LED路灯单元控制器设计

第 I 页 摘 要 源具有环保无污染、光效高、显色性好、寿命长、节能效果明显等优点，有着巨大的发展潜力，是普通照明和路灯照明的理想光源。随着 灯技术的不断发展和响应国家节能减排的号召， 源成为一股新的力量在照明领域中迅速发展。本文以 为路灯照明光源，设计一款 灯单元控制器，结合实际设计相应的远程控制策略，实现路灯系统的电流、电压和照度检测及亮度调节的功能。 本文先介绍了 灯单元控制器的课题研究背景、 灯的优点及其发展现状趋势，阐述了 灯单元控制器的设计要求和设计重点 。控制功能的重点是对 控和照度条件控制；测量的重点是对系统电流、电压、电能及开关信号进行检测。通过查阅和对比各种实现方法，并结合应用的实际情况，对系统的设计方案进行选择和论证，设计了系统的工作原理。选择 信实现控制核心与驱动电路之间数据的传输和命令发送， 利用控制器控制路灯在设定的时间自动开灯或关灯，并能够随着环境照度的变化改变自身发光亮度，从而 实现路灯系统的智能化，方便工作人员对路灯的监控，节能的同时也节省了工作量。本文对 灯单元控制器硬件制作和软件编程过程作了详细描述， 具体包括元器件选择、相关参数计算 、硬件电路原理设计、控制程序的编辑等。最后制作了演示装置，能够实现路灯的时控功能，检测系统的电流、电压，并分析了调试的具体过程及出现问题的解决方法。 关键词： 控制器； 源；时控； 2 页 共 页 ED is so It is ED as as to to of a in of of In we a ED of to of of ED It ED of is to of ED is on of of to of to on on or at a it of so as to to In is in a be to of of 林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目 录 目 录 摘 要 . . 1 绪论 . 1 题背景、研究目的及意义 . 1 题背景 . 1 究目的及意义 . 1 明的发展趋势 . 1 计内容及要求 . 2 2 系统方案设计及论证 . 3 灯控制系统方案设计 . 3 统总体结构设计 . 3 灯供电 系统 . 4 统工作原理概述 . 5 灯控制器的时间和季节控制 . 7 灯控制器照度控制 . 7 灯控制器的太阳能发电与电网联合供电 . 8 3 系统硬件设计 . 9 统硬件概述及功能框图 . 9 流、电压、电能检测电 路 . 10 流互感器的选择 . 10 测信号采集方法的选择 . 11 算放大器的选择 . 12 入信号的处理 . 12 压互感器的选择 . 14 数转换电路 . 15 片机及其相关电路设计 . 16 钟电路设计 . 18 照度检测电路 . 18 信电路设计 . 19 动电路设计 . 20 制器电源电路设计 . 21 制器其他电路设计 . 23 程端电路设计 . 23 件电路的制作 . 24 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目 录 4 系统软件设计 . 26 元控制器程序设计 . 26 程端程序设计 . 29 5 样机调试和仿真 . 31 路仿真软件 绍 . 31 压、电流检测模块仿真 . 31 件调试 . 33 源电路的调试 . 33 流、电压检测电路的调试 . 34 片机及其外围电路的调试 . 34 动电路的调试 . 35 6 结论 . 36 谢 辞 . 37 参考文献 . 38 附 录 . 39 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 49 页 1 绪论 题背景、研究目的及意义 题背景 传统照明的光源类型主要有 3 大类：白炽灯、荧光灯、气体放电灯等。