光控路灯自动控制器的设计方案.docx

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光控路灯自动控制器的设计方案

某职业技术学院

毕业论文

题目光控路灯自动控制器

摘要

随着我国经济发展迅猛，国民对电能的使用日益提高，与此而来的就是电能的浪费。

目前国内路灯照明光源一般采用高压钠灯、高压汞灯和金属卤化物灯。

常出现开灯早，关灯晚；或者开灯晚，关灯早的现象，不仅造成巨大的电能浪费、影响人们日常生活，还会损害城市形象、影响社会治安和交通安全，从而影响城市的投资环境。

总之，伴着城市规模的不断扩大，现有的路灯管理的方式方法已远远不能满足城市路灯发展与管理的需要，必须依靠现代化的高科技管理手段。

光控路灯开关的发明与使用就显得十分重要。

本文基于光敏电阻的基本原理，设计了一个基于光控开关的路灯自动控制系统，实现路灯的智能控制。

该系统主要由内光电转换级、运放滞后比较级、驱动级等组成，通过对光控电路的设计、仿真，为最终的实际应用提供参考依据。

并分析了研究过程中出现的问题，逐步找出光控开关的最佳设计方法。

关键词：

光控路灯开关光敏电阻光电转换驱动电路

绪论

随着中国城市和经济的迅速发展，城市照明交通安全和灯饰美化工程也越来越受到普遍关注，同时为了符合节约型、可持续性发展社会的标准，产生了对路灯、灯饰工程监管改革的需求。

路灯是城市照明工程的主要组成部分，在夜晚，路灯的照明起到非常重要的作用。

目前一般的传统路灯一般采用钠灯、水银灯、金卤灯等灯具，这类灯具有发光效率高、光色好、安装简便等优点被广泛应用，但也存在功率因子低、对电量要求严格、耗电量大等缺点。

我国大部分城市街道都采用“全夜灯”的方式进行照明，这些街道在夜晚人流量和车流量都比较小，即使没有人或车经过，这些路灯也是长期点亮的，这时电能就被白白浪费掉了。

很多路段真正有效的照明时间只占到整个照明时间的20%－30%。

因此有些地方采用“半夜灯”前半夜全亮后半夜全灭的方式，此方法虽然节约了用电量，却带来许多社会治安和交通安全问题。

传统路灯的照明和管理存在浪费大，路灯使用寿命短，远程操控、巡查无法监控，人工作业量大，故障维修反应效率低，统计查询功能弱等现象。

对于“全夜灯”照明造成的浪费和“半夜全灭或半灭灯”带来的交通安全问题，可以采用通讯网络技术和智能控制管理。

LED照明作为一种较新的技术，广泛用于各种照明中。

它具有效率高、使用寿命长等优点。

一个LED路灯，如果要达到和普通的高压钠灯和高压水银灯那样的亮度，大约需要消耗的40W以上功耗，只有传统路灯的25%－40%。

随着技术的发展，LED已经开始逐渐取代白炽灯。

智能控制型路灯是运用先进的通讯手段，计算机网络技术、自动控制技术、新型传感技术与自动检测技术等构成的监控系统，快速准确地对道路照明、城市灯饰工程、广场照明、桥梁和隧道照明等系统进行智能监控，实现对远程路灯和电源实施遥控、遥测、遥监、遥视、遥信等功能，便于了解路灯运行状况以及它的维修和保养，能提高路灯运行质量和效率，为能源节约和创造节约型社会打下基础。

路灯智能控制系统一般由控制中心主站、各点测控分站、通讯系统三大部分组成。

主站主要负责管理、控制整个系统的运行，其兼容性和容量大小可灵活配置；通讯一般采用有线或无线与的方式，目前技术有利用单片机实现路灯控制器的TCP／IP协议（实现自己数据的高速传输和实时控制）等技术；无线技术有GSM短信息网、CDPD公共无线数据网，或而各分站点通过安装单片机或新技术装备（如LONWORKS技术）构成其

