LED路灯智能控制系统设计.pdf

第 卷第期 年月大 连 工 业 大 学 学 报 文章编号：（）路灯智能控制系统设计马腾，李渊，李 宝 营，路莹（大连工业大学 信息科学与工程学院，辽宁 大连 ）摘要：出于对能源消耗及智能化水平的考虑，传统的路灯控制方式已不能满足社会发展的需求。在分析了单片机 的性能优势之后，从绿色能源、节约能源和性价比的角度出发，提出了一个基于 为控制核心的设计方案。单片机在规定亮灯时间内检测背景光强度，若背景光强度较弱启用热释电红外传感器开始探测人体和车辆发出的红外信号。当有人或车辆进入传感器探测区域，单片机输出脉宽调制信号，并根据背景光强度调整 路灯的亮度，选用合适的占空比来控制恒定电流源的工作电流来保证道路的可见度，从而完成对 路灯的智能化控制。实验仿真结果充分证明了系统方案的可行性、高效性和稳定性。关键词：热释电红外传感器；红外信号；恒流源；中图分类号：文献标志码：，（，）：，（），：；收稿日期：作者简介：马腾（），男，硕士研究生；通信作者：路莹（），女，副教授 引言近年来，随着经济的高速发展和汽车的逐渐普及，城市的交通问题已经引起人们越来越多的关注，城市道路照明的重要性也日益增大。目前，我国大部分城市的路灯照明都采用“全夜灯恒照度”的方式，控制方式仍然是简单的光控和时控等传统方式，这大大增加了城市的用电量，为此，政府承担着巨额的财政支出，而路灯照明设备的使用寿命也大大降低。因此，引入智能交通系统（）成为提高城市交通管理水平的一个重要途径。本设计以低功耗单片机 为主控部件，采用热释电红外传感器检测人体及车辆发出的红外信号，运用光敏电阻检测背景光的强度，通过恒定电流源来控制 灯光的强度。根据各个季节天黑的时间不同设置各自的路灯开启和关闭时间，在规定时间对移动物体进行检测，实现对路灯的智能化控制，提高了路灯照明的有效性，避免了电力资源的浪费。热释电红外传感器与菲涅耳透镜利用红外线传感器可以检测到物体发射出的红外线，从而可以检测到不同物体的存在。制造热释电红外传感器的材料，以陶瓷氧化物及压电晶体用得最多，这类材料具有强烈的自发极化性能，当受到热辐射而产生温度变化时介质的极化状态随之发生变化。由于内部电荷的速度远远高于表面电荷的变化速度，晶体两端会产生数量相等而极性相反的独立电荷，这就是电介质的热释电效应。热释电红外传感器就是利用被测物体热辐射引起敏感元件温度的变化进行探测的。热释电红外传感器被广泛应用到安防监控、电子防盗、自动控制照明和工业自动控制等领域。物体释放的红外线能量十分微弱，当直接用热释电红外传感器接收红外线时，灵敏度相对较低，一般情况下很难满足系统需求。为了提高热释电红外传感器的接收灵敏度，在其表面罩上一片菲涅耳透镜，其探测距离可以增加到原来的倍。菲涅耳透镜是一种由聚乙烯材料根据菲涅耳原理制成的塑料薄纹透镜，对红外线的透射率大于。根据菲涅耳透镜的工作原理可知，当有移动物体发射的红外线进入透镜的探测范围，菲涅耳透镜会产生一个交替的“盲区”和“高灵敏区”，热释电红外传感器的两个反向串联的敏感元件轮流检测运动物体，形成一系列光脉冲后，进入传感器。所以，热释电红外传感器无法检测到静止的物体。菲涅耳透镜在安装时与热释电红外传感器之间的距离应满足与菲涅耳透镜的焦距相等。控制系统硬件设计控制系统硬件组成以 为核心控制器，辅以外围电路如 数据采集处理系统模块、热释电红外传感器模块、背景光检测模块和 驱动模块等。其系统硬件框图如图所示。数据采集模块 物体定位检测信号探测采用被动式双元热释电红外传感器 ，并在其表面罩上一个菲涅耳透镜用来提高其探测灵敏度。它以非接触形式检测出人体及车辆放射出的微弱红外线能量并转化成电信号输出，物体定位检测电路如图所示。当 探测到有人或者车辆进入到探测区域，产生一个交变红外辐射信号，并输出一个微弱的电压信号（电平）。信号经过二级运放后输入到双限比较器当中，其中 用来调节二级运放的放大倍数，用来设定两个门限电平 （处）和 （处），当探测电压大于 时，输出高电平，输出低电平，则 导通而 截止，热释电 为高电平；当探测电压低于 时输出低电平，输出高电平，则截止而导通，热释电为高电平；当探测电压介于 和 之间时和都截止，热释电 为低电平。经过放大和整形的信号输入到单片机当中。背景光检测光敏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度变化而改变的电阻器，入射光强时电阻值减小。背景光检测电路如图（左）所示，三极管的集电极输出电压输入到转换器当中。由于单片机当中已经集成了高精度的 位 数模转换器，故选用其内部转换器，其模拟量输入控制范围在，由单片机的存储及其控制寄存器 位确定。