，因题目要求显示数据多，所需数码管的数量和单片机的控制接口较多，从而导致单片机I/O接口紧张，性价比较低。

方案二：采用16×32点阵块显示。能够满足题目要求，但同样需要占用单片机较多的I /O接口，且软件复杂，调试困难。

方案三：采用1602LCD液晶显示。该模块占用单片机I/O口较少，且可通过程序实现级联菜单功能，较好的满足题目要求。

综上比较，本系统显示模块采用方案三。

5) 路灯亮度调节方案的选择与论证

方案一：直接通过对电压的调节来改变亮度的大小。电路简单且易实现，但容易产生过压或欠压现象，从而对电路造成不利影响，且不能满足题目发挥部分的要求。

方案二：由单片机生成PWM。恒流源芯片SN3350的3#脚可接PWM信号，通过调节PWM 的占空比，就可调节恒流源输出电流的大小，从而控制输出功率的大小。因此，只要用单片机调节PWM信号的占空比，即可在0－100％范围内的调节恒流源的输出功率，满足题目发挥部分的要求。

方案三：使用555定时器设计输出多谐振荡器，调节占空比的大小来形成PWM信号，从而调节路灯的亮暗。但是这种方案的占空比是由变阻器调节，精度低，调节难，无法满足题目要求。

综上所述，本系统采用方案二实现路灯亮度的无级调节。

2．系统硬件的理论分析与设计

1）环境亮度检测模块

本设计采用光敏电阻来实现通过检测外界环境的明暗程度、控制LED灯自动打开或关闭的要求，具体电路如图6.2.4所示。

图6.2.4 环境亮度检测电路

当环境光线较强时，光敏电阻Rgm呈低阻状态，5V电压经光敏电阻Rgm和R6分压后在R6上的电压高，单片机P1_0口检测到该电压信号后，控制P1_1给三极管Q1基极施加高电平，使Q1导通，继电器线圈通电，吸合开关K1，led灯D6所在支路形成通路，灯点