控制器，从而达到与主站通讯、接受命令、执行开关、控制电压、控制时间、反馈数据信息等功能。

第一章模拟路灯控制方案

本设计采用智能控制系统的路灯开关、亮度调节、时间控制等方式都能实现远程遥控，达到时控模式、光控模式、旁路模式的目的。

设置开关灯时间表，可实现路灯全夜灯和半夜灯自动定时控制，管理人员可针对具体的情况对某一个或多个终端随时进行开关控制（分组、分区、全部开关等方式）；还可根据日光的变化进行的“光控”，通过主站控制器采样个时段日照强度，通过RS-485通信的方式控制从站实现路灯的光照强度的改变，达到“光控”的目的，这样不仅节约电能，而且也保护了路灯，延长了它们的使用寿命；还可根据分站控制器的传感器感应公路上行车和行人，将这些信息反馈给主站控制中心，由主站智能控制器决定是否打开灯，以及打开灯的数量和光照强度。

控制系统框图如图1所示，

图1路灯控制框图

路灯智能控制系统由控制中心主站、各点测控分站、通讯系统三大部分组成。

LED路灯控制系统以AT89S52单片机为控制核心，通过单片机实现对路灯定时开关、亮度调节、时间显示及通信的控制。

时钟系统由时钟芯片DS1302实现时钟功能，即使在工业现场等极端恶劣工作环境中，仍保证时间误差<1分钟/年；通过采集了实时时钟的信号，可以对时钟和定时进行设置，并控制整条支路按时开灯和关灯、显示开关灯时间。

若采用单片机计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，同样耗费单片机的资源，而且，某些测控系统可能不允许。

在系统中采用时钟芯片DS1302，则能很好地解决这个问题。

光控系统由光敏电阻感应环境亮度，利用电桥，可将光线信号转换成电信号，再通过电压比较器与用户设置的参数作比较，作出相应的动作，返回到主站控制系统中，再由主控制器进行运算、处理，从而实现智能光控。

路灯单元控制系统采用恒流源供电，具有输出功率调整功能，并能定时调整功率。

驱动部分利用MCU产生PWM信号调制恒流源来驱动多路白光LED进行照明（使用多路LED是为了保证照明的亮度）。

通过调节PWM信号的占空比，就可以调整LED的亮度。

同时对LED的电流和照明光强进行检测，并反馈到PWM控制中，这样可以保证照明的亮度。

通讯系统采用工业标准通信网络RS-485的方式与各单元控制器相连实现对从站的监控，用单片机做控制器实现路灯数据的高速传输和实时控制，各分站通过自己的单片机控制器，实现与主站通讯、接受命令、执行开关、控制电压、控制时间、反馈数据信息等功能。

检测定位系统采用TCRT5000光电传感器，能准确的检测物体的定位，此方案可以降低可见光的干扰，灵敏度高，同时其尺寸小、质量轻、价格也低廉。

外围电路简单，安装起来方便，电源要求不高，用它作为定点检测相对合适，所以本设计采用些方案。

故障检测系统采用电流检测，我们检测路灯是否故障的时候只要检测了电路中是否有电流流过，那么就能判断出是不是有故障灯的存在。

自己通过报警系统将数据反馈给主站系统，这样能及时发现故障和问题，并联系工人点对点地进行维修，避免逐站逐点巡查和发现问题、反应缓慢的情况。

该模拟控制系统，能有效的节约能源，减少照明灯具的损耗。

可以实现智能快速准确照明系统进行智能监控，实现对远程路灯和电源实施功能，便于了解路灯运行状况以及它的维修和保养，能提高路灯运行质量和效率，为能源节约和创造节约型社会打下基础。

1.1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2所示，路灯布置如图3所示。

图2路灯控制系统示意图

图3路灯布置示意图（单位：

cm）

1.2要求

1.2.1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。

1.2.2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%。

1.3说明

1．光源采用1W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。

第二章硬件设计方案

2.1主控芯片

控制芯片采用ATMEL公司的AT89S52单片机，AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，可反复擦写1000次。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash片内程序寄存器，256字节随机储存数据储存器RAM，32个外部双向输入输出（I/O）口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

