根据环境自动调节状态的节能智能路灯系统

时间:2022-07-03 06:14:43

根据环境自动调节状态的节能智能路灯系统

摘 要:传统的路灯控制与维护手段已不能够适应现代化城市发展的要求,而电力资源己成为紧缺资源,而电能的相当一部分消耗是在照明上,因此,设计自动化程度高、运行可靠、高效节能、使用维护方便并能美化市容的照明路灯,是照明控制与管理现代化的必然要求,而LED在照明应用中,因其具有节能、寿命长、环保、体积小、响应速度快、可靠性高、调控方便等诸多优点,正作为一种新型照明光源并获得越来越广泛的应用,此路灯系统以兼容性好且价格低廉的Arduino作为主控,通过声光控并自校准延时控制路灯状态,应用PWM方式调节光强以适应需要。

关键词:调光;Arduino;LED;声光控;自校准

1 设计思路

1.1 整体方案的设计

对于路灯系统,其工作是为了在光照强度不足时,为行人及行车提供足够的光照。现在的路灯控制系统多采用的是人工定时开关的控制方式,即在某一个时间段如晚六点到早上六点之间路灯处于全开状态,其他时间路灯全关,这显然是不合理的。当突然遇到天气不好需要路灯补充照明的时候,上述控制方式不能达到系统的要求。因此,本文按前面的要求设计了如下控制方式。通过光敏电阻采集到的光强以模拟量输出通过单片机检测并根据不同光强输出不同占空比以控制灯亮度,当光强高于某一阀值时,关闭输出以降低功耗,通过采集滤波后声音的均值作为比较的基准,当出现高于此值的声音时,确定为有声音,并且每隔一定时间更新此均值作为自校准,这样可以适应不同情况下的环境低噪。

1.2 设计任务及目标

(1)设计亮度反馈及调节系统,采集环境声音与光强大小,以得出适当的控制量,使得能量利用最大化。

(2)运用单片机设计监测和反馈系统来接受和处理各方数据并及时动作以保证等工作状态良好,并能适应极端天气等影响。

(3)归纳了一般LED照明对驱动电源要求的前提下,选用了合适驱动芯片,设计驱动电源主电路。

(4)决定大功率LED的性能和路灯设计的几个关键技术中的散热设计。

2 光控自动控制电路设计

2.1 主控芯片的选择

经过比较比较常用的51单片机,Arduino,stm32,我们确定了以Arduino作为主控,因Arduino很便捷灵活。Arduino的设计初衷是让人们更加便宜且方便的控制机器人。但是无心插柳柳成荫,现在的Arduino已经在更多的领域展现出来他的价值,现在的Arduino拥有几乎任何单片机都难以比拟的函数库,且各种传感器都具有惊人的通用性,在Arduino体系下,几乎每款控制器都能兼容。这种巨大的优势,相信裸奔过各种不同单片机的工程师们一定有更深刻的体会。这些兼容性设计,使得Arduino虽然更多的是硬件,但是比传统硬件离程序员甚至大众更近了,所以现在的Arduino其实算是程序员想直接跟硬件交互的最好手段之一了。同rArduino 的理念就是开源,软硬件完全开放,技术上不做任何保留。针对周边I/O设备的Arduino 编程,很多常用的I/O 设备都已经带有库文件或者样例程序,在此基础上进行简单的修改,即可编写出比较复杂的程序,完成功能多样化的作品。以ATmega8P为例

产品特点

高性能,低功耗的AVR(R)8位微控制器

先进的RISC结构

- 131条指令 - 绝大多数为单时钟周期执行

- 32个8位通用工作寄存器

- 全静态工作

- 高达20 MIPS的吞吐量在20兆赫

- 片上2周期乘法器

・高耐用性非挥发性记忆体段

- 4/8/16 /的在系统内可编程的Flash课程校内存32K字节

(ATMEGA48PA/88PA/168PA/328P)

- 256/512/512 /1K字节的EEPROM(ATMEGA48PA/88PA/168PA/328P)

- 512/1K/1K/2K字节的片内SRAM(ATMEGA48PA/88PA/168PA/328P)

- 写/擦除周期:10,000闪存/ EEPROM100000

- 数据保存:20年,在85℃/百年,在25℃(1)