长久以来，路灯照明中起着主导作用的是高压钠灯、金属卤化物灯等传统光源，它们的整体光效较低、色性较差、启动时间较长、容易大量发热，发光的范围达到 360，不需要照明的区域一样发光，浪费能源。 随着我国节能减排国策的深入实 施，对路灯系统的控制和管理的智能化和远程化的要求越来越高。 对比传统光源， 光效率极高，很轻松就能把光亮照射到需要照明的区域。 白色光模拟日光照射颜色，显色比高压钠灯要自然得多，人们可以更容易看清和判别事物。除此之外， 还可以采用脉冲宽度调节的方式对 源调光 ，提高光照效率，节约能源。 在显色、节能、寿命以及数字化可控程度上都有着突出的优势， 让我们看到其巨大的发展潜力，是普通照明和路灯照明的理想光源 。随着 灯技术的不断发展，使它的费用正在慢慢的降低，为 灯的广泛使用提供了更可 行的条件，也因为其明显的节能效果，各地政府广泛推广 究目的及意义 目前，道路照明的耗电占照明用电量的 25% 30%，道路照明在节能上还有很大的潜力和空间 5。如今能源局势紧张，我们需要一个具有节能、环保、亮度可调、寿命长、耗能少等优势的理想光源，而 灯的优势则让我们看到了道路照明新的发展趋势。在 明领域，随着设备成本下降、企业招工困难、人员工资普遍上涨，员工管理成本、企业用地成 本、产品质量要求的不断提高等各方面因素影响， 明生产企业对生产设备自动化、智能化的需求日益强烈。 明是未来照明发展的必然趋势。 明的发展趋势 随着 业技术的不断发展， 明产品的质量明显提升，价格越来越便宜，以及政府政策推广和企业宣传作用下，人们对 明产品的认识慢慢得到了提高。因此， 明产品在近几年市场的需求中得到持续快速增长，中国 明行业飞速的发展起来。根据中国产业调研网 中国 灯行业现状调研及发展趋势分析报告 的数据可知， 外功能性照 明的市场规模在中国大陆逐年增长， 2012 年达到72 亿元，同比增长 61%； 2013 年达到 元，增长 38%； 2014 年达到 元，同比增长 25%； 2015 年 135 亿元， 灯渗透率 24%。目前我国 灯行业逐渐桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 49 页 由成长性产业发展为成熟性产业，除了满足国内市场，部分产品能够出口国外市场，市场竞争将会越来越激烈。 计内容及要求 路灯配电系统的特点是供电单元功率不大但线路延伸距离较长，会损失较大的电压，能耗大，随着我国颁布节能减排的政策同时不断推广，路灯系统在控制和管理上被要求应有更 高的智能化和远程化。 课题设计要求针对采用 源的路灯设计一种照明单元控制器，设计方案围绕太阳能发电与电网联合供电、路灯的集中控制策略和通信手段的选择展开。 课题设计控制器的总体方案，包括测量参数的种类、通信方式的种类、电源种类、基本控制功能等。设计的重点在设计时控、季控、照度条件控制和远程指令控制等；测量功能的重点是 设计照度（ 0 1000电压（ 0 220V）、电流（ 0 30A），电能测量，开关量信号（ 8 路）检测 。完成设计后，选择典型功能制作演示装置。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 49 页 2 系统方案设计及论证 灯控制系统方案设计 统总体结构设计 课题设计的 灯控制系统如图 2示。 图 2灯控制系统图 灯控制系统分为三个部分：远程端、单元控制器、 信总线。 远程端为整个系统的总控制部分，分别监控每个单元控制器的运行状态，每个单元控制器控制着一盏 灯。 （ 1） 远程端系统结构 远程端系统相当于整个系统的总站，在远程端中可以清楚监控到每一个单元控制器的运行状况，如电流、电压、电能和照度等。当单元控制器出现故障如发生短路或断路故障时，远程端报警并指示故障点， 对单元控制器进行手动或智能控制，改变单个控制器的运行状态。又如通过对远程端进行手动操作后，远程端对单元控制器发出远程控制指令，控制单元控制器打开或者关闭路灯，远程端还能对单元控制器的季控、时控等参数进行修改。 （ 2）单元控制器 单元控制器能检测照度、驱动 源、处理模数信息、检测电流电压电能和显示数据，同时接收远程端的控制指令并反馈信息。供电电源向每个模块提供电力，系统时钟始终同步实际时间，在某个季节的某一天，当时间走到设定的值时，处理器就会对光源进行开通或关断的驱动控制。根据设计要求，路灯系统能够利用 照度检测模块测出当时环境的照度情况并显示，发送到远程端，根据照度信息远程端将数据进行处理并发出控制指令，对 源进行调光驱动控制。为了能够更好地掌控电路情况，系统中安置的显示器能够显示电路实时的电流、电压情况，以便监控。单元控制器的运行状态通过 485 通信串口总线反馈到远程端。 远程端单元控制器 1 单元控制器 2 单元控制器 3 单元控制器 485 通信桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 49 页 （ 3） 信串口总线 485 通信协议是远程端和各个单元控制器的信息通道，每个路灯单元控制器是 485总线上的从机，远程端为主机，采用一主多从的方式使远程端的远程控制指令能够精确地传送到每个单元控制器，同时单元控制器的运行状 况和信息也能够通过 485 总线及时向远程端应答。 例如，远程端给单元控制器 1 和单元控制器 2 开灯命令时，单元控制器接收命令，通过使能 动模块点亮 开后单元控制器处于自动工作状态，此时两个单元控制器的独立开关闭合，于是 点亮。单元控制器检测两个支路的电流、电压、照度等状态信息，形成的反馈信息通过 信串口总线发送给远程端。在远程端设置的程序根据反馈信息中的电流、电压、照度的变化数据来判断路灯是不是已经打开了，如果反馈的是确认的信号，则路灯打开；如果反馈的是一个否认信号，则该支路系统发 生故障；如果远程控制系统没有接收到任何反馈信息，则认为是通讯失败，并重新发送开灯命令。 灯供电 系统 图 2路灯供电系统示意图 灯系统接入城市 380/220V 电压网络，从电网中获得电力，根据实际情况从总线上分出 n 个支路，图 2示为两个支路，每个大的支路上最多可以分出 8 个小的支路系统，一个开关控制一个小的支路，也就是一盏 ，为了加以区别，我们可以把这些小支路分别成为第一支路，第二支路， ，第八支路。因为实际的施工会比较复杂，现场可能会出现很多不同的布线方式，但是控制的方 式不变。 灯的开灯和关灯状态是通过相应线路的电流和电压信息来获取，通过支路的传输，在控制器中进行 A/D 转换，把 灯的运行状态传送到远程端。 整个路灯系统由分布在各个区域的若干个子系统组成，并设有一个总的远程控制端。子系统对每一个区域中的各照明支路进行监控，主要实现开 /关灯的时间控制， 文）报告用纸 第 5 页 共 49 页 路灯的亮度调节，电流、电压和电能的实时测量，线路运行状态自检等。远程控制端统一控制各个区域的路灯子系统，例如，为了统一和管理方便，可集中控制路灯系统在夜幕降临之时统一打开，在天亮以后统一关闭，既方便人们的生活， 又可减少路灯系统控制的工作量。 统工作原理概述 系统共有三大模块，单元控制器，远程端， 485 总线。 （ 1） 单元控制器 单元控制器能够实现时间控制，季节控制，照度检测，电流、电压、电能检测等功能，在单元控制器中可以分成实现各个功能的小模块，主要有照度检测模块，电流、电压检测模块， A/D 转换模块，供电电源模块， 动模块。 在照度模块中，需要一个能感知光照强度变化并作相应改变的元器件，而光敏电阻对光照敏感，当外界光照强度变化时，光敏电阻的阻值做出相应变化。利用这个特性，光照检测电路加入光敏电阻，一般采用 光敏电阻串联固定电阻的方法，将光照信息转换成电压信息，发送给单片机，经处理发送指令驱动光源达到控制 灯亮度的目的。 单片机只能处理数字信号，而系统的电压值为模拟信号，单片机不能直接处理系统的模拟信号，因此在单元控制器中加入 A/D 模数转换芯片，将各种模拟信息转换成单片机可读的数字信号。