自適應(yīng)LED路燈控制器設(shè)計(jì)說明

1、自適應(yīng)LED路燈控制器設(shè)計(jì)摘要 自適應(yīng)LED路燈控制器是針對在城市照明上所存在的的能源消耗而設(shè)計(jì)出的新型節(jié)能控制器,它從半導(dǎo)體照明與自適應(yīng)控制兩方面共同實(shí)現(xiàn)節(jié)能，是將集穩(wěn)壓控制、軟起動(dòng)功能、自動(dòng)起停、智能調(diào)光控制于體的路燈控制裝置。PWM（脈沖寬度調(diào)制信號）調(diào)光和智能路燈控制系統(tǒng)相結(jié)合是該控制裝置的主要特點(diǎn)，利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制，通過調(diào)節(jié)脈沖信號的占空比，從而達(dá)到改變LED路燈亮度的效果，以實(shí)現(xiàn)路燈的自適應(yīng)功能。 本文對自適應(yīng)LED路燈控制系統(tǒng)的研制進(jìn)行了深入分析和研究。討論了自適應(yīng)路燈控制系統(tǒng)的構(gòu)思、設(shè)計(jì)方案，介紹了該裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工作原理，對大功率LED、單片機(jī)AT

2、80C51與路燈控制器進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，分析了以AT80C51單片機(jī)為主控單元的硬件電路，對電路的主程序進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)，采用了時(shí)間控制，環(huán)境參數(shù)控制以與手動(dòng)控制相結(jié)合的控制策略。 MCS-51系列單片機(jī)無PWM輸出功能，所以采用定時(shí)器配合軟件的方法共同實(shí)現(xiàn)。通過本文的研究，設(shè)計(jì)完成了具有實(shí)用性的自適應(yīng)LED路燈控制器。并為產(chǎn)品化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。關(guān)鍵詞自適應(yīng)控制；LED；路燈控制器；PWMAdaptive controller design for LED street lampsAbstract Adaptive controller for LED street lamps is the ne

3、w energy-saving controller to design for the existence of lighting energy consumption in the city , it can be both semiconductor lighting and Controller to achieve energy-saving, is to set regulator control, soft-start function ,automatically cease, intelligent voltage control in the one street lamp

4、 control device.PWM (pulse width modulation signal) lamps dimming and intelligent control system combined is the main characteristics of the control devices,using the microprocessor Digital output to control analog circuits,use adjusting the duty cycle of pulse signal,to achieve the effect of Change

5、 the brightness of LED lamps ,in order to achieve the adaptive function of street lighting. This paper it analysis and research for adaptive LED street lamp control system in depthdiscussed the idea and schematic design of adaptive street lamp control system, introduced the System design and working

6、 principle of the control device,introduced the high-power LED, AT80C51 single-chip microcomputer and street lamp controller in detail, the analysis of a single-chip microcomputer AT80C51 main control unit for the hardware circuit for the pulse width of the LED output signal (PWM) control of the sof

7、tware design, the use of time control, control of environmental parameters, as well as a combination of manual control of the control strategy. MCS-51 family of single-chip non-PWM output function,Therefore, the use of timer used together with the realization of software.Through the study, design co

8、mpleted practical adaptive LED lamp controller. And for prod design provides the basis.Keywords adaptive controll;LED ;street lamp control; PWM;不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印47 / 51目錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題背景11.1.1 課題研究的背景11.1.2 課題研究的意義21.2 國外大功率LED控制技術(shù)的發(fā)展21.2.1 國外大功率LED控制技術(shù)的發(fā)展21.2.2 國大功率LED控制技術(shù)的發(fā)展31.3 大功率LE

9、D的路燈的發(fā)展趨勢41.4 論文研究容6第2章 路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)72.1 自適應(yīng)控制72.2 大功率LED路燈82.2.1 LED82.2.2 LED光源的特點(diǎn)92.2.3 LED分類92.2.4 大功率LED路燈102.3 單片機(jī)AT80C51112.3.1 80C51的基本特性112.3.2 80C51的基本結(jié)構(gòu)122.4 A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809132.5 本章小結(jié)14第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)153.1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)153.1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型與功能分析153.1.2 路燈控制器的方案選擇163.1.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)163.2 聲光信號采集173.2.1 聲音信號采集173

10、.2.2 光照信號采集183.3 控制器的設(shè)計(jì)以與基本外圍電路193.3.1 單片機(jī)控制器的設(shè)計(jì)193.3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路203.3.3 開關(guān)量輸入/輸出電路223.3.4 人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)233.3.5 電源電路設(shè)計(jì)243.4 本章小結(jié)25第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)264.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)264.2 主程序設(shè)計(jì)264.3 自適應(yīng)照明控制綜合策略284.3.1 時(shí)間控制策略284.3.2 組群控制策略304.3.3 環(huán)境參數(shù)與輔助控制策略304.4 本章小結(jié)31結(jié)論32致33參考文獻(xiàn)34附錄A35附錄B41附錄C46第1章 緒論1.1 課題背景1.1.1 課題研究的背景城市路燈的功能日益突出。眾

11、所周知，城市公用路燈對美化城市、改善投資環(huán)境、推動(dòng)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保障人民生活安全與道路交通安全等方面起著不容忽視的重要作用。特別是改革開放以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的逐步發(fā)展，城市道路建設(shè)的發(fā)展速度的逐步提高，社會和人民群眾對亮燈率和城市形象要求越來越高。因此，對作為城市建設(shè)中不可缺少的城市道路照明和管理也就提出了更高的要求。為了適應(yīng)這發(fā)展的需要，提高城市道路照明的管理水平，就必須加快城市道路照明的科技進(jìn)步和現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程1，用現(xiàn)代化的智能路燈系統(tǒng)來替代原來較為落后、繁瑣的路燈運(yùn)行方式，將有限的人力和機(jī)構(gòu)節(jié)約下來，得以發(fā)揮其應(yīng)有的作用，創(chuàng)造更好的社會效益和更多的經(jīng)濟(jì)效益。道路照明對于降低夜間的交通