- 可选Boot代码区具有独立锁定位

在系统编程通过片上引导程序

真正的同时读 - 写操作

- 锁编程软件安全

・外设特点

- 2个8位定时器/计数器具有独立预分频器和比较模式

- 1个16位定时器/计数器具有独立预分频器,比较功能和捕捉模式

- 实时计数器具有独立振荡器

- 六个PWM通道

- 8通道10位ADC的TQFP和QFN/ MLF封装

温度测量

- 6通道10位ADC PDIP封装

温度测量

- 可编程的串行USART

- 主/从SPI串行接口

- 面向字节的两线串行接口(飞利浦I2C兼容)

- 可编程看门狗定时器具有独立片内振荡器

- 片内模拟比较器

- 中断和唤醒引脚电平变化

・单片机的特殊功能

- 上电复位和可编程的掉电检测

- 内部校准振荡器

- 外部和内部中断源

- 六休眠模式:空闲模式、ADC噪声抑制、省电、掉电、待机

和扩展Standby

・I/O和封装

- 23可编程I / O线

- 28引脚PDIP,32引脚TQFP封装,28焊盘QFN/ MLF以及32焊盘的QFN/ MLF

・工作电压:

- 1.8 - 5.5V的ATMEGA48PA/88PA/168PA/328P

・温度范围:

- -40℃至85℃

・速度等级:

- 0 - 20 MHz的@1.8 - 5.5V

・低功耗在1 MHz,1.8V,25℃ATMEGA48PA/88PA/168PA/328P:

- 主动模式:0.2毫安

- 掉电模式:0.1μA

- 省电模式:0.75μA(包括32千赫,RTC)

8位 微控制器

具有4/8/16/32K 字节的可编程系统

2.2 声光控电路处理

人能听到的声音频率范围约20Hz到20000Hz,为尽量减少外界噪声干扰,必须设计一带通滤波器,去除噪声干扰,滤波要求通频带内平坦而过渡带陡峭。一般情况下,巴特沃兹滤波器通频带内平坦而过渡带陡峭,此处采用4阶巴特沃兹低通和四阶巴特沃兹高通级联,低通滤波器的截止频率为3.4kHz,高通滤波器的截止频率为300Hz,同时添加放大电路以适用于单片机检测,光敏电阻器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弱而改变的阻器;入射光强,电阻减小,入射光弱,电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换(将光的变化转换为电的变化)。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器,它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线(可见光)的强弱变化而变化,在黑暗条件下,它的阻值(暗阻)可达1~10M欧,在强光条件(100LX)下,它阻值(亮阻)仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性(即光谱特性)与人眼对可见光(0.4~0.76)μm的响应很接近,只要人眼可感受的光,都会引起它的阻值变化。

2.3 LED简介

LED在照明应用中,因其具有节能、寿命长、环保、体积小、响应速度快、可靠性高、调控方便等诸多优点,虽然现在市场上较多的仍不是LED,但不可否认LED正作为一种新型照明光源并获得越来越广泛的应用。

2.4 电源及LED驱动设计

电源在这里采用成品的15V、50W开关电源,一方面是节省了成本和开销;另一方面主要是保证了可靠性和安全性。对于一个安全可靠的开关电源是需要由专业的电源工程师设计并调试后才可以投放市场的,我们这里主要的研究方向是路灯控制系统,而不是电源,所以采用市面上的成品开关电源。

LED驱动在这里使用上海芯龙半导体公司的XL6006升压型LED驱动器,该驱动器拥有180KHz的工作频率和最大5A的开关电流,可以保证驱动电路的工作效率和可靠性。根据查阅官方数据手册,这里设计了可以与AVR单片机兼容的PWM调光接口电路,可以由单片机的内部定时器产生需要的PWM调光信号来控制LED驱动器从而达到单片机控制LED亮度的目的。

3 电路制作与调试

3.1 电路原理图

LED驱动器,见图1

声音传感器(滤波),见图2、图3。

单片机原理图,见图4。

PCB图,见图5。

4 结束语

本次的路灯设计是针对已经存在的路灯进行改进,设计中使用了声光控相结合并校正的方法,避免了声光控方法易受环境因素干扰,同时省去了时控需频繁设置时间的麻烦,为了节约用电,本路灯根据环境调节到合适光强,以适应不同情况下的环境。

参考文献

[1]林雪娃.声光控延时开关电路的制作[D].河南省技师学院,2013.

[2]窦林平.国内LED照明应用探讨[C].中国照明电器协会,2011.

[3]黄天宏.LED照明技术的研究和设计实例[D].湖南大学,2009.

[4]Simon Monk.Arduino编程指南[M].人民邮电出版社,2016.

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