设计采用模数转换芯片 可以将模拟信号编码成 256个不同的离散值 13。 A/D 转换芯片的测量范围是 0 到 5V，二进制编码 在 0 到 5V 的转换换范围是 0 到 255，如：当输入的电压大小为 ，输出的编码为 128，单片机可读。 检测的电流和电压是 灯 380/220V 电网的参数，设计中先将高电压、大电流用互感器转换成小电压、小电流信号，运用运算放大器对电网的电压和电流进行变换，需检测的电流、电压都转换成检测电路的电压值。利用运算放大器虚短、虚断的特性，配合电阻、电容、二极管或其他元器件的使用，实现检测电路需要的功能。 动电路中采用的是集成控制芯片，单元控制器的单片机能够从远程端接收传输的信息，通过 成控制芯片对 源进行恒流驱动。 单片机是路灯单元控制器的核心部分，主要作用是接收和处理数据，控制各个模块的正 常运行。如单片机通过读取 片的值计算电网的电压和电流，再通过 485 通信总线传送到远程端，还能根据当前时间与设定时间的对比、远程端的指令及检测按键的情况来改变路灯的运行方式。 （ 2） 远程端 远程控制模块中也有一个单片机，这个单片机需要将单元控制器传送过来的信息进行读取和处理，并在液晶显示器上显示出来，当远程端的操作人员发出改变路灯运行状态的指令时，远程端单片机则通过远程串口通信将信息发送给单元控制器的单片机，由桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 49 页 单元控制器中的单片机对 动模块进行控制，改变路灯的运行方式。 （ 3） 485 总线 系统之间数据传输的方式按照介质的不同分为无线和有线两类。 无线通信 无线通信方式泛指不需要物理接线的通信，它利用电磁波的辐射和传播，经空间传送信息。如今的无线通信无处不在，平时我们看到的数字电视、手机上网等等，从电视到电脑再到手机都应用到了无线通信。当通信距离较远或者距离较近但布线不方便时，采用无线通信方式是不错的选择。 无线通信的建设和维护成本比较低，扩展性高、设备维护容易，这些优点使其在近几年的市场上成为发展最快的通信方 式。但同时它也有缺点：无线通信方式只能在视线范围内建立通信链，当两个通信点之间出现树木或者建筑，会削弱无线通信的信号强度；虽然无线通信能够有一个较长通信距离，但目前民用的无线设备所达到的距离仍有一定的局限，当天气条件较差、数据速率较低等情况时，通信会受到一定的限制；多机通信时，传输频率的处理容易出现错误，抗干扰能力较差。 有线通信 有线通信方式指的是有物理接线的通信方式，利用金属导线、光纤等传送信息。有线通信拥有专用的驱动器，使它的传送距离远、通信容量大、信号干扰少、传输质量佳，而光纤通信更能有效排除各 种电磁的干扰。 目前最常用的有线通信有 信和 线，很多场合用的是信。 信号传输方式又分并行传输、串行传输、异步传输和同步传输。 并行传输指的是数据在多条并行信号通道上以成组的方式同时进行传输。信号的接收和发送双方不存在字符的同步问题，不用加起、止信号或者其他信号来实现双方的字符同步。但是并行传输需要双方有并行的通道才能实现。 串行传输指的是代码按照时间顺序在一条通道上一位一位的发送和传输，速度较慢，但只需要一条通道，建造 成本较低，容易实现，是现在最见、使用频率最高的一种传输方式。 异步传输又称起止式同步。发送一个字符代码时分别需要在代码前、后加上 “ 起 ” 、“ 止 ” 信号。字符的发送方式简单，双方不需要精确同步也可以进行正常的通信。但要在信号里增加起、止信号导致发送效率较低。 同步传输是位同步传输方式。该方式需要接收和发送信号的双方建立精确的定位信桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 49 页 号，不加起、止信号，传输效率较高，但是对于技术的要求较高。 综上所述，本课题采用 行通信方式。 