摘要： 文章設計了一種路燈控制系統，它的硬件主要由美國Cygnal 公司的C8051F020 單片機、12864 液晶顯示器、LED 恒流驅動電源等組成。C8051F020 單片機作為模擬路燈控制系統支路控制核心，實現模擬路燈控制系統的時鐘功能，設定顯示開關燈時間，并能控制支路按時開燈和關燈; 根據環(huán)境明暗的變化自動控制開燈和關燈; 根據交通情況自動調節(jié)亮燈狀態(tài); 獨立控制每只路燈的開燈和關燈時間; 當路燈出現故障時，支路控制器發(fā)出滴答的報警信號，并顯示有故障燈的編號。交通情況采用紅外收發(fā)傳感器方式實現自動調節(jié)功能; 該系統具有人機界面直觀，紅外遙控調節(jié)方便，系統運行穩(wěn)定，精度高等特點。

0 引言

本文采用高效節(jié)能環(huán)保的LED 燈作為光源，利用傳感器模塊、光控路燈模塊、恒流源模塊來實現，根據環(huán)境、交通等因素，單片機采集光敏電阻或光電開關的信號控制路燈的亮滅，實現了光電和時間控制; 同時具有交通情況檢測、故障自動檢測與報警等功能，實現了路燈的智能化控制，節(jié)省了電力能源和人力資源。

1 系統設計要求方案

1.1 系統設計要求。

設計并制作一套模擬路燈控制系統，路燈布置如圖1 所示。要求實現模擬路燈控制系統的時鐘功能，設定顯示開關燈時間，并能控制支路按時開燈和關燈;根據環(huán)境明暗的變化自動控制開燈和關燈; 根據交通情況自動調節(jié)亮燈狀態(tài); 獨立控制每只路燈的開燈和關燈時間; 當路燈出現故障時，支路控制器發(fā)出滴答的報警信號，并顯示有故障燈的編號。交通情況采用紅外收發(fā)傳感器方式實現自動調節(jié)功能。單元控制器具有調光功能，路燈驅動電源輸出功率能在規(guī)定時間按設定要求自動減小，該功率應能在20% ~ 100% 范圍內設定并調節(jié)，調節(jié)誤差≤2%.

圖1 路燈布置示意圖

1.2 系統設計方案

系統采用C8051F020 單片機作為系統的控制器，利用有線傳輸方式實現對LED1 和LED2 的控制，控制方式如圖2 所示。C8051F020 單片機是完全集成的混合信號系統級芯片，內部自帶ADC、DAC.而本系統需要采集環(huán)境明暗的變化，自動控制LED 亮度，這需要將模擬電壓轉換為數字量處理，將數字量轉換為模擬量控制。整個系統完全自給自足，使用外圍器件少，系統成本低，系統調試簡單方便。

圖2 C8051F020 控制方式結構。

2 系統硬件設計

2.1 系統總體框圖及控制電路的設計

紅外線路燈控制系統硬件結構如圖3 所示。控制系統主要由主控單片機、顯示接口、紅外遙控、傳感器、恒流驅動等功能模塊組成。C8051F020 單片機接收紅外線遙控信號，設定其開關燈的時間，啟動模擬控制系統，并將環(huán)境明暗信號采集輸入單片機進行模數轉換，控制LED 燈的開關狀態(tài)。單片機實時檢測LED 燈的工作狀態(tài)，當出現故障時，單片機控制聲光電路報警并控制液晶顯示器顯示其故障點編號。在規(guī)定的時間內輸出模擬電壓控制LED 燈的亮度。根據紅外接收信號檢測交通情況，并能根據不同的交通情況對LED 燈作出相應智能控制。C8051F020 單片機最小系統及接口電路見圖4.

圖3 紅外線路燈控制系統硬件結構。

圖4 C8051F020 單片機最小系統及接口電路原理圖。

2.2 LED 恒流驅動電源設計

由于OP07 具有非常低的輸入失調電壓( 最大為25 μV) ,所以OP07 在很多應用場合不需要額外的調零措施; OP07 同時具有輸入偏置電流低( ± 2 nA) 和開環(huán)增益高( 300 V/mV) 的特點。OP07 集成運放6 腳的輸出電壓經電阻R30 反饋至反相輸入端，構成同相比例電路。功率三極管Q6的基極與運放相連，用來增加驅動電流。當OP07 的同相端輸入電壓恒定時，由于負反饋的存在，保證了OP07 輸出電壓恒定，從而使流經LED 負載的電流為恒定電流。LED 恒流驅動電源電路原理圖如圖5 所示。