12、事故發(fā)生率有著重要的影響，幾年來各國所作的相關(guān)研究表明，良好的道路照明可減少約30%的夜間交通事故。另外城市電力供應(yīng)的日趨緊，對城市公共照明節(jié)電尤其是道路照明節(jié)電提出了要求。城市公共照明(主要是道路照明和景觀照明)在我國照明耗電中占大約30%的比例，所以城市道路照明的節(jié)電潛力很大，為此建設(shè)部和國家發(fā)改委專門就城市照明節(jié)電問題發(fā)出通知，明確提出城市照明要向“高效、節(jié)能、環(huán)保、健康”的“綠色照明”方向發(fā)展。道路照明的安全和節(jié)能問題已經(jīng)引起了照明科技領(lǐng)域眾多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的高度重視2。我國大部分城市路燈都采用“全夜燈”的方式進(jìn)行照明，普遍存在的問題有兩點(diǎn):方面，后半夜行人稀少，采用“全夜燈”的方式浪

13、費(fèi)太大34，因此，有的地方采取前半夜全亮，后半夜全滅的“半夜燈”照明方式;有的地方在后半夜采取“亮隔”或“亮隔二”的節(jié)電措施，此種方式雖然節(jié)約了電費(fèi)支出，卻帶來了社會治安和交通安全問題，不利于城市形象。另方面，在后半夜因行人稀少，而應(yīng)該降低路燈的照度，以避免光源污染，影響居民的晚間休息。但是，由于后半夜是用電低谷期，電力系統(tǒng)電壓升高，路燈反而比白天更亮了。這不僅造成能源浪費(fèi)，還大大影響了設(shè)備和燈具的使用壽命。目前，路燈照明廣泛使用高壓鈉燈，其設(shè)計(jì)壽命在12000小時(shí)以上，在正常情況下至少可用3年，但是由于超壓使用，現(xiàn)在路燈燈泡的實(shí)際壽命只有1年左右，有的甚至只有幾個(gè)月，造成維護(hù)和材料的浪費(fèi)極大

14、。較高的電壓不僅不能讓負(fù)載設(shè)備更有效地工作，而且會引起發(fā)熱與過早損壞，還會產(chǎn)生不必要的電費(fèi)開支。隨著城市市政建設(shè)日新月異，寬闊的街道，各種各樣的路燈給城市帶來了光明的同時(shí)也增添了城市夜間的魅力。但是由于道路、路燈眾多，傳統(tǒng)的人工管理模式已經(jīng)和快速、現(xiàn)代化的城市建設(shè)不相適應(yīng)。而自高亮度白光LED問世后，在照明應(yīng)用上受到重視，它具有發(fā)光效率高節(jié)電效果好，并且無污染、壽命長的特點(diǎn)。特別是LED 能實(shí)現(xiàn)較完美的調(diào)光功能，這使得城市路燈照明系統(tǒng)的節(jié)能改造成為可能。LED可以通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制，特別是自適應(yīng)型LED路燈控制系統(tǒng)可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)白天光線較暗和晚上遇到聲響時(shí)，路燈自動(dòng)點(diǎn)亮，從而實(shí)現(xiàn)人來燈亮，

15、人走燈滅，還可以在點(diǎn)亮自動(dòng)調(diào)節(jié)光的亮度，既方便又實(shí)用。不僅節(jié)約了電能，而且使用壽命長，可廣泛應(yīng)用于公路、隧道、生活小區(qū)等的照明控制。自適應(yīng)控制的道路照明系統(tǒng)為我們帶來了全新的照明控制概念5。1.1.2 課題研究的意義本課題的研究意義可以歸結(jié)為以下幾個(gè)方面:1. 為城市公共照明提供種科學(xué)有效的節(jié)電方案。2. 提高城市路燈管理水平，在改善城市道路照明質(zhì)量的同時(shí)，還可以節(jié)省人力物力。3. 從國家的城市公共事業(yè)建設(shè)策略上來說，網(wǎng)絡(luò)化的公共照明系統(tǒng)也是數(shù)字化城市的個(gè)重要組成部分，可以為城市的數(shù)字化建設(shè)做個(gè)良好的基礎(chǔ)和參考。4. 提高了城市基礎(chǔ)設(shè)施管理水平，有利于提高城市形象。路燈是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家建設(shè)

16、中必需的用電設(shè)備，它在我國的整體用電量中所占比例巨大，如果通過節(jié)能裝置對其進(jìn)行有效控制，就能夠降低電力損耗，達(dá)到節(jié)約能源，降低生產(chǎn)安裝成本，有助于我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。本文研究的自適應(yīng)LED路燈控制器是在路燈的啟停和運(yùn)行過程中，通過不同的照明控制策略來調(diào)節(jié)LED路燈的輸出脈沖寬度，控制LED路燈的照明亮度，從而改變了其在不同時(shí)段的耗電量，達(dá)到了節(jié)約電能的目的。1.2 國外大功率LED控制技術(shù)的發(fā)展1.2.1 國外大功率LED控制技術(shù)的發(fā)展國外LED照明控制器的發(fā)展一直領(lǐng)先于國。德國生產(chǎn)的STECA太陽能路燈控制器，有12V和24V兩種，可以自動(dòng)識別，可滿足絕大多數(shù)太陽能照明系統(tǒng)使用，它采用脈沖調(diào)

17、制技術(shù)，不僅能有效的保護(hù)蓄電池，防止過充電現(xiàn)象的發(fā)生。它還能快速、平穩(wěn)的為蓄電池充電，其置溫度補(bǔ)償裝置，充電過程完全符合IU曲線，SLX系列充電控制器最大的優(yōu)點(diǎn)在于它能自動(dòng)識別季節(jié)和時(shí)間，可以夜晚開燈、早晨關(guān)燈，光控與時(shí)控相結(jié)合，可以分別控制兩個(gè)時(shí)段，使太陽能路燈系統(tǒng)更加智能化。德國STECA太陽能路燈控制器具有的獨(dú)特功能,主要特點(diǎn)是：PWM脈寬調(diào)制充電方式、自動(dòng)識別12V24V系統(tǒng)、PWM充電電路（智能三階段充電）、SOC，自動(dòng)學(xué)習(xí)功能STATE-OF-CHARGE算法等特點(diǎn)。所實(shí)現(xiàn)的路燈功能為自動(dòng)識別季節(jié)和時(shí)間、光控開時(shí)控關(guān)、時(shí)控開光控關(guān)。國外照明節(jié)能技術(shù)的發(fā)展具有以下特點(diǎn):。1 大力推動(dòng)

