智能LED路灯节能控制系统的设计与实现

　　引言

　　当前全球能源的消耗剧增并引起的能源极度紧缺、电荒已经危及我们的生活，节约能源成为面临的十分急切的问题。LED 照明作为一种新型的绿色光源产品，具有节能环保的优势、体积小、寿命长的特点，必然是未来普通照明的发展趋势。

　　本文应用LED 照明光源针对道路照明而设计的智能路灯照明控制系统，从而使现有的道路照明控制系统中存在的着难以反馈路灯各种状态情况、没有及时开关路灯、能源利用率低等问题得到改善。

　　1 系统整体设计

　　1.1 整体设计方框图系统整体设计方框图如图1 所示。该本文以51 单片机作为中心模块、电源供电模块、监测环境模块、恒流源驱动模块、参数设定与显示模块等5 大模块构成。

　　1.2 电源供电模块采用三端稳压集成电路。采用变压器降压后经桥式整流滤波，再经三端稳压器得到直流电源。

　　1.3 LED 监测环境模块

　　1.3.1 环境明暗变化传感器环境明暗变化传感器主要检测光线的强度是否应该开关路灯，系统采用光敏二极管和运放比较器作为测光及故障检测的传感器。光敏检测传感器电路如图2 所示，当白天光线射入光敏二极管的玻璃窗口时，PN 结的载流子被激发，产生电子- 空穴，即光电载流子。在电场的作用下，光电载流子参与导电，形成比暗电流大得多的反向电流，称为光电流。此时+5V 电压流过光敏二极管，输入端电压降低至反相器74HC04 的门槛电压时，反相器发生翻转，单片机P2.1 端口读入高电平，单片机控制关闭LED 路灯。当弱光或无光照时(晚上)，由于光敏二极管的暗电阻很大，反向器的输入端电压比较高，使其输出为低电平，单片机控制开启LED 路灯。

　　1.3.2 交通状况检测传感器采用红外传感器自动调节路灯的

　　亮灭状态，即车辆到达红外传感器接收范围内时LED 路灯亮，超出范围后LED 路灯灭，整条系统控制线路都是如此，从而提高能源利用率并节省电能。

　　1.3.3 声光报警声光报警装置是蜂鸣器和发光二极管发出声

　　光报警的基本装置。当系统某支路中LED 路灯不亮，此时判断为路灯出现故障，系统中采用以光敏传感器检测的方法来检测LED 路灯是否点亮或者灭，从而判别是否有故障。当有故障时，单片机驱动蜂鸣器报警同时使对应的二极管发光，通过LED 数码管显示当前故障路灯的地址编号，以便及时做出调整。

　　1.4 恒功率驱动的LED 电路第一为避免驱动电流超出最大额定值，影响其可靠性;第二要获得预期的亮度要求，并保证各个LED亮度、色度的一致性。对此采用LED 恒流源驱动模块，保证其节能运行。

　　本文选择性价比高、性能改进的恒流驱动LED 照明。由于LED的发光稳定度和效率与它的温度、不间断运行时间、自身参数密切相关，随着温度的升高，它的发光效率会下降。如果采用“恒温”电路保障LED 自身性能，致使硬件成本高、稳定性下降。本文采用恒流驱动电路(如图3)，此电路优点保持LED 输出的光强度(光功率)为恒定，从而消除了光源的波动，提高了能源的利用率。

　　图3 中由A1、R1、R2、Rf、R4 和C1 组成I- V 变换电路，其输出电压与LED 的光强输出成正比，并反馈给运算放大器。A2 和NPN晶体管构成V- I 变换器，完成给定信号UG 与UP 的差运算，其差信号驱动LED，从而保持LED 输出的光强保持恒定，从而提高了能源利用率。

　　1.5 参数设定与显示模块

　　当前日期和时间的修改和设定;路灯工作模式的设定;路灯故障的检测及对应单元故障的显示，故障路灯的地址编号，实现故障报警显示功能。

　　2 系统软件设计

　　系统程序流程为：系统初始化后进入路灯默认工作模式。系统默认的工作模式为检测环境明暗开关模式，根据环境光线强度判断是否开启LED 路灯。当进入设定模式进行设置时，设定的模式包括：输出功率的设定、日期与时间的设定、工作模式的设定、对应单元故障的报警及显示。设定完成后等待外界检测信号的输入，判断接收为正常开关路灯信号、环境监测信号、交通状况信号，单片机处理相应信号，然后控制开关路灯，并累计路灯开关时间，通过LED 数码管显示。当有故障时，单片机驱动蜂鸣器报警同时使对应的二极管发光，通过LED 数码管显示当前故障路灯的地址编号，以便及时做出调整。

　　3 功能测试

　　该系统能根据环境的明暗变化自动开灯和关灯，当白天天亮时灯灭，当环境渐渐变暗，黑夜降临时灯亮。且能根据交通情况自动调节路灯的亮灭状态，即行人车辆来时灯亮，过后灯灭，每个路灯都是如此，这就大大节省电能。该系统具有时钟功能，能设定显示开关灯的时间，并能控制整条支路或每只路灯按时开灯和关灯。当路灯出现故障时能及时发出声光报警，并在LCD 上显示故障灯的地址编号。

　　测试结果表明，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，该功率能在10%～100%范围内设定并调节，调节误差小于2%，实现了路灯的智能化控制，节省了电力能源和人力资源。

　　4 结束语

　　为解决城市路灯照明系统存在的灯光控制方法和管理手段落后，所用灯具科技含量低等问题，本文采用节能环保的LED 灯作为光源，采用科学有效的检测与控制技术，实现了运行时间计时显示、恒流源驱动LED 路灯、根据交通情况开关路灯、故障检测与报警显示等功能，节省了能源资源，降低了系统运行成本，性价比较高，具有现实意义。

　　参考文献：
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　　[2] 罗海荣. 发光二极管的研究现状与发展趋势[J]. 半导体光电.1996Vo117(4):299～303.
　　[3]高吉祥.模拟电子技术(第二版)[M].北京：电子工业出版社，2007.

　　作者简介：
　　陈斌，1981 年生于河北省新乐市，石家庄信息工程职业学院、硕士、仪表自动化。

　　编辑：Sophy