基于单片机的模拟路灯控制系统设计方案

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。

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;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%.

图1 路灯布置示意图

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。

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.

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。

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。[page]

图5 LED 恒流驱动电源电路原理图。

根据图5 可知：

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。