18、綠色照明，在光源的材料，使用規(guī)上加以有效管理，出臺了系列的標(biāo)準(zhǔn)和管理要求，將照明節(jié)能推廣到全民圍;2 不斷提高功率器件性能要求，主要體現(xiàn)在鎮(zhèn)流裝置上技術(shù)提高。通過對鎮(zhèn)流器技術(shù)改進(jìn)來提高照明設(shè)備的功率因素。3 積極推廣節(jié)能獎(jiǎng)勵(lì)政策，鼓勵(lì)民眾節(jié)能，節(jié)電，建立了完善有效的獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制。61.2.2 國大功率LED控制技術(shù)的發(fā)展在奧運(yùn)會上，LED照明技術(shù)在奧運(yùn)歷史上首次大規(guī)模使用并獲得成功。據(jù)官方統(tǒng)計(jì)，奧運(yùn)會總共包括36個(gè)比賽場館，其照明產(chǎn)品需求就達(dá)5億元左右，這還不包括奧運(yùn)村、奧運(yùn)花園等其他公共照明設(shè)施市場。 LED照明除了比用常規(guī)照明至少節(jié)能60%以外，還擁有長壽命、易集成、快響應(yīng)、利環(huán)保、光分布易于

19、控制、色彩豐富等優(yōu)勢。以“水立方”為例，僅使用LED燈的“水立方”景觀照明工程，預(yù)計(jì)全年可比傳統(tǒng)的熒光燈節(jié)電74.5萬度，節(jié)能達(dá)70%以上。國不少城市已經(jīng)開始紛紛采用各種技術(shù)對城市公共照明系統(tǒng)進(jìn)行了集中管理改造，基本實(shí)現(xiàn)了對全市路燈的遙控、遙測、遙信。全國各地積極推進(jìn)LED節(jié)能照明，我國南方部分政府和企業(yè)都已經(jīng)紛紛大力推廣LED路燈用作道路照明。福建省政府新聞辦召開發(fā)布會宣布，2009年福建省光伏產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目對接會將于4月9日至10日在泉南安市舉行。此次活動(dòng)將作為“6·18”海峽項(xiàng)目成果交易會的系列活動(dòng)之，將搭建光伏產(chǎn)業(yè)成果轉(zhuǎn)化、項(xiàng)目對接和投資洽談的平臺7。 勤上光電股份作為LED行業(yè)的

20、龍頭企業(yè)，大功率LED節(jié)能路燈就是勤上光電眾多產(chǎn)品中的“拳頭”產(chǎn)品之。這產(chǎn)品技術(shù)上使用了具有企業(yè)自主知識產(chǎn)權(quán)的無線控制系統(tǒng)，可對燈具實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，既可對燈具進(jìn)行遠(yuǎn)程開、關(guān)和調(diào)光，又能遠(yuǎn)程采集燈具工作時(shí)的電量、溫度等數(shù)據(jù)，還能節(jié)省大量人工維護(hù)成本。節(jié)能也是這產(chǎn)品的顯著特點(diǎn)，由于采用了非成像二次光學(xué)設(shè)計(jì)系統(tǒng)、電路驅(qū)動(dòng)等先進(jìn)系統(tǒng)和材料，其相較傳統(tǒng)的高壓納燈節(jié)能60%以上，還具備著穩(wěn)定和光衰小、無污染的特點(diǎn)。近日，海南市路燈節(jié)能樣板、文明路LED路燈節(jié)能亮化工程也順利收尾。 推廣照明節(jié)能控制器調(diào)節(jié)路燈明暗可節(jié)能30%。在現(xiàn)有路燈線路上加個(gè)節(jié)電控制器器，可節(jié)能30%。，目前多家科技公司正在我市推行智能型

21、照明節(jié)電控制器器試點(diǎn)工作，通過改變電壓控制燈光明暗，為主城道路公共照明設(shè)施節(jié)能。目前主城區(qū)路燈與燈飾工程耗電量很大，僅以高新區(qū)為例，每年電費(fèi)就要200萬元。智能型照明節(jié)電器可通過電腦對控制器進(jìn)行設(shè)定，從而根據(jù)天色的明暗自動(dòng)調(diào)節(jié)燈光。比如深夜的時(shí)候，燈光會暗些，而晚上八九點(diǎn)時(shí)則亮些，也達(dá)到節(jié)能的目的。根據(jù)不同路段實(shí)際情況，臺節(jié)能控制器能控制約千盞路燈，將節(jié)能30%左右。市路燈原來在每臺變壓器都裝了個(gè)編好程序的控制儀，按照日出和日落的時(shí)間控制路燈的亮滅8。但是，碰到陰天和雨、雪、霧的天氣，有時(shí)天已經(jīng)很黑了，路燈卻沒有亮。改造以后的路燈不是在每天固定的時(shí)刻亮/滅，而是根據(jù)天黑和天亮的情況亮/滅。市采

22、用現(xiàn)代高技術(shù)發(fā)展公司研制的城市路燈監(jiān)控管理系統(tǒng)，其基本功能是通過光控和時(shí)控技術(shù)對接觸器進(jìn)行控制，可檢測到每條路段的亮燈率9，可有效控制全夜或半夜燈，可對供電變壓器(電流或電壓)線路短或開路等事件與時(shí)報(bào)警。1.3 大功率LED的路燈的發(fā)展趨勢道路照明與人們生產(chǎn)生活密切相關(guān)，隨著我國城市化進(jìn)程的加快，綠色、高效、長壽命的LED路燈逐漸進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域。目前，大功率LED照明技術(shù)日趨成熟，大功率LED光源功效已經(jīng)達(dá)到120 lm/W，城市LED路燈照明節(jié)能改造成為發(fā)展趨勢。表1-1是傳統(tǒng)路燈與LED路燈對比。就以路燈為主的大功率LED產(chǎn)品市場而言，已經(jīng)有部分LED企業(yè)在 2005 年下半年研發(fā)成功LED

23、路燈產(chǎn)品，并逐步推向市場，替代原有傳統(tǒng)的路燈產(chǎn)品。中國是目前全球城市化進(jìn)程最快的國家之一，可以預(yù)料在未來的數(shù)十年，全國各地對于大功率、高亮度、節(jié)能的LED路燈產(chǎn)品的市場需極其龐大的。據(jù)2006年國家路燈行業(yè)統(tǒng)計(jì)，我國城市道路照明共有1500萬只以上的路燈，近幾年的增長率在20%以上。照此估算，全國每年照明路燈的市場規(guī)模不低于50億元，如使用LED路燈，每年可節(jié)電20億度以上10。表1-2是傳統(tǒng)路燈與LED路燈五年總體費(fèi)用的比較。表1-1 傳統(tǒng)路燈與LED路燈對比桿高7米9米光源高壓鈉燈LED高壓鈉燈LED功率（W）2506040090價(jià)格（元）1500450020006000年用電（元）912