485 总线是一种异步串行通信，是基于 232 总线发 展而来的，采用差分电平解决 232 总线容易受到共模干扰的缺点。 灯控制器的时间和季节控制 路灯的时控，顾名思义就是根据时间控制路灯的开关。时控经常被利用到各种路灯控制场合，是目前路灯控制系统的主要控制方式，但由于四季太阳落山的时间不同，如果采用单一的时控可能会引起夏天开灯过早、关灯过晚，冬天开灯过晚、关灯过早的情况，使路灯不能发挥把夜晚照明的功能发挥好，造成能源的浪费。为了解决这个问题，往往在时控的基础上加上季节控制，根据所在地区实际情况设定路灯开关灯的时间，提高用电效率，减少资源浪费。 灯控制器照度控制 近年来经济在不断地发展，交通运输的各项要求也在不断增加 ，道路照明设施 的 规模及数量越来越大， 使用的电能量也在不断攀升 。 而同一时段不同的地点，同一地点不同时段需要不一样的照度，如在市中心或者人流量比较大的地区，路灯的照度需要大一些，使更多的人能够在明亮的照度中辨别清楚周边的事物，而在郊区或者街头巷尾的区域则不需要太大的照度也能提供足够的照明需要；夜晚的 20： 00 24： 00 是 人们夜间活动最活跃的时段，路灯的照度需求较大，而在深夜到次日凌晨大多数人已经休息，应把路灯的照度适当减小，某些地方甚至 可以关闭照明。为了节约能源，我们应该在施工之前了解清楚需要设置路灯的区域对照明的需求，然后再根据实际情况对路灯的照度进行对比和选取，选择适合的照度方式给道路提供照明。因此，参考 城市道路照明设计标准 (征求意见稿 )以及工程实践 ，照明等级可以分出六级，在 具体工程中 会按照 道路的各种具体情况来选择使用的照度标准进行施工， 表 2 给出了如何 选取照度 的对照方法 。 表 2度选取表 照明等级 国家行业标准 推荐做法 适用道路 平均照度 照度均匀度 均照度 照 度均匀度 级 20 0 30 速干道 二级 15 0 25 干道 三级 8 0 15 干道 四级 5 10 路 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 49 页 五级 5 宅区机动车道 六级 2 3 宅区人行道或非机动车道 灯控制器的太阳能发电与电网联合供电 世界能源短缺，供不应求，使得常规能源价格不断上涨，而太阳能是一种利用太阳的热辐射能进行发电的可再生资源，绿色环保，开发潜力巨大。目前照 明消耗的电能约占总电力消耗的 20%，如果使用太阳能和电网联合给路灯进行供电，将大大降低照明用电占电力的比重。太阳能路灯一般采取的方法是白天用太阳能电池板向铅蓄电池充电，晚上蓄电池对路灯进行放电，当阴天或者雨天的时候由于太阳能的光照度不足，无法给蓄电池补充足够的电能来维持夜晚的照明，此时控制器就将路灯的电源切换到电网上，使用电网对系统供电。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 49 页 3 系统硬件设计 本章节主要介绍设计 灯单元控制器硬件的过程。 统硬件概述及功能框图 课题中设计了一个 灯单元控制器及其远程端，控制器能够实 现按时间和季节控制 灯的亮灭，并实现按照度条件调节 灯的亮度，远程指令控制等；控制器具有测量控制器及 灯的电压、电流及其所消耗电能的功能，并能够测量 8路开关量信号。为了实现远程指令控制，控制器要求具有远程通讯的接口，并设计相应的通信协议。远程端可以接收控制器的信号，同时也能够给控制器发送信号，在显示器中显示。远程端设置按键电路，由此来实现对控制器的远程指令控制。根据设计任务，灯单元控制器的硬件框架如图 3示； 图 3制器硬件结构框图 图 3电源电路、单片机、按键、电压电流电能检测电路、照度检测模块、时钟芯片、显示器、 统中选择单片机作为主控器件，时钟芯片为系统提供精确的时间信息。单片机不断地从时钟芯片读取时间信息，并与系统设定的开关路灯时间作对比，当时间走到设定值时单片机通过控制 统设置了按键和 目的是使开关灯远程指令控制功能可以进行手动操作。