单片机及外围电路原理图

2.2单片机的电源设计

AT89S52的工作电压4.0V-5.5V，电源电路采用线性稳压电源，电源电路如图3-3所示。

交流电源由变压器T降压，VD1、VD2、VD3、VD4桥整流，变成交流，再经C1、C2滤波输出9V电压。

通过三端稳压管L7805稳压，C7，C8滤波去耦电容，将电压稳定在5V。

发光二极管VD1是电源指示灯，R1是限流电阻。

电源电路如图3-3：

图3-3单片机的电源设计

2.3显示器及接口设计

单片机应用系统中，常用的显示器有LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器）。

这两种器件都具有成本低廉、配置灵活、与单片机接口方便的特点。

本设计使用LED数码管作为显示界面，数码显示原理如图所示。

数码显示原理图

为了节省I/O口线，8位移位寄存器（串行输入，并行输出）74LS164驱动数码管显示，数码管工作在静态显示模式。

74LS164是一个串入并出的芯片其逻辑封装图如图所示。

当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QA－QH）均为低电平。

串行数据输入端（A，B）可控制数据。

当A、B任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK）脉冲上升沿作用下Q0为低电平。

当A、B有一

个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在CLOCK上升沿作用下决定Q0的状态。

时序图如图所示。

74LS164时序图

2.4键盘接口设计

键盘采用矩阵式键盘，矩阵式键盘适用于案件数量较多的场合，它有行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，行线、列线分别连接到按键开关的两端。

如图所示。

矩阵式键盘结构

由图可知，一个4x3的行列结构可以构成一个含有12按键的键盘。

很明显，在按键数目较多的场合，矩阵式键盘与独立式键盘相比，要节省很多的I/O口线。

图中列线通过上拉电阻接+5v，平时无按键动作时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，对应的行线与列线短接，行线的电平状态与与此相连的列线电平决定。

按键以编程扫描的方式工作，他利用CPU在完成其他工作的空余，调用键盘扫描子程序，来响应键输入要求。

在执行键功能程序时，CPU不在响应键输入要求。

键盘扫描子程序一般应具备以下四个功能。

（1）判断键盘上有无键按下

（2）去除键的抖动影响。

（3）确定按键位置（4）判断按键是否释放

2.5时钟系统设计

DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。

采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。

DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。

DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。

2.5.1引脚功能及结构

　　DS1302的引脚排列,其中Vcc1为后备电源，VCC2为主电源。

在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。

DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。

当Vcc2大于Vcc1＋0.2V时，Vcc2给DS1302供电。

当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。

X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。

RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。

RST输入有两种功能：

首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。

当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。

如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。

上电运行时，在Vcc>2.0V之前，RST必须保持低电平。

只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。

I/O为串行数据输入输出端（双向），后面有详细说明。

SCLK为时钟输入端。

下图为DS1302的引脚功能图：

DS1302原理图

2.5.2DS1302的控制字节

　　DS1302的控制字如图1所示。

控制字节的最高有效位（位7）必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入DS1302中，位6如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据;位5至位1指示操作单元的地址;最低有效位（位0）如为0表示要进行写操作，为1表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。

2.5.3数据输入输出（I/O）

　　在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。

同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位到高位7。

2.5.4DS1302的寄存器

DS1302有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码形式,其日历、时间寄存器及其控制字见表2。

此外，DS1302还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。

时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器内容。

DS1302与RAM相关的寄存器分为两类：

一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为C0H～FDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；另一类为突发方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字为FEH（写）、FFH（读）。

2.6光控系统的设计

光控系统由光敏电阻比较器LM93组成，光敏电阻器（photovaristor）又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。