24、.52191460328.5年電費(fèi)（元）912.52191460328.5年維護(hù)費(fèi)（元）20002500年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用（元）893.51381.5表1-2 傳統(tǒng)路燈與LED路燈五年總體費(fèi)用比較表公里數(shù)3公里（202盞）5公里（333盞）10公里（666盞）傳統(tǒng)路燈LED路燈傳統(tǒng)路燈LED路燈傳統(tǒng)路燈LED路燈光源費(fèi)用30300090900049950014985009990002997000電纜設(shè)備費(fèi)用360000360009000001250003600000600000五年的電費(fèi)92162522119015193153646353038625729270變壓器的費(fèi)用無無無五年維護(hù)費(fèi)用幾乎為

25、零幾乎為零幾乎為零合計(jì)158462511661902918815198813576376254326270節(jié)省費(fèi)用4184359306803311355LED路燈與現(xiàn)有高壓鈉燈路燈相比，大功率LED路燈具有以下特點(diǎn)：1 擴(kuò)大了照明圍；2 提高了照明均勻度；3 截光性好，無眩光（提高了道路照明安全性）；4 更好的顯色性（接近自然光）；5 低能耗（一樣照度下能耗僅為高壓鈉燈的20%，節(jié)能80%以上）；6 長壽命（有效使用壽命長達(dá)50000小時(shí)，光衰小于15%）；7 智能控制，免維護(hù)，環(huán)保無污染等。近年來，國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟針對LED城市道路照明做了大量的調(diào)研工作，了解行業(yè)技術(shù)發(fā)展的新

26、成果和市場發(fā)展新走向。2005 年聯(lián)盟向奧運(yùn)場館業(yè)主單位推薦了太陽能LED路燈，100余盞太陽能LED路燈在奧運(yùn)村現(xiàn)場展示。日前，聯(lián)盟參加了“2007中國道路照明論壇”，論壇以“道路照明節(jié)能應(yīng)用技術(shù)”為主題，近200多名國道路建設(shè)單位的代表和道路照明的專家學(xué)者參會，LED光源在道路照明中的應(yīng)用成為本次會議的熱點(diǎn)議題。針對目前LED路燈標(biāo)準(zhǔn)不能快速出臺的局面，聯(lián)盟正在籌建技術(shù)規(guī)工作組，準(zhǔn)備選擇LED路燈為切入點(diǎn)，研究并制定相應(yīng)測試方法技術(shù)規(guī)等。 盡管我國的LED道路照明已經(jīng)取得相當(dāng)大的進(jìn)展，但是仍存在著一些問題亟待解決。諸如LED道路照明產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的缺位，不同顯色指數(shù)的高壓鈉燈的照度標(biāo)準(zhǔn)不適合LE

27、D光源；劣質(zhì)產(chǎn)品對市場推廣產(chǎn)生消極影響，以次充好的LED產(chǎn)品嚴(yán)重?cái)_亂市場，造成主管部門對LED的可靠性持懷疑態(tài)度；大功率LED路燈的初次購入成本較高，大約是傳統(tǒng)路燈的2-3倍，這給LED路燈道路照明產(chǎn)品的市場應(yīng)用帶來壓力。但是由于LED是半導(dǎo)體器件，采用直流電、低電壓、低電流，不用逆變器和調(diào)壓變壓系統(tǒng)，是節(jié)能、低損耗、科學(xué)合理的照明系統(tǒng)。如果用于6m以下LED路燈、步道燈、庭院燈等，與普通鋪電線市電路燈造價(jià)相差不大，特殊地形或地段還會便宜，在城鄉(xiāng)一體化建設(shè)有可為。未來LED產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展還須大力進(jìn)行新產(chǎn)品研發(fā)，加強(qiáng)企業(yè)自主創(chuàng)新能力，形成整體競爭力，相信在國家政策的大力推動(dòng)下，我國LED生產(chǎn)企業(yè)

28、和LED路燈產(chǎn)業(yè)必定會勢蓬勃發(fā)展。1.4 論文研究容 本文主要是要對自適應(yīng)LED路燈的控制系統(tǒng)進(jìn)行深入分析和研究。在對大功率LED、單片機(jī)80C51與路燈控制器等進(jìn)行詳細(xì)的了解后，討論自適應(yīng)路燈控制系統(tǒng)的構(gòu)思、設(shè)計(jì)方案，研究該裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工作原理，分析以80C51單片機(jī)為主控單元的硬件電路，對電路的主程序進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)，采用了時(shí)間控制，環(huán)境參數(shù)控制以與手動(dòng)控制相結(jié)合的控制策略。PWM（脈沖寬度調(diào)制信號）調(diào)光和智能路燈控制系統(tǒng)相結(jié)合是該控制裝置的主要特點(diǎn)，利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制，通過調(diào)節(jié)脈沖信號的占空比，從而達(dá)到改變LED路燈亮度的效果，以實(shí)現(xiàn)路燈的自適應(yīng)功能。MCS-5

29、1系列單片機(jī)無PWM輸出功能，所以采用定時(shí)器配合軟件的方法共同實(shí)現(xiàn)。使用者可以根據(jù)需要進(jìn)行自行編程調(diào)節(jié)所要達(dá)到的路燈亮度。第2章 路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)2.1 自適應(yīng)控制所謂適應(yīng)性，是指系統(tǒng)能夠靈活的配置，根據(jù)環(huán)境和用戶的要求改變系統(tǒng)的大小，適應(yīng)不同的需要，而且這種變化不需要重新開發(fā)或修改軟件程序。所謂自適應(yīng)，是指這種適應(yīng)性不需人工參與，具有自動(dòng)的適應(yīng)能力，自動(dòng)感知系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境和設(shè)備工作狀態(tài)的變化，使系統(tǒng)適應(yīng)環(huán)境，并保持在最好的狀態(tài)。在日常生活中，所謂自適應(yīng)是指生物能改變自己的習(xí)性以適應(yīng)新的環(huán)境的一種特征。因此，直觀地說，自適應(yīng)控制器應(yīng)當(dāng)是這樣一種控制器，它能修正自己的特性以適應(yīng)對象和擾動(dòng)的