单片机通过电压、电流、电能检测电路检测出当前 流及其控制器所消耗的电能，通 过显示器把信息显示出来，并通过 流、电能等信息发送给远程端。照度模块检测当前路灯及环境的照度信息并传送到单片机，使单片机读取照度信息后控电压 、 电流 、电能检测电路照度检测模块时钟芯片电源单片机按键显示器 485 通讯电路动电路电源 电源桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 10 页 共 49 页 制 现调光等功能。 远程端硬件结构如图 3程端主要由电源电路、单片机、按键、显示器及在显示器上显示出来。当单片机检测到有按键信息时，通过 制器根据接收的远程指令对 统中的控制器和远程端都设置有独立的电源电路，保证系统工作稳定。 图 3端电路硬件结构图 流、电压、电能检测电路 流互感器的选择 由于 灯接入的是 220V 的低压电网系统，因此检测电路的测量范围为交流电压 0 220V、电流 0 30A。如图 3示： 电源电路单片机按键显示器 485 通讯电路桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 11 页 共 49 页 图 3流检测电路 在测量高压线路的参数时，不应把测量电路或测量仪表直接接入电路，应该采取电气隔离措施，把弱电、强电部分隔离，保证设备正常运行和操作人员的安全。 电流互感器可以将一次侧回路的高压大电流转换成二次侧的低压小电流，它的一次绕组较少，串联在测量电路线路中，流过线路的全部电流，二次绕组线圈数较多，当一次侧有电流流过时，二次侧相当于一个恒流源，按照变比输出电流信号给测量电路进行测量。本电路采用型号为 电流互感器，主要技术参数如表 3示： 主要技术参数： 表 3流互感器主要技术参数 型号 定输入电流 5A 额定输出电流 比 2000： 1 相位差（输入 1A 时） 20 （ 100） 线性范围 0 24A（ 100） 线性度 精度等级 隔离耐压 3000V 用途 测量 密封材料 环氧树脂 安装方式 印制板安装 工作温度 +70 电流互感器可以根据误差的大小分为不同的精度等级，1 多种级别，等级越高测量的精度越高，但价格也越高，综合考虑，一般测量所使用的电流互感器采用 或 。由表可知 度等级为 ，符合测量所用电流互感器的精度要求。 电流互感器的二次侧要避免开路，否则当一次绕组有电流流过时，二次绕组中 就会感应很高的电压，击穿绝缘层，可能会损坏设备，对工作人员的人身安全造成威胁。如电路图 3增加了二极管 二次侧开路时，电流互感器的电流依然有电流通路。需要注意的是，由于电流互感器二次侧输出的电流较小，因此要注意这两个保护二极管的漏电流所带来的误差，而 1反向电压为 20V、温度为 150 时的反向漏电流为 25A，对电流互感器的输出电流来说可忽略不计，因此本电路的保护二极管采用 1 测信号采集方法的选择 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 12 页 共 49 页 检测交流电压、电流可分为直流采样和交流采样两种方法。 方法 一：直流采样 直流采样就是将交流的电压、电流经各种变送器转换成直流信号，采集后再通过一定的函数关系转换成交流值并在显示器中显示。直流采样的优点是结构简单，采样周期和速度不受到限制，并且测量精度较高；缺点是有一定延时，不能对信号进行实时采集，不能反映相位信息。 方法二：交流采样 交流采样是将二次侧的电压、电流经过一个采样频率较高的 双极性 换芯片 ，通过控制执行交流采样算法，直接得到算出的各种电能参数。交流采样的优点在于可以进行实时采集，但是对 片的性能要求较高，而且控制器需要做大量的计算，程序设计繁杂 ，相比之下交流采样价格更昂贵，耗费精力更大。 综合考虑，本电路采用直流采样法可满足测量需要，具体检测流程如图 3示： 图 3流采样流程图 算放大器的选