LM393为双电压比较器，LM393系列由两个偏移电压指标低达2.0的独立精密电压比较器构成。

该产品采用单电源操作设计，且适用电压范围广。

该产品也可采用分离式电源，低电耗不受电源电压值影响。

本品还有一个特点是，即使是在单电源操作时，其输入共模电压范围也包括接地。

LM393系列可直接与TTL及CMOS逻辑电路接口。

无论时正电源还是负电源操作，当低电耗比标准比较器的优势明显时，LM393系列便与MOS逻辑电路直接接口。

各引脚功能：

8脚电源＋，4脚电源－，1脚比较器A输出，2脚比较器A反相输入，3脚比较器A同向输入，5脚比较器B同向输入，6脚比较器B反相输入，7脚比较器B输出。

LM393引脚功能图

光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。

光敏电阻经比较器与用户设置的参数作比较，作出相应的动作，返回到主站控制系统中，再由主控制器进行运算、处理，从而实现智能光控。

其工作原理：

光照下降时由于光明电阻阻值上升，比较器反向输入端电压升高，到设定的值时LM393的输出由高电平转变为低电平。

光控系统原理图

2.7红外检测模块

判断交通状况的传感器使用TCRT5000光电传感器TCRT5000传感器的工作原理与一般的红外传感器一样,一传一感.TCRT5000具有一个红外发射管和一个红外接收管.当发射管的红外信号经反射被接收管接收后,接收管的电阻会发生变化,在电路上一般以电压的变化形式体现出来,而经过LM393电路整形后得到处理后的输出结果.调节电阻R3可以改变传感系统的灵敏度，硬件参考原理图如下图：

红外检测模块原理图

红外开关与LED灯的真值表

2.8恒流源系统设计

用LM2576组成恒流源驱动LED,LM2576系列稳压器是单片集成电路，提供作为降压开关稳压器应有的所有功能，可以通过优良的线荷调节与负载调节，驱动3A的负载。

LM2576系列器件具有多种固定的电压输出：

3.3V，5V，12V，15V和一个可调节输出版。

　　LM2576系列器件使用简单，只需极少的外部元件，且包含内置频率补偿和一个固定频率的晶振。

LM2576系列器件可作为流行三端线性稳压器的高效替代方案，大大减少了散热片的体积，在大多数情况下，甚至不需要散热。

适用于LM2576器件的一系列标准电感，可从多个不同的制造商处获得，这种特性大大简化了开关式电源的设计。

　　LM2576系列器件的其他特性还包括：

在指定的输入电压和输出负载范围内，可保证±4%的输出电压容差，以及±10%的晶振频率容差。

LM2576还集成了外部关断模式，待机电流仅为50μA（典型）。

LM2576的输出开关不仅包括逐周期电流限制，还在故障发生时，采用热关断为器件提供充分的保护。

LM2576特性：

（1）3.3V,5V,12V,15V,以及可调节输出版

（2）可调节版输出电压范围：

1.23V～37V，±4%最大线荷调节与负载调节

（3）保证3A输出电流

（4）宽输入电压范围：

40V

（5）仅需4个外部元件

（6）52kHz固定频率的内部晶振

（7）TTL关断功能，低功耗待机模式

（8）高效率

（9）利用现成的标准电感

（10）热关断和限流保护

（11）P+增强型产品检验

2.9路灯通讯系统设计

本设计采用该总线标准进行数据传输，利用单片机本身所提供的简单串行接

口，加上总线驱动器SN75176组合成RS-485通讯网络，实现路灯的智能自动控制。

RS-485半双工异步通讯总线是一种被广泛使用的数据通讯总线。

它具有通讯距离远、通讯速率高、成本低等优点。

RS-485串行总线接口标准以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰的能力，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备，加上收发器具有很高的灵敏度，能检测抵达200mv的电压，因此传输信号可在千米之外得到恢复。

2.9.1RS485应用技术问题

在应用系统中，RS-485半双工异步通信总线是被各个研发机构广泛使用的数据通信总线，它往往应用在集中控制枢纽与分散控制单元之间。

由于实际应用系统中，往往分散控制单元数量较多，分布较远，现场存在各种干扰，所以通信的可靠性不高，再加上软硬件设计的不完善，使得实际工程应用中如何保障RS-485总线的通信的可靠性成为各研发机构的一块心病。