30、動(dòng)態(tài)特性的變化。自適應(yīng)控制的研究對象是具有一定程度不確定性的系統(tǒng)，這里所謂的“不確定性”是指描述被控對象與其環(huán)境的數(shù)學(xué)模型不是完全確定的，其中包含一些未知因素和隨機(jī)因素。任何一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)都具有不同程度的不確定性，這些不確定性有時(shí)表現(xiàn)在系統(tǒng)部，有時(shí)表現(xiàn)在系統(tǒng)的外部。從系統(tǒng)部來講，描述被控對象的數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，設(shè)計(jì)者事先并不一定能準(zhǔn)確知道。作為外部環(huán)境對系統(tǒng)的影響，可以等效地用許多擾動(dòng)來表示。這些擾動(dòng)通常是不可預(yù)測的。此外，還有一些測量時(shí)產(chǎn)生的不確定因素進(jìn)入系統(tǒng)。面對這些客觀存在的各式各樣的不確定性，如何設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目刂谱饔?，使得某一指定的性能指?biāo)達(dá)到并保持最優(yōu)或者近似最優(yōu)，這就是自適應(yīng)控制所

31、要研究解決的問題。自適應(yīng)控制和常規(guī)的反饋控制和最優(yōu)控制一樣，也是一種基于數(shù)學(xué)模型的控制方法，所不同的只是自適應(yīng)控制所依據(jù)的關(guān)于模型和擾動(dòng)的先驗(yàn)知識比較少，需要在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中去不斷提取有關(guān)模型的信息，使模型逐步完善。具體地說，可以依據(jù)對象的輸入輸出數(shù)據(jù)，不斷地辨識模型參數(shù)，這個(gè)過程稱為系統(tǒng)的在線辯識。隨著生產(chǎn)過程的不斷進(jìn)行，通過在線辯識，模型會變得越來越準(zhǔn)確，越來越接近于實(shí)際。既然模型在不斷的改進(jìn)，顯然，基于這種模型綜合出來的控制作用也將隨之不斷的改進(jìn)。在這個(gè)意義下，控制系統(tǒng)具有一定的適應(yīng)能力。比如說，當(dāng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段，由于對象特性的初始信息比較缺乏，系統(tǒng)在剛開始投入運(yùn)行時(shí)可能性能不理想，但

32、是只要經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，通過在線辯識和控制以后，控制系統(tǒng)逐漸適應(yīng)，最終將自身調(diào)整到一個(gè)滿意的工作狀態(tài)。再比如某些控制對象，其特性可能在運(yùn)行過程中要發(fā)生較大的變化，但通過在線辯識和改變控制器參數(shù)，系統(tǒng)也能逐漸適應(yīng)。常規(guī)的反饋控制系統(tǒng)對于系統(tǒng)部特性的變化和外部擾動(dòng)的影響都具有一定的抑制能力，但是由于控制器參數(shù)是固定的，所以當(dāng)系統(tǒng)部特性變化或者外部擾動(dòng)的變化幅度很大時(shí)，系統(tǒng)的性能常常會大幅度下降，甚至是不穩(wěn)定。所以對那些對象特性或擾動(dòng)特性變化圍很大，同時(shí)又要求經(jīng)常保持高性能指標(biāo)的一類系統(tǒng)，采取自適應(yīng)控制是合適的。但是同時(shí)也應(yīng)當(dāng)指出，自適應(yīng)控制比常規(guī)反饋控制要復(fù)雜的多，成本也高的多，因此只是在用常規(guī)

33、反饋達(dá)不到所期望的性能時(shí)，才會考慮采用。2.2 大功率LED路燈2.2.1 LEDLED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片由三部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子，中間通常是1至5個(gè)周期的量子阱。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子和空穴就會被推向量子阱，在量子阱電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光

34、的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結(jié)的材料決定的。LED的部結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1 LED部結(jié)構(gòu)LED特點(diǎn)：LED的在特征決定了它是最理想的光源去代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光源，它有著廣泛的用途。1 體積小。LED基本上是一塊很小的晶片被封裝在環(huán)氧樹脂里面，所以它非常的小，非常的輕。2 耗電量低。LED耗電非常低，一般來說LED的工作電壓是2-3.6V。工作電流是0.02-0.03A。這就是說：它消耗的電不超過0.1W。3 使用壽命長。在恰當(dāng)?shù)碾娏骱碗妷合拢琇ED的使用壽命可達(dá)10萬小時(shí)。4 高亮度、低熱量。比HID或白熾燈更少的熱輻射。5 環(huán)保。LED是由無毒的材料作成，不像熒光燈含水銀會造成污染，

35、同時(shí)LED也可以回收再利用。紅光LED含有大量的As（砷），劇毒6 堅(jiān)固耐用。LED是被完全的封裝在環(huán)氧樹脂里面，它比燈泡和熒光燈管都堅(jiān)固。燈體也沒有松動(dòng)的部分，這些特點(diǎn)使得LED可以說是不易損壞的。 7 可控性強(qiáng)?？梢詫?shí)現(xiàn)各種顏色的變化。112.2.2 LED光源的特點(diǎn)1 電壓：LED使用低壓電源，供電電壓在6-24v之間，根據(jù)產(chǎn)品不同而異，所以它是一個(gè)比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。2 效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少 80% 3 適用性：很小，每個(gè)單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境 4 穩(wěn)定性： 10萬小時(shí)，光衰為初始

36、的50% 5 響應(yīng)時(shí)間：其白熾燈的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級， LED燈的響應(yīng)時(shí)間為納秒級 6 對環(huán)境污染：無有害金屬汞 7 顏色：改變電流可以變色，發(fā)光二極管方便地通過化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，實(shí)現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時(shí)為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬?，黃色，最后為綠色 8. 價(jià)格：LED的價(jià)格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只LED的價(jià)格就可以與一只白熾燈的價(jià)格相當(dāng)，而通常每組信號燈需由上300500只二極管構(gòu)成 2.2.3 LED分類1、按發(fā)光管發(fā)光顏色分按發(fā)光管發(fā)光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色（又細(xì)分黃綠、標(biāo)準(zhǔn)綠和純綠）、藍(lán)光等。另外，有的發(fā)光二極管中包含二種或

37、三種顏色的芯片。根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。散射型發(fā)光二極管和達(dá)于做指示燈用。2、按發(fā)光管出光面特征分 按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm與20mm等。國外通常把3mm的發(fā)光二極管記作T-1；把5mm的記作T-1（3/4）；把4.4mm的記作T-1（1/4）。由半值角大小可以估計(jì)圓形發(fā)光強(qiáng)度角分布情況。3、按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分 按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、瓷底座環(huán)氧封裝

