【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ：1． LED路燈本身的特性——光的單向性，沒(méi)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(jué)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(guó)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)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(chǎng)所（例如：路燈照明、廠礦照明、汽車(chē)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(zhǎng)：能使用5萬(wàn)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(duì)于傳統(tǒng)高壓鈉燈能節(jié)能75%以上；11． 安裝簡(jiǎn)便：無(wú)需加埋電纜無(wú)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(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(guò)流保護(hù)，無(wú)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(wú)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(jī)AT80C5180C51是—種低功耗、高性能的含有4K字節(jié)掩膜只讀存儲(chǔ)器(ROMRead Only Memory)的8位CHMOS微控制器，使用高密度、非易失存儲(chǔ)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（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(jī)80C51引腳圖 80C51的基本特性1． 8 位的CPU，片內(nèi)有振蕩器和時(shí)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(chǔ)器ROM。4． 可尋址片外64K字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM。5． 可尋址片外64K字節(jié)程序存儲(chǔ)器ROM。6． 片內(nèi) 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（,）。9． 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（TIMER/COUNTER）。10． 中斷結(jié)構(gòu)具有5個(gè)中斷源和2個(gè)優(yōu)先級(jí)。11． 內(nèi)置1個(gè)布爾處理器和1個(gè)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(hù)存儲(chǔ)內(nèi)容。80C51的存儲(chǔ)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(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(kāi)，各有自己的尋址系統(tǒng)、控制信號(hào)和功能。程序存儲(chǔ)器用于存放程序和表格常數(shù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于存放程序運(yùn)行數(shù)據(jù)和結(jié)果[13]。 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(chǔ)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(jī)80C51的基本結(jié)構(gòu)圖 A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809本設(shè)計(jì)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(kāi)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)鐘頻率范圍為10KHz～1280KHz。典型值為時(shí)鐘頻率640KHz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)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(kāi)關(guān)，可對(duì)8路輸入模擬信號(hào)分時(shí)轉(zhuǎn)換，具有多路開(kāi)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～I(xiàn)N7：8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(hào)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(hào)A、B、C鎖存于地址寄存器內(nèi)并進(jìn)行譯碼，選通相應(yīng)的模擬輸入通道。4． START：?jiǎn)?dòng)A/D轉(zhuǎn)換控制信號(hào)輸入端。一般向此引腳輸入一個(gè)正脈沖，上升沿復(fù)位內(nèi)部逐次逼近寄存器，下降沿后開(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換。5． CLK：時(shí)鐘信號(hào)輸入端。6． EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)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(mén)。當(dāng)OE為高電平時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)出現(xiàn)在D7～D0引腳。當(dāng)OE為低電平時(shí)，D7～D0引腳對(duì)外呈高阻狀態(tài)。8． C、B、A：8路模擬開(kāi)關(guān)的地址選通信號(hào)輸入端，3個(gè)輸入端的信號(hào)為000～111時(shí)，接通IN0～I(xiàn)N7對(duì)應(yīng)通道。9． VR(+)、VR()：分別為基準(zhǔn)電壓的正負(fù)輸入端。圖25 ADC0809引腳圖 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(shí)，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)控制的概念及在該路燈控制器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用；LED、大功率LED的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，并根據(jù)市場(chǎng)需要及國(guó)家的各項(xiàng)推進(jìn)政策對(duì)LED路燈未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)估；簡(jiǎn)單介紹了單片機(jī)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(shè)計(jì)提供依據(jù)。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) 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(guò)控制器對(duì)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(hào)調(diào)節(jié)LED亮度時(shí)，信號(hào)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(guò)改變路燈的光照來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。此方法利用了人眼夜晚行進(jìn)時(shí)對(duì)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31所示。圖31 自適應(yīng)LED路燈控制器系統(tǒng)框圖其工作過(guò)程為:首先，通過(guò)對(duì)光照信號(hào)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(kāi)啟，如需要運(yùn)行則由功率單元來(lái)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(kāi)后，根據(jù)路面安裝的聲學(xué)傳感器采集到的路面車(chē)流量與行人流量所發(fā)出的聲信號(hào)由路燈控制器來(lái)發(fā)出控制信息，如果實(shí)時(shí)車(chē)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(duì)LED路燈進(jìn)行調(diào)光控制；如果實(shí)時(shí)車(chē)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(huì)自動(dòng)調(diào)寬脈沖信號(hào)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(hào)通過(guò)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(hào)為光信號(hào)與聲音信號(hào)兩種，其中光信號(hào)用來(lái)控制整套系統(tǒng)的啟停，而聲音信號(hào)則用來(lái)實(shí)時(shí)反映外部環(huán)境的要求，通過(guò)模糊控制的方式將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理比對(duì)，選取最優(yōu)化的控制信號(hào)加以輸出。 