【文章內(nèi)容簡介】 ：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路燈有獨特的二次光學設計，將LED路燈的光照射到所需照明的區(qū)域，進一步提高了光照效率，以達到節(jié)能目的；3． LED的光源效率目前已達100lm/W，而且還有很大的發(fā)展空間，理論值達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；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)達到75以上，從視覺心理 角度考慮，達到同等亮度，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準）； 5． LED路燈的光衰小，一年的光衰不到3%，使用10年仍達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計上可以比高壓鈉燈低；6． LED路燈有自動控制節(jié)能裝置,能實現(xiàn)在滿足不同時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都有單獨過流保護，無需擔心損壞；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]。 單片機AT80C5180C51是—種低功耗、高性能的含有4K字節(jié)掩膜只讀存儲器(ROMRead 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系列單片機采用雙列直插式（DIP）、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22所示。圖22 單片機80C51引腳圖 80C51的基本特性1． 8 位的CPU，片內(nèi)有振蕩器和時鐘電路,工作頻率為1～12MHz。2． 片內(nèi)有128字節(jié)RAM。3． 片內(nèi)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． 片內(nèi) 21個特殊功能寄存器（SFR）。7． 4個8位的并行I/O口（PIO）。8． 可編程全雙工串行通道（,）。9． 兩個16位定時器/計數(shù)器（TIMER/COUNTER）。10． 中斷結(jié)構(gòu)具有5個中斷源和2個優(yōu)先級。11． 內(nèi)置1個布爾處理器和1個布爾累加器（cy）。12． MCS51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)保護存儲內(nèi)容。80C51的存儲器配置方式與其他常用的微機系統(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行數(shù)據(jù)和結(jié)果[13]。 80C51的基本結(jié)構(gòu)80C51單片機由微處理器（含運算器和控制器）、存儲器、I/O口以及特殊功能寄存器SFR等構(gòu)成。80C51的基本結(jié)構(gòu)圖如下23 所示。圖23 單片機80C51的基本結(jié)構(gòu)圖 A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809本設計中采用的A/D轉(zhuǎn)換器是ADC0809[16]。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177。1LSB；單+5V供電，模擬輸入電壓范圍為0V～＋5V；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；不必進行零點和滿度調(diào)整；轉(zhuǎn)換速度取決于芯片外接的時鐘頻率，時鐘頻率范圍為10KHz～1280KHz。典型值為時鐘頻率640KHz時，轉(zhuǎn)換時間約為100μS。ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖24。圖24 ADC0809ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖24 所示。片內(nèi)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25所示。如圖25為ADC0809引腳，其功能如下：1． IN0～IN7：8路模擬量輸入端。2． D7～D0：8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正脈沖時，可將三位地址選擇信號A、B、C鎖存于地址寄存器內(nèi)并進行譯碼，選通相應的模擬輸入通道。4． START：啟動A/D轉(zhuǎn)換控制信號輸入端。一般向此引腳輸入一個正脈沖，上升沿復位內(nèi)部逐次逼近寄存器，下降沿后開始A/D轉(zhuǎn)換。5． CLK：時鐘信號輸入端。6． EOC：轉(zhuǎn)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OE為高電平時，轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)出現(xiàn)在D7～D0引腳。當OE為低電平時，D7～D0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個輸入端的信號為000～111時，接通IN0～IN7對應通道。9． VR(+)、VR()：分別為基準電壓的正負輸入端。圖25 ADC0809引腳圖 本章小結(jié)本章詳細介紹了設計自適應LED路燈控制器所需要的部分基礎(chǔ)知識，為下一步的硬件設計奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。其中包括自適應控制的概念及在該路燈控制器設計中的應用；LED、大功率LED的國內(nèi)外發(fā)展狀況，并根據(jù)市場需要及國家的各項推進政策對LED路燈未來的發(fā)展趨勢進行了預估；簡單介紹了單片機AT80C51和A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809的主要特性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等，為系統(tǒng)設計提供依據(jù)。第3章 系統(tǒng)硬件設計 系統(tǒng)的總體方案設計 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型及功能分析該系統(tǒng)的節(jié)能方法是通過控制器對輸出脈沖寬度進行控制，其中的“寬度”，就是脈沖的高電平的時間。PWM信號調(diào)節(jié)LED亮度時，信號頻率是不變的，改變的是脈沖的高電平的時間，即LED的導通時間，進而操控脈沖的高電平的時間，通過改變路燈的光照來實現(xiàn)節(jié)能。此方法利用了人眼夜晚行進時對光照要求不敏感的特點改變了LED路燈的亮、滅時間，在不同的時段根據(jù)際要求獲得相應的照度，實現(xiàn)路燈亮度的自適應調(diào)節(jié)。其自適應控制器控制框圖如圖31所示。