38、與玻璃封裝等結(jié)構(gòu)。4、按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流分按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流分有普通亮度的LED（發(fā)光強(qiáng)度100mcd）；把發(fā)光強(qiáng)度在10100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。一般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA，而低電流LED的工作電流在2mA以下（亮度與普通發(fā)光管一樣）。除上述分類方法外，還有按芯片材料分類與按功能分類的方法。 2.2.4 大功率LED路燈大功率LED廣義上說就是單顆LED光源功率大于0.35W(含0.35W)的?；旧衔覀円?W的為主。 大功率LED路燈，顧名思義是單顆功率大于1W以上，采用新型LED半導(dǎo)體光源的路燈。大功率LED路燈與常規(guī)高壓鈉燈路燈不同的是，大功率LED路燈的光

39、源采用低壓直流供電、由GaN基功率型藍(lán)光LED與黃色熒光粉合成的高效白光二極管，具有高效、安全、節(jié)能、環(huán)保、壽命長、響應(yīng)速度快、顯色指數(shù)高等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于城市道路照明。發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,簡寫為LED)是基于半導(dǎo)體PN結(jié)形成的用微弱的電能就能發(fā)光的高效固態(tài)光源，在一定的正向偏置電壓和注入電流下，注入P區(qū)的空穴和注入N區(qū)的電子在擴(kuò)散至有源區(qū)后經(jīng)輻射復(fù)合而發(fā)出光子，將電能直接轉(zhuǎn)化為光能。與傳統(tǒng)路燈照明相比，LED路燈具有以下優(yōu)點(diǎn)：1 LED路燈本身的特性光的單向性，沒有光的漫射，保證光照效率；2 LED路燈有獨(dú)特的二次光學(xué)設(shè)計(jì)，將LED路燈的光照射到所需照

40、明的區(qū)域，進(jìn)一步提高了光照效率，以達(dá)到節(jié)能目的；3 LED的光源效率目前已達(dá)100lm/W，而且還有很大的發(fā)展空間，理論值達(dá)250lm/W。而高壓鈉燈的發(fā)光效率是隨功率增加才有所增加，因此，總體光效LED路燈比高壓鈉燈強(qiáng)；4 LED路燈的光顯色性比高壓鈉燈高許多，高壓鈉燈顯色指數(shù)只有23左右，而LED路燈顯色指數(shù)達(dá)到75以上，從視覺心理 角度考慮，達(dá)到同等亮度，LED路燈的光照度平均可以比高壓鈉燈降低20%以上，（參照英國道理照明標(biāo)準(zhǔn)）； 5 LED路燈的光衰小，一年的光衰不到3%，使用10年仍達(dá)到道路使用照度要求，而高壓鈉燈光衰大，一年左右已經(jīng)下降30%以上，因此，LED路燈在使用功率的設(shè)計(jì)

41、上可以比高壓鈉燈低；6 LED路燈有自動(dòng)控制節(jié)能裝置,能實(shí)現(xiàn)在滿足不同時(shí)段照明要求情況下最大可能的降低功率，節(jié)省電能；7 LED是低壓器件，驅(qū)動(dòng)單顆LED的電壓為安全電壓，系列產(chǎn)品單顆LED功率都為1瓦，所以它是一個(gè)比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所（例如：路燈照明、廠礦照明、汽車照明、民用照明等）；8 每個(gè)單元LED小片只有很小體積，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境；9 壽命長：能使用5萬小時(shí)以上，提供三年的質(zhì)量保證；10 光效高：采用100LM以上的芯片，相對于傳統(tǒng)高壓鈉燈能節(jié)能75%以上；11 安裝簡便：無需加埋電纜無需整流器等，直接將路燈燈頭安裝于燈桿接上

42、或者將光源嵌套原有燈殼；12 散熱控制出色：夏天溫度控制在45度左右，并采用被動(dòng)散熱方式；13 質(zhì)量可靠：電路電源全部采用高質(zhì)量元器件，每顆LED都有單獨(dú)過流保護(hù)，無需擔(dān)心損壞；14 光色均勻：不加透鏡，不以提高亮度而犧牲均勻光色，從而保證無光圈光色均勻。綜合上述原理，大功率LED路燈的節(jié)能效果顯著，代替高壓鈉燈可節(jié)電60%以上12。2.3 單片機(jī)AT80C5180C51是種低功耗、高性能的含有4K字節(jié)掩膜只讀存儲器(ROM-Read Only Memory)的8位CHMOS微控制器，使用高密度、非易失存儲技術(shù)制造，并且與80C51指令系統(tǒng)和引腳完全兼容。80C51系列單片機(jī)采用雙列直插式（D

43、IP）、QFP44（quad flat pack）和LCC(leaded chip carrier)形式封裝。這里選用的是總線型DIP40封裝，其引腳如圖2-2所示。圖2-2 單片機(jī)80C51引腳圖2.3.1 80C51的基本特性1 8 位的CPU，片有振蕩器和時(shí)鐘電路,工作頻率為112MHz。2 片有128字節(jié)RAM。3 片有4K字節(jié)程序存儲器ROM。4 可尋址片外64K字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器RAM。5 可尋址片外64K字節(jié)程序存儲器ROM。6 片 21個(gè)特殊功能寄存器（SFR）。7 4個(gè)8位的并行I/O口（PIO）。8 可編程全雙工串行通道（P3.0,P3.1）。9 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（TI

44、MER/COUNTER）。10 中斷結(jié)構(gòu)具有5個(gè)中斷源和2個(gè)優(yōu)先級。11 置1個(gè)布爾處理器和1個(gè)布爾累加器（cy）。12 MCS-51指令集含 111條指令。13 空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保護(hù)存儲容。80C51的存儲器配置方式與其他常用的微機(jī)系統(tǒng)不同，它采用哈佛結(jié)構(gòu)，把程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開，各有自己的尋址系統(tǒng)、控制信號和功能。程序存儲器用于存放程序和表格常數(shù)，數(shù)據(jù)存儲器用于存放程序運(yùn)行數(shù)據(jù)和結(jié)果13。2.3.2 80C51的基本結(jié)構(gòu)80C51單片機(jī)由微處理器（含運(yùn)算器和控制器）、存儲器、I/O口以與特殊功能寄存器SFR等構(gòu)成。80C51的基本結(jié)構(gòu)圖如下2-3 所示。圖2-3 單片機(jī)8