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(duì)PLC方案和微處理器方案進(jìn)行選擇。方案—:采用上位、下位機(jī)(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(jī)的控制系統(tǒng)。PLC抗干擾性能好，可靠性高(平均無(wú)故障時(shí)間35萬(wàn)小時(shí))，編程簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，適用于需要大量開(kāi)關(guān)控制的場(chǎng)合。但如果使用PLC進(jìn)行復(fù)雜程序編寫(xiě)，其程序的編寫(xiě)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(duì)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(shì)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(huì)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(jià)格是單片機(jī)的五倍。考慮到如果要使用大規(guī)模的在路燈上使用，成本會(huì)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(jiǎn)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(duì)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(shì)，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(jiǎn)單，體積很小，在成本節(jié)約方面有很大的優(yōu)勢(shì)。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。 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)換器、單片機(jī)等組成[15]。光信號(hào)通過(guò)光電傳感器，轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后，送給開(kāi)頭電路，作為路燈的的開(kāi)關(guān)。聲音信號(hào)通過(guò)聲音傳感器變成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)再經(jīng)過(guò)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(lái)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率脈沖信號(hào)，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(hào)的聲音數(shù)據(jù)送到單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)—系列的計(jì)算，就可以得到控制信號(hào)，然后將數(shù)據(jù)輸出到LED顯示以及送到LED路燈，即被控對(duì)象。其系統(tǒng)硬件電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖32所示：圖32 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(hào)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(hào)通過(guò)光電傳感器轉(zhuǎn)變成模擬信號(hào)，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(kāi)啟和關(guān)閉。聲音信號(hào)通過(guò)聲音傳感器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，通過(guò)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。現(xiàn)場(chǎng)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(hào)采集模塊、微處理器及其外圍電路、人機(jī)交互接口等。 聲光信號(hào)采集 聲音信號(hào)采集本系統(tǒng)選用傳聲器作為路面聲音信號(hào)的采集裝置。傳聲器(microphone)俗稱話筒，是將聲源通過(guò)空氣振動(dòng)產(chǎn)生的聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的換能設(shè)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(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(hào)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(guò)高壓電場(chǎng)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(kāi)。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(hào)時(shí)，傳聲器內(nèi)的電容膜片就會(huì)隨聲波而振動(dòng)，膜片兩端的靜電場(chǎng)也隨著變動(dòng)，這就把聲音轉(zhuǎn)換成了電信號(hào)。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(hào)采集光照信號(hào)采集其實(shí)就是利用了一個(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(jiǎn)稱光電器件。它的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，而光電效應(yīng)是指物體內(nèi)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(cè)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(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。圖35 光敏傳感器如圖35為光敏傳感器，主要是用于光信號(hào)轉(zhuǎn)換電信號(hào)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(guò)程為：有光照在光敏二極管上時(shí)，光敏二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，電信號(hào)再經(jīng)三極管放大后，輸出到A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再輸入80C51單片機(jī)，由80C51輸出控制信號(hào)決定LED路燈是否開(kāi)啟。 控制器的設(shè)計(jì)以及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)。 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36所示：圖36 80C51單片機(jī)最小系統(tǒng)80C51的時(shí)鐘信號(hào)通常有兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部時(shí)鐘方式；二是外部時(shí)鐘方式。這里選用的是內(nèi)部時(shí)鐘方式。在80C51單片機(jī)內(nèi)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(jiǎn)稱晶振）就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)。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(dāng)在80C51的單片機(jī)的RST引腳引入高電平并保持兩個(gè)機(jī)器周期時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操作（若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)）。80C51的復(fù)位操作有兩種基本形式：一種是上電復(fù)位，另一種是上電與按鍵均有效的復(fù)位。該電路采用的是上電與按鍵均有效的復(fù)位，復(fù)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