当背景光强度强时光敏电阻阻值减小，三极管处在非工作状态，三极管的集电极输出低电平；当背景光强度较弱的时候光敏电阻阻值增大，三极管处在工作状态，三极管的集电极输出高电平。当输出高于设定值时，物体定位检测子系统开启。同时为避免由于其他原因（如雷电、光源等）造成的影响，设置路灯开启判断时间为，后单片机检测到三极管的集电极输出确实高于预设值时，单片机发出物体定位检测开启信号。恒流源驱动模块及 驱动方式 由于寿命长、节能、环保和光电效率高等众多优点，成为了照明领域关注的焦点。根据 的伏安特性曲线可知，正向伏安特性非常陡，微小的驱动电压的波动就会导致 驱动大连工业大学学报第 卷电流的急剧变化，这将直接影响到 的寿命、光通量 和 可 靠 性。独 特 的 电 气 特 性 使 得 驱动电路也面临更大的挑战，驱动电路关系到整个 照明系统性能的可靠性。因此为防止 的损坏，要求所设计驱动能够精准控制 的驱动电流。本系统设计的恒流源是在恒压源模式控制上增加了一个电流串联负反馈，恒流源的输出值也反映了电压源输出的大小，但其可以精确控制 的驱动电流，从而稳定控制 的亮度。恒流源驱动电路如图（右）所示。电流串联负反馈由和组成。系统采用 对 光亮度进行调节。用对 进行调光实际上是某一固定直流电压经过以一定频率打开与闭合的开关，从而改变 上的电压。假设某一固定直流电压能够提供的最大电流为 ，开关频率为且闭合周期为，则有通过 的平均电流为 （）因此只要改变闭合周期就可以改变通过 的平均电流，进而改变 的亮度。假设系统输出的 的占空比为，的频率和输出电压分别为和，则由图电路可知通过 的电流值为（）式中，为电流的瞬时值，为 的输出电压。在获得同样的发光亮度时脉冲电流驱动方式比直流电流驱动方式所需要的电流值更小，所以脉冲电流驱动可以给系统带来高效性。系统软件设计根据硬件设计时各个模块的功能和要求，系统软件的设计主要是和硬件电路相结合。本次设计将系统功能分为具有独立子功能的控制模块。设计采用模块化的方式更易于阅读和理解，软件结构更加清晰，而且利于软件调试。系统软件方案主要由初始化程序、背景光检测程序、人体红外信号检测程序和 协议等构成。电路上电启动后，单片机进行初始化操作，电路控制系统进入工作状态，该系统的工作流程图如图所示。在规定亮灯时间内，如果背景光强度较弱，上位机向下位机发送开始工作命令和信息，否则下位机等待响应上位机发送命令。下位机响应后，当有人或者车辆进入红外探测区域单片机根据背景光第期马腾等：路灯智能控制系统设计的强度，输出脉宽调制信号，驱动控制器点亮 ，保证 光强度足以满足路面的可见度。如果下位机没有探测到红外信号，路灯 熄灭。图系统流程图 实验结果及分析由于到达现场进行实验有一定的难度，所以实验仿真只对人体红外信号进行了检测。设置系统规定亮灯时间段为 ：，将热释电红外传感器固定在实验室台上，传感器的输出端接在示波器的探头上，人走向传感器探测区域，观察示波器上有无波形输出。测试结果如表所示，表示传感器没有罩上菲涅耳透镜的输出结果；表示传感器罩上菲涅耳透镜的输出结果。结果表明，系统可以精确控制智能路灯的开启时间；菲涅耳透镜可以显著提高传感器的探测灵敏度。表传感器检测输出结果 距离 ：有有有有无有无有 ：无无无无测试恒流源驱动电路的时候选用 的大功率 灯珠，通过调节 的占空比来检测通过 的电流值。如果 亮暗的频率超过 ，人眼看到的就是平均亮度，而不是 的闪烁。实验仿真设定 输出信号的频率为 ，实验仿真结果如表所示。从表看出，恒流源的误差精度在，的工作电流与输出信号的占空比成正比关系。恒流源驱动电路虽然简单，但其性能非常优秀。表 路灯工作电流测试 结语研究设计智能化、运行可靠和高效节能的路灯控制系统，是智能交通系统的必然需求。系统以低功耗单片机为系统控制核心，使用 通信协议完成上位机对下位机的控制，通过热释电传感器探测人与车辆发出的红外信号，利用 的内部资源 实现了路灯的智能调光控制。系统设计完全从节能和性价比的角度出发提高了路灯的用电效率和智能化程度，在节约能源、电力资源合理利用的今天，该系统有着十分广阔的社会和商业前景。参考文献：孙 余 凯，吴 鸣 山，项 绮 明传感器应 用 电 路 例北京：电子工业出版社，：王捷，艾红热释电红外传感器应用与车流量检测系统自动化仪表，（）：，周海智能路灯节能控制系统研究武汉：武汉理工大学，冯勇，杨旭白光 可控恒流源驱动系统设计电器开关，（）：贺一鸣，王崇贵，刘进宇智能路灯控制系统设计与应用研究现代电子技术，（）：张喜成 直流驱动电路设计新方法中国照明电路，（）：大连工业大学学报第 卷