45、0C51的基本結(jié)構(gòu)圖2.4 A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809本設(shè)計(jì)中采用的A/D轉(zhuǎn)換器是ADC080916。ADC0809是CMOS、8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。其主要性能為：分辨率為8位；ADC0809精度小于±1LSB；單+5V供電，模擬輸入電壓圍為0V5V；具有鎖存控制的8路輸入模擬開關(guān)；可鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL電平兼容；功耗為15mW；不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿度調(diào)整；轉(zhuǎn)換速度取決于芯片外接的時(shí)鐘頻率，時(shí)鐘頻率圍為10KHz1280KHz。典型值為時(shí)鐘頻率640KHz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為100S。ADC0809的部結(jié)構(gòu)如圖2-4。圖2-4 ADC0809ADC0809的部結(jié)構(gòu)如圖2-4 所示

46、。片帶有鎖存功能的8路模擬多路開關(guān)，可對8路輸入模擬信號分時(shí)轉(zhuǎn)換，具有多路開關(guān)的地址譯碼和鎖存電路、8位A/D轉(zhuǎn)換器和三態(tài)輸出鎖存器等。ADC0809引腳圖如圖2-5所示。如圖2-5為ADC0809引腳，其功能如下：1 IN0IN7：8路模擬量輸入端。2 D7D0：8位數(shù)字量輸出端。3 ALE：地址鎖存允許信號輸入端。通常向此引腳輸入一個(gè)正脈沖時(shí)，可將三位地址選擇信號A、B、C鎖存于地址寄存器并進(jìn)行譯碼，選通相應(yīng)的模擬輸入通道。4 START：啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換控制信號輸入端。一般向此引腳輸入一個(gè)正脈沖，上升沿復(fù)位部逐次逼近寄存器，下降沿后開始A/D轉(zhuǎn)換。5 CLK：時(shí)鐘信號輸入端。6 EOC：轉(zhuǎn)

47、換結(jié)束信號輸出端。A/D轉(zhuǎn)換期間EOC為低電平，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后EOC為高電平。7 OE：輸出允許控制端，控制鎖存器的三態(tài)門。當(dāng)OE為高電平時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)出現(xiàn)在D7D0引腳。當(dāng)OE為低電平時(shí)，D7D0引腳對外呈高阻狀態(tài)。8 C、B、A：8路模擬開關(guān)的地址選通信號輸入端，3個(gè)輸入端的信號為000111時(shí)，接通IN0IN7對應(yīng)通道。9 VR(+)、VR(-)：分別為基準(zhǔn)電壓的正負(fù)輸入端。圖2-5 ADC0809引腳圖2.5 本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)自適應(yīng)LED路燈控制器所需要的部分基礎(chǔ)知識，為下一步的硬件設(shè)計(jì)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。其中包括自適應(yīng)控制的概念與在該路燈控制器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用；LED、大功率L

48、ED的國外發(fā)展?fàn)顩r，并根據(jù)市場需要與國家的各項(xiàng)推進(jìn)政策對LED路燈未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)估；簡單介紹了單片機(jī)AT80C51和A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809的主要特性、部結(jié)構(gòu)等，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)3.1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型與功能分析該系統(tǒng)的節(jié)能方法是通過控制器對輸出脈沖寬度進(jìn)行控制，其中的“寬度”，就是脈沖的高電平的時(shí)間。PWM信號調(diào)節(jié)LED亮度時(shí)，信號頻率是不變的，改變的是脈沖的高電平的時(shí)間，即LED的導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)而操控脈沖的高電平的時(shí)間，通過改變路燈的光照來實(shí)現(xiàn)節(jié)能。此方法利用了人眼夜晚行進(jìn)時(shí)對光照要求不敏感的特點(diǎn)改變了LED路燈的亮、滅時(shí)間，在不

49、同的時(shí)段根據(jù)際要求獲得相應(yīng)的照度，實(shí)現(xiàn)路燈亮度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。其自適應(yīng)控制器控制框圖如圖3-1所示。圖3-1 自適應(yīng)LED路燈控制器系統(tǒng)框圖其工作過程為:首先，通過對光照信號的采集，由自適應(yīng)LED路燈控制器判斷路燈照明系統(tǒng)是否需要開啟，如需要運(yùn)行則由功率單元來完成路燈的軟啟動(dòng)(般情況下是由數(shù)十、甚至上百盞路燈組成條街道的照明系統(tǒng))。LED路燈打開后，根據(jù)路面安裝的聲學(xué)傳感器采集到的路面車流量與行人流量所發(fā)出的聲信號由路燈控制器來發(fā)出控制信息，如果實(shí)時(shí)車輛與行人的流量較大，即需要路燈的照度較高，系統(tǒng)根據(jù)需求自動(dòng)對LED路燈進(jìn)行調(diào)光控制；如果實(shí)時(shí)車輛與行人的流量較小，即路燈的照度不需要很高，系統(tǒng)就會

50、自動(dòng)調(diào)寬脈沖信號的寬度，降低路燈的亮度。智能控制器作為整套系統(tǒng)的核心部分其控制方式選取的為模糊控制算法，采集的外部信號通過放大、轉(zhuǎn)換后輸入到控制器的微處理器中，這里我們采集的信號為光信號與聲音信號兩種，其中光信號用來控制整套系統(tǒng)的啟停，而聲音信號則用來實(shí)時(shí)反映外部環(huán)境的要求，通過模糊控制的方式將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理比對，選取最優(yōu)化的控制信號加以輸出。3.1.2 路燈控制器的方案選擇自適應(yīng)路燈控制器是路燈控制系統(tǒng)的核心。當(dāng)前軟起動(dòng)控制系統(tǒng)中，通常采用PLC進(jìn)行控制，隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，采用微處理器設(shè)計(jì)的軟起動(dòng)控制器也大量出現(xiàn)。路燈控制器方案的選擇，主要是對PLC方案和微處理器方案進(jìn)行選擇。方案:

51、采用上位、下位機(jī)(PC-PLC)的控制系統(tǒng)。方案二:選用TI公司DSP控制器或者使用ARM嵌入式系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)。方案三:微控制器選用ATMEL公司的AT80C51單片機(jī)的控制系統(tǒng)。PLC抗干擾性能好，可靠性高(平均無故障時(shí)間3-5萬小時(shí))，編程簡單，通用性強(qiáng)，適用于需要大量開關(guān)控制的場合。但如果使用PLC進(jìn)行復(fù)雜程序編寫，其程序的編寫難度、可讀性和可維護(hù)性都不盡人意，并且PLC在進(jìn)行大量數(shù)據(jù)運(yùn)算方面存在不少困難。同時(shí)PLC價(jià)格高昂，對于低端產(chǎn)品降低成本造成了較大困難。采用DSP控制器或者ARM嵌入式系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)的最大優(yōu)勢是功能強(qiáng)大，能耗小，響應(yīng)時(shí)間快，但外接硬件電路較多，體積將會增加，在