圖31 自適應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，如需要運行則由功率單元來完成路燈的軟啟動(—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，如果實時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)需求自動對LED路燈進行調(diào)光控制；如果實時車輛與行人的流量較小，即路燈的照度不需要很高，系統(tǒng)就會自動調(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時反映外部環(huán)境的要求，通過模糊控制的方式將采集的數(shù)據(jù)進行處理比對，選取最優(yōu)化的控制信號加以輸出。 路燈控制器的方案選擇自適應路燈控制器是路燈控制系統(tǒng)的核心。當前軟起動控制系統(tǒng)中，通常采用PLC進行控制，隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，采用微處理器設計的軟起動控制器也大量出現(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行選擇。方案—:采用上位、下位機(PCPLC)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單片機的控制系統(tǒng)。PLC抗干擾性能好，可靠性高(平均無故障時間35萬小時)，編程簡單，通用性強，適用于需要大量開關(guān)控制的場合。但如果使用PLC進行復雜程序編寫，其程序的編寫難度、可讀性和可維護性都不盡人意，并且PLC在進行大量數(shù)據(jù)運算方面存在不少困難。同時PLC價格高昂，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)勢是功能強大，能耗小，響應時間快，但外接硬件電路較多，體積將會增加，在系統(tǒng)安裝上有些不便，相比之下成本要有所增加，其價格是單片機的五倍?？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，具有很高的性價比，成本低因而是—種功能強大的微控制器，它對很多嵌入式控制應用提供了—個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)實時控制和大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理方面有很大的優(yōu)勢，但是設計復雜，成本比較高等缺點。但是方案三設計簡單，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)的研究設計方案。 系統(tǒng)硬件設計硬件主要是由聲音傳感器、光敏傳感器、運算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機等組成[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，單片機通過—系列的計算，就可以得到控制信號，然后將數(shù)據(jù)輸出到LED顯示以及送到LED路燈，即被控對象。其系統(tǒng)硬件電路的結(jié)構(gòu)設計如下圖32所示：圖32 系統(tǒng)硬件原理框圖自適應控制系統(tǒng)硬件主要由聲學傳感器、光學傳感器、信號放大器、微處理器、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，通過實時處理聲、光信息，動態(tài)調(diào)節(jié)燈光強弱度，實現(xiàn)節(jié)能控制?，F(xiàn)場控制設備功能的實現(xiàn)是軟硬件的結(jié)合。為了實現(xiàn)上述功能，照明區(qū)域控制器在硬件上應該具備以下電路模塊，主要包括聲光信號采集模塊、微處理器及其外圍電路、人機交互接口等。 聲光信號采集 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產(chǎn)生的聲波轉(zhuǎn)換成電信號的換能設備，是一種重要的電聲器件。傳聲器作為音頻系統(tǒng)的第一環(huán)節(jié)，應具備結(jié)構(gòu)堅固、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電容。駐極體傳聲器BM接收到聲波信號時，傳聲器內(nèi)的電容膜片就會隨聲波而振動，膜片兩端的靜電場也隨著變動，這就把聲音轉(zhuǎn)換成了電信號。圖34為由駐極體構(gòu)成的聲音傳感器。圖34聲音傳感器器 光照信號采集光照信號采集其實就是利用了一個光電式傳感器。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，而光電效應是指物體內(nèi)部的導電電子因吸收輻射而發(fā)生運動狀態(tài)的改變，從而導致電學特性改變的現(xiàn)象。它在現(xiàn)代測量與控制系統(tǒng)中，應用非常廣泛。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一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。圖35 光敏傳感器如圖35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處理,由一個光敏二極管、一個NPN三極管和兩個電阻構(gòu)成。其工作過程為：有光照在光敏二極管上時，光敏二極管將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，電信號再?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，由80C51輸出控制信號決定LED路燈是否開啟。 控制器的設計以及基本外圍電路自適應路燈控制器采用單片機為核心控制器件，以單片機為控制核心，結(jié)合外圍電路設計實現(xiàn)形成完整的控制系統(tǒng)。 單片機控制器的設計80C51單片機最小系統(tǒng)由單片機、復位電路、晶振電路極其基本外圍電路等組成，80C51的最小系統(tǒng)電路設計如下圖36所示：圖36 80C51單片機最小系統(tǒng)80C51的時鐘信號通常有兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部時鐘方式；二是外部時鐘方式。這里選用的是內(nèi)部時鐘方式。在80C51單片機內(nèi)部有一震蕩電路，只要在單片機的XTAL1和XTAL2引腳外接石英晶體（簡稱晶振）就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號。圖36中電容器CC2的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值為5～30pF，典型值為30pF?！?2MHz，典型值為12MHz和6MHz。當在80C51的單片機的RST引腳引入高電平并保持兩個機器周期時，單片機內(nèi)部就執(zhí)行復位操作（若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài)）。80C51的復位操作有兩種基本形式：一種是上電復位，另一種是上電與按鍵均有效的復位。該電路采用的是上電與按鍵均有效的復位，復位電路的原理為：上電瞬間RST引腳獲得高電平，隨著電容C3的充電，RST引腳的高電平將逐漸