一款路灯控制系统的设计

兰小海

(广东机电职业技术学院，广东广州510550)

摘要：设计的路灯控制系统以STC单片机作为主控MCU，使用时钟芯片、串口通信、按键、液晶显示、等模块构成支路控制器，用单片机(STC12C08AD)作为单元控制器，使系统能根据设定时间和环境明暗变化自动开灯、关灯以及故障声光报警。在检测行人情况(物体移动检测)方面，本系统通过红外信号发射光来进行检测，通过串口通信告知单元控制器，点亮和关闭LED。系统通过支路控制器与单元控制器的结合，实现了精确的电路调控，同时，电路的性价比和效率高，功耗小，从而实现了节能并高效。

关键词：路灯控制；PWM调光；单片机；串口通信

1 系统设计

1.1 设计目标

系统控制器分为两种，支路控制器和单元控制器。支路控制器有时钟功能，能设定、显示开关灯时间，控制整条支路按时开关灯；支路控制器能根据环境明暗变化，自动开灯和关灯；支路控制器能根据行人情况自动调节亮灯状态；支路控制器能分别独立控制每只路灯的开灯和关灯时间；支路控制器当路灯出现故障(灯不亮)，支路控制器应发出声光报警信号，并显示此路灯的地址编号。单元控制器主要完成底层信息采集和控制，单元控制器中具有LED灯恒流驱动电源；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%。

1.2 方案设计思路

根据设计要求实现较多的支路和单元智能控制，需要用单片机配合其他外围元器件来实现。首先，开灯、关灯时间，可以用时钟芯片配合单片机程序设定；自动开灯、关灯则利用光敏电阻和运放构成采样比较器来实现；由单片机产生PWM来调节LED灯的电流，可调整电源输出功率，采用通信系统，以串行或并行的形式传送和接受指令，通过光电传感器、检测器、数字电路采集，形成反馈，可以实现。

1.3 方案比较与论证

方案一：使用一块单片机作为系统核心控制部件，此方案的优点是只需要用一块单片机就可以控制所有支路和单元电路，但所需要用的控制线较多，使得成本较，并且线路复杂，连接困难，同时，单片机本身的局限性令I/O口使用比较紧张。

方案二：以一块单片机作为主机控制多个从机的形式，在每一单元电路都安装一块单片机作为从机，通过串口通信与主机进行通信，这种控制方式所需要用的控制线较少，所以成本较低，且便于支路从机的拓展。

方案选择：比较以上两个方案，方案一需要用到的单片机较方案二少，从成本分析和实现的角度来看，比方案二容易实现，其实不然，相反地，正是由于单片机数量的限制，使得方案一由于控制线的增加而成本增多，同时，功能上也受到局限，以后的维护和修复方面也极有难度；而方案二各方面都优于方案一，同时，方案二，操作简单，从长远分析，性价比高，故选用方案二。

1.4 系统总体结构

根据设计目标和方案选择，仔细分析了各种因素，得出以单片机控制为核心部分，数模电路为辅的系统组成总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构框图

2 单元电路设计

2.1 恒流及光功率调控电路

使用三极管组成的恒流电路，简单、成本低，基本达标[1]。为提高三极管的电流增益，电路如图2所示，本电路使用两个三极管组成“达林顿管”，由单片机产生的PWM经过R1、R2、C1、C2组成的滤波电路，在Q1基极产生一个电压，由于三极管的基极和发射级的电压一定，因此Q2的发射极电位不变，R4为精密电阻，根据欧姆定律I=U/R，两压差与精密电阻之比，产生恒定电流，达到恒流的目的[2]。

图2 恒流电路设计

PWM调光功率控制，脉冲宽度调制(PWM)是英文“PulseWidth Modulation”的缩写，简称脉宽调制[3]。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。STC12C5A08AD单片机有两路可编程计数器阵列PCA/PWM[4]，通过程序在I/O口产生，结合图2的硬件电路，可实现PWM调光控制[5]。

2.2 采样比较电路

采样比较电路如图3所示，从图中分析，通过光敏电阻采集数据，与运算放大器构成的比较器比较，得出的信号反馈回单元控制器，以此来自己控制等的亮灭，图中可调电阻用于调节比较电压和灵敏度[6]。