52、系統(tǒng)安裝上有些不便，相比之下成本要有所增加，其價(jià)格是單片機(jī)的五倍?？紤]到如果要使用大規(guī)模的在路燈上使用，成本會迅速增加。AT80C51是4K字節(jié)的掩膜ROM高性能微處理器，其外圍接口電路簡單，具有很高的性價(jià)比，成本低因而是種功能強(qiáng)大的微控制器，它對很多嵌入式控制應(yīng)用提供了個(gè)高度靈活有效的解決方案14。綜合以上比較，方案和方案二在數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)控制和大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理方面有很大的優(yōu)勢，但是設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本比較高等缺點(diǎn)。但是方案三設(shè)計(jì)簡單，體積很小，在成本節(jié)約方面有很大的優(yōu)勢。所以，本論文選擇的是方案三作為本系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)方案。3.1.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)硬件主要是由聲音傳感器、光敏傳感器、運(yùn)算放大器、A/D轉(zhuǎn)

53、換器、單片機(jī)等組成15。光信號通過光電傳感器，轉(zhuǎn)變成電信號，電信號經(jīng)過放大后，送給開頭電路，作為路燈的的開關(guān)。聲音信號通過聲音傳感器變成電壓信號，電壓信號再經(jīng)過放大器送給A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器就可以把前面送來的電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率脈沖信號，根據(jù)聲音大小的不同，就可以得到不同的頻率脈沖數(shù)據(jù)，從而也就可以判別聲音的大小。將轉(zhuǎn)變成頻率信號的聲音數(shù)據(jù)送到單片機(jī)，單片機(jī)通過系列的計(jì)算，就可以得到控制信號，然后將數(shù)據(jù)輸出到LED顯示以與送到LED路燈，即被控對象。其系統(tǒng)硬件電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖3-2所示：圖3-2 系統(tǒng)硬件原理框圖自適應(yīng)控制系統(tǒng)硬件主要由聲學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器、信號放大器、微處理器、

54、A/D轉(zhuǎn)換器等組成。硬件系統(tǒng)的工作原理為:光信號通過光電傳感器轉(zhuǎn)變成模擬信號，經(jīng)放大器放大后輸入至A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉。聲音信號通過聲音傳感器轉(zhuǎn)變成電信號，通過實(shí)時(shí)處理聲、光信息，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)燈光強(qiáng)弱度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制?，F(xiàn)場控制設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)是軟硬件的結(jié)合。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，照明區(qū)域控制器在硬件上應(yīng)該具備以下電路模塊，主要包括聲光信號采集模塊、微處理器與其外圍電路、人機(jī)交互接口等。3.2 聲光信號采集3.2.1 聲音信號采集本系統(tǒng)選用傳聲器作為路面聲音信號的采集裝置。傳聲器(microphone)俗稱話筒，是將聲源通過空氣振動(dòng)產(chǎn)生的聲波轉(zhuǎn)換成電信號的換能設(shè)備，是一種重要的電聲器件。傳聲

55、器作為音頻系統(tǒng)的第一環(huán)節(jié)，應(yīng)具備結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、性能穩(wěn)定的品質(zhì)。這里選用的傳聲器為駐極體傳聲器為聲音信號的采集裝置。聲電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件是駐極體的振動(dòng)膜。它是一片極薄的塑料膜片，在其中一面蒸發(fā)上一層純金薄膜。然后再經(jīng)過高壓電場駐極后，兩面分別駐有異性電荷。膜片的蒸金面向外，與金屬外殼相連通。膜片的另一面與金屬極板之間用薄的絕緣襯圈隔離開。這樣，蒸金膜與金屬極板之間就形成一個(gè)電容。駐極體傳聲器BM接收到聲波信號時(shí)，傳聲器的電容膜片就會隨聲波而振動(dòng)，膜片兩端的靜電場也隨著變動(dòng)，這就把聲音轉(zhuǎn)換成了電信號。圖3-4為由駐極體構(gòu)成的聲音傳感器。圖3-4聲音傳感器器3.2.2 光照信號采集光照信號采集其實(shí)就是利用

56、了一個(gè)光電式傳感器。所謂光電式傳感器是能將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種器件，簡稱光電器件。它的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，而光電效應(yīng)是指物體部的導(dǎo)電電子因吸收輻射而發(fā)生運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，從而導(dǎo)致電學(xué)特性改變的現(xiàn)象。它在現(xiàn)代測量與控制系統(tǒng)中，應(yīng)用非常廣泛。光電傳感器一般由光源、光電轉(zhuǎn)換電路和光電元件3部分組成。其基本原理是以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。圖3-5 光敏傳感器如圖3-5為光敏傳感器，主要是用于光信號轉(zhuǎn)換電信號再送入單片機(jī)處理,由一個(gè)光敏二極管、一個(gè)NPN三極管和兩個(gè)電阻構(gòu)成。其工作過程為：有光照在光敏二極管上時(shí)，光敏二極管將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

57、電信號，電信號再經(jīng)三極管放大后，輸出到A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再輸入80C51單片機(jī)，由80C51輸出控制信號決定LED路燈是否開啟。3.3 控制器的設(shè)計(jì)以與基本外圍電路自適應(yīng)路燈控制器采用單片機(jī)為核心控制器件，以單片機(jī)為控制核心，結(jié)合外圍電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)形成完整的控制系統(tǒng)。3.3.1 單片機(jī)控制器的設(shè)計(jì)80C51單片機(jī)最小系統(tǒng)由單片機(jī)、復(fù)位電路、晶振電路極其基本外圍電路等組成，80C51的最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)如下圖3-6所示：圖3-6 80C51單片機(jī)最小系統(tǒng)80C51的時(shí)鐘信號通常有兩種方式產(chǎn)生：一是部時(shí)鐘方式；二是外部時(shí)鐘方式。這里選用的是部時(shí)鐘方式。在80C51單片機(jī)部有一震蕩電路，只要在單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳外接石英晶體（簡稱晶振）就構(gòu)成了自激振