在使用RS-485总线时,如果简单地按常规方式设计电路，在实际工程中可能有以下两个问题出现。

一是通信数据收发的可靠性问题；二是在多机通信方式下，一个节点的故障（如死机），往往会使得整个系统的通信框架崩溃，而且给故障的排查带来困难。

针对上述问题，我们对485总线的软硬件采取了具体的改进措施。

2.9.2硬件电路的设计

AT89S52单片机自带的异步通信口，外接75176芯片转换成485总线。

其中为了实现总线与单片机系统的隔离，在MCU的异步通信口与75176之间采用光耦隔离。

光耦器件需要+12V，其他芯片均用+5V供电。

系统简图如图1所示，充分考虑现场的复杂环境。

图1.RS-485系统示意图

2.9.3从设备地址配置电路设计

对于监控网络，从设备的硬件设计必须考虑到能够配置自己的地址。

最终地址的配置方法采用开关组加上拉电阻排与微处理器端口连接来实现。

设备地址通过手工拨动开关设定，由系统的初始化程序通过读取I/O端口得到。

2.9.4总线驱动器芯片SN75176

常用的RS-485总线驱动芯片有SN75174，SN75175，SN75176。

SN75176芯片有一个发送器和一个接收器，非常适合作为RS-485总线驱动芯片。

SN75176及其逻辑如图1所示。

图1　SN75176芯片及其逻辑关系

2.9.5485总线输出电路部分的设计

输出电路的设计要充分考虑到线路上的各种干扰及线路特性阻抗的匹配。

由于工程环境比较复杂，现场常有各种形式的干扰源，所以485总线的传输端一定要加有保护措施。

在电路设计中采用稳压管D1、D2组成的吸收回路，也可以选用能够抗浪涌的TVS瞬态杂波抑制器件。

考虑到线路的特殊情况（如某一台分机的485芯片被击穿短路），为防止总线中其它分机的通信受到影响，在75176的485信号输出端串联了两个20Ω的电阻R10、R11。

这样本机的硬件故障就不会使整个总线的通信受到影响。

在应用系统工程的现场施工中，由于通信载体是双绞线，它的特性阻抗为120Ω左右，所以线路设计时，在RS-485网络传输线的始端和末端各应接1只120Ω的匹配电阻（如图2中R8），吸收总线上的反射信号，保证正常传输信号干净、无毛刺。

匹配电阻的取值应该与总线的特性阻抗相当。

当总线上没有信号传输时，总线处于悬浮状态，容易受干扰信号的影响。

由于RS-485芯片的特性，接收器的检测灵敏度为±200mV，即差分输入端VA－VB≥+200mV，输出逻辑1，VA－VB≤－200mV，输出逻辑0；而A、B端电位差的绝对值小于200mV时，输出为不确定。

如果在总线上所有发送器被禁止时，接收器输出逻辑0，这会误认为通信帧的起始引起工作不正常。

解决这个问题的办法是人为地使A端电位高于B两端电位，这样RXD的电平在485总线不发送期间（总线悬浮时）呈现唯一的高电平，MCU就不会被误中断而收到乱字符。

将总线上差分信号的正端A+和+5电源间接一个10K的电阻;正端A+和负端B-间接一个10K的电阻;负端B-和地间接一个10K的电阻，形成一个电阻网络。

当总线上没有信号传输时，正端A+的电平大约为3.2V，负端B-的电平大约为1.6V，即使有干扰信号，却很难产生串行通信的起始信号0，从而增加了总线抗干扰的能力。

2.9.6隔离光耦电路

在某些工业控制领域，由于现场情况复杂，各结点之间存在很高的共模电压。

虽然RS-485接口采用的是差分输出方式，具有一定的抗共模干扰能力，但当共模电压超过RS-485接收器的极限接受电压，即大于+12V或小于-7V时，接收器就再也无法正常工作了，严重时回烧毁芯片和仪器设备。

解决的办法是通过DC-DC将系统电源和RS-485收发器的电源隔离；通过光耦合器将信号隔离，彻底消除共模电压的影响。

在应用系统中，由于要对现场情况进行实时监控及响应