图3 采样比较电路设计

2.3 支路控制器与单元控制器

以单片机(STC89C52)为控制中心，使用时钟芯片、串口通信、按键、液晶显示、等模块构成支路控制器，用单片机(STC12C08AD)作为单元控制器，加上光敏电阻和光电传感器等检测装置，形成整个系统，具体电路如图4所示。

3 软件设计

程序全部由C语言编写，程序的关键和可实现的功能是：能设定和显示开关灯时间自动开灯和关灯；能根据环境明暗变化，自动调节亮灯状态；当路灯出现故障时，能使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。主程序流程图如图5所示。

4 系统测试与数据分析

4.1 测试方案

首先确定程序调试、仿真完全调好，然后，将上述各模块电路分别调试，再将各模块电路组合进行调试。调试时，利用万用表、示波器等观察输出电压，检验是否符合设计要求。各模块检测时要注意把测试数据和问题认真记录并分析改进，尽可能把问题锁定在最小范围，若出现问题，可以迅速解决。

图4 支路控制器与单元控制器

图5 主程序流程图

4.2 测试数据

采用模拟测试法来调试恒流数据和光功率控制数据，如表1和表2所示。

功率控制测量结果如表3所示。

表1 恒流测试数据

电阻值(Ω)10 15电流值(mA)300 298电阻值(Ω)20电流值(mA)298

表2 光功率控制

PWM占空比90～95 60～65 1～50亮度低亮中亮高亮

4.3 结果分析

本次测试共有9组数据，从测试数据可看出各项指标基本达到了所需要求。首先，系统的恒流电路恒流在300mA时，负载变化对电流影响不大；其次PWM输出可以对光功率进行控制；最后对功率调节误差测量中误差不超过2%，达到系统设计的目标。

5 结论

本系统以单片机(12C08AD)为中心控制系统，使用时钟芯片、串口通信、液晶显示、按键等模块构成支路控制器，因为设计搭配合理，参数正确，设计达到了设计的目标，实现了精确的调控，系统还有一些功能可以合理地拓展和优化。

表3 功率调节误差测量

测量功率序号设定功率/W 误差123456789 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20电压/mV 3100 3000 3000 3000 3000 2900 2800 2800 2700电流/mA 330 292 290 280 200 170 140 100 80功率/W 0.99 0.88 0.85 0.84 0.60 0.49 0.39 0.28 0.21 1.3% 1.2% 1.5% 1.8% 1.4% 1.7% 1.3% 1.3% 1.1%

参考文献：

［1］王艳.一种基于可调式恒流驱动电路的LED灯智能控制系统.CN105376892A［P］.2016.

［2］孟光毅，郑阮元.一种由三极管控制的LED恒流控制电路，CN202334995U［P］.2012.

［3］赵翔.照明用LED的PWM调光电路设计［J］.光学与光电技术，2016，14(3)：82-86.

［4］周燕.基于STC12C5A08AD教室节能控制系统的设计［J］.信息安全与技术，2011(8)：84-86.

［5］邹明哲，王军，陆圆圆，等.基于STC12C5A60S2的电流型PWM功率放大器设计［J］.现代电子技术，2016，39(11)：144-148.

［6］姚颖，魏明，付明志，等.基于双馈风电变流器采样电路的运放设计［J］.工程技术：全文版，2016(11)：00269-00270.

Design for Streetlight Control System

LAN Xiao-hai

(GuangdongMechanical&Electrical Polytechnic，Guangzhou 510550，China)

Abstract：This streetlightcontrol system ismainly controlled bymicrocontroller(STC)，using the clock chip，serial communication，buttons，LCD，and othermodules constitute a slip controller tomicrocontroller(STC12C08AD)asa cell controller，so that system can set the timing and the circumstancesunder shading changesautomatically turn on the lights，turn off the lightsand sound and lightalarm failure.Detection of traffic conditions(objects，motion detection)，the present system through the infrared light to carry out detecting signal transmission through the serial communication inform the cell controller，light on and off LED.The system controller and cell controller through the slip road to the combination of the circuit to achieve a precise control，while the circuit costand high efficiency，power consumption，thereby helping toachieveenergy-savingand efficient.

Key words：street lightcontrol；PWM dimming；microcontroller；serial communication

中图分类号：TP273

文献标识码：A

文章编号：1009－9492(2017)07－0079－03

作者简介：兰小海，男，1976年生，重庆人，大学本科，讲师。研究领域：电子与通信。

(编辑：向飞)

DOI：10.3969/j.issn.1009-9492.2017.07.028

收稿日期：2017－04－11