圖5 LED 恒流驅動電源電路原理圖。

根據圖5 可知：

由上式可以看出輸出電流的值僅與輸入端控制電壓有關，兩者成正比關系，電路中R25 = R26,R39 = R30,通過選擇適當的電阻值可以改變比例因子。在改變電流源比例因子的同時，也要注意改變補償電容C29的電容值。

2.3 位置檢測電路

采用紅外收發(fā)傳感器，一個發(fā)射管發(fā)射紅外線和一個接收頭接收紅外線信號。圖6 為紅外收發(fā)傳感器判斷交通情況原理框圖及紅外接收發(fā)射電路。紅外發(fā)射管和接收管對射式安裝，當有障礙物到達紅外發(fā)射管和接收管中間時，會產生不同的高低電平，單片機采集此信號，控制燈的開關狀態(tài)。紅外發(fā)射管和接收管采用屏蔽的方式來消除外界的干擾。

圖6 紅外收發(fā)傳感器判斷交通情況原理框圖及紅外接收發(fā)射電路。

2.4 環(huán)境明暗變化檢測與故障檢測電路

采用光敏電阻實現對其明暗的變化，產生不同的電壓，經單片機內部模數轉換處理，根據檢測的信號進行相應的處理，實現因環(huán)境變化而改變LED 燈的開關狀態(tài)。其原理圖如圖7 所示。

圖7 環(huán)境明暗變化檢測與故障檢測電路。

3 系統軟件設計

系統的軟件采用C 語言編程，軟件開發(fā)采用新華龍Silicon Laboratories IDE 軟件平臺進行調試。為了編寫和調試的方便，節(jié)省資源，程序使用模塊化設計，根據各功能要求分別設計程序，大大簡化了程序的設計和調試工作，節(jié)省設計周期。

3.1 系統主程序

主程序開始工作在一個等待設定狀態(tài)，當有鍵按下時系統根據按鍵模式工作。本系統采用紅外遙控控制，利用定時器中斷來實現對其解碼。程序根據設定的模式工作，當遇到特殊情況會自動控制路燈的開關狀態(tài)。主程序流程圖如圖8 所示。

圖8 主程序流程圖。

3.2 功率調節(jié)子程序

功率調節(jié)子程序流程圖如圖9 所示。程序首先通過PID 算法比較判斷檢測值的大小是否到20%,如果不夠，時鐘信號加1,同時修改PWM 控制電壓輸出。

若時鐘信號不加1,就要考慮是否需要手動調節(jié)功率。

圖9 功率調節(jié)子程序流程圖。

4 系統測試

4.1 開關控制功能測量

( 1) 交通情況自動調節(jié)測試。

交通情況自動調節(jié)測試如表1 所示。測試結果表明能自動調節(jié)LED 燈1 及LED 燈2 的開關，且可移動物體M 上定位點與過"亮燈狀態(tài)變換點"( S、B、S' 等點) 垂線間的距離≤2 cm.

表1 交通情況自動調節(jié)測試。

( 2) 開關燈定時測試。

設定LED 燈1 及LED 燈2 同時開( 17: 00) ,LED燈1 及LED 燈2 同時關( 17: 10) ; 設定LED 燈1 及LED 燈2 分別在不同時間開關( LED 燈1 于18: 00 開，LED 燈2 于18: 10 開; LED 燈1 于9: 00 關，LED 燈2于9: 10 關) .開關燈定時測試如表2 所示。

表2 開關燈定時測試

上表可見系統存在誤差，誤差產生是由于電路本身時鐘有誤差，還有人為的讀數誤差。

( 3) 環(huán)境明暗變化自動開關燈測試。

明暗變化自動開關燈測試，測試結果表明： 當環(huán)境變暗時，自動開啟燈，當環(huán)境變亮時，自動關燈。

4.2 恒流源輸出功率測試

表3 是在恒流源帶LED 負載，調節(jié)控制電壓時的實測電流值。

表3 LED 燈恒流驅動電路測試數據

從測試結果可以看出，電流源的恒流精度達到了98.7%,輸出功率精度變化小于2%,基本技術指標達到設計要求。

5 結論

通過綜合測試，本模擬路燈控制系統實現了自主設定顯示開關燈時間，控制整條支路按時開燈和關燈，并根據環(huán)境明暗的變化及交通情況自動控制調節(jié)燈的亮度和開關; 當路燈出現故障時，支路控制器發(fā)出滴答的報警信號，并顯示有故障燈的編號。整個系統完全自給自足，使用外圍器件少，軟件編程方便靈活，系統調試簡單方便，系統成本低，性價比高，具有較高的現實意義。