哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文xx大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文-PAGEIIII--自適應(yīng)LED路燈控制器設(shè)計摘要自適應(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)計出的新型節(jié)能控制器,它從半導(dǎo)體照明及自適應(yīng)控制兩方面共同實現(xiàn)節(jié)能，是將集穩(wěn)壓控制、軟起動功能、自動起停、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，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)計方案，介紹了該裝置的系統(tǒng)設(shè)計、工作原理，對大功率LED、單片機(jī)AT80C51及路燈控制器進(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，采用了時間控制，環(huán)境參數(shù)控制以及手動控制相結(jié)合的控制策略。MCS-51系列單片機(jī)無PWM輸出功能，所以采用定時器配合軟件的方法共同實現(xiàn)。通過本文的研究，設(shè)計完成了具有實用性的自適應(yīng)LED路燈控制器。并為產(chǎn)品化設(shè)計提供依據(jù)。關(guān)鍵詞自適應(yīng)控制；LED；路燈控制器；PWMAdaptivecontrollerdesignforLEDstreetlampsAbstractAdaptivecontrollerforLEDstreetlampsisthenewenergy-savingcontrollertodesignfortheexistenceoflightingenergyconsumptioninthecity,itcanbebothsemiconductorlightingandControllertoachieveenergy-saving,istosetregulatorcontrol,soft-startfunction,automaticallycease,intelligentvoltagecontrolintheonestreetlampcontroldevice.PWM(pulsewidthmodulationsignal)lampsdimmingandintelligentcontrolsystemcombinedisthemaincharacteristicsofthecontroldevices,usingthemicroprocessorDigitaloutputtocontrolanalogcircuits,useadjustingthedutycycleofpulsesignal,toachievetheeffectofChangethebrightnessofLEDlamps,inordertoachievetheadaptivefunctionofstreetlighting.ThispaperitanalysisandresearchforadaptiveLEDstreetlampcontrolsystemindepthdiscussedtheideaandschematicdesignofadaptivestreetlampcontrolsystem,introducedtheSystemdesignandworkingprincipleofthecontroldevice,introducedthehigh-powerLED,AT80C51single-chipmicrocomputerandstreetlampcontrollerindetail,theanalysisofasingle-chipmicrocomputerAT80C51maincontrolunitforthehardwarecircuitforthepulsewidthoftheLEDoutputsignal(PWM)controlofthesoftwaredesign,theuseoftimecontrol,controlofenvironmentalparameters,aswellasacombinationofmanualcontrolofthecontrolstrategy.MCS-51familyofsingle-chipnon-PWMoutputfunction,Therefore,theuseoftimerusedtogetherwiththerealizationofsoftware.Throughthestudy,designcompletedpracticaladaptiveLEDlampcontroller.Andforproddesignprovidesthebasis.Keywordsadaptivecontroll;LED;streetlampcontrol;PWM;PAGEII---PAGEIV-目錄摘要 IAbstract II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國內(nèi)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國內(nèi)大功率LED控制技術(shù)的發(fā)展 31.3大功率LED的路燈的發(fā)展趨勢 41.4論文研究內(nèi)容 6第2章路燈控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)基礎(chǔ) 72.1自適應(yīng)控制 72.2大功率LED路燈 82.2.1LED 82.2.2LED光源的特點 92.2.3LED分類 92.2.4大功率LED路燈 102.3單片機(jī)AT80C51 112.3.180C51的基本特性 112.3.280C51的基本結(jié)構(gòu) 122.4A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809 132.5本章小結(jié) 14第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計 153.1系統(tǒng)的總體方案設(shè)計 153.1.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型及功能分析 153.1.2路燈控制器的方案選擇 163.1.3系統(tǒng)硬件設(shè)計 163.2聲光信號采集 173.2.1聲音信號采集 173.2.2光照信號采集 183.3控制器的設(shè)計以及基本外圍電路 193.3.1單片機(jī)控制器的設(shè)計 193.3.2A/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 233.3.5電源電路設(shè)計 243.4本章小結(jié) 25第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計 264.1軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計 264.2主程序設(shè)計 264.3自適應(yīng)照明控制綜合策略 284.3.1時間控制策略 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致謝 33參考文獻(xiàn) 34附錄A 35附錄B 41附錄C 46-PAGE10--PAGE34-緒論課題背景課題研究的背景城市路燈的功能日益突出。眾所周知，城市公用路燈對美化城市、改善投資環(huán)境、推動社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保障人民生活安全及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)的日趨緊張，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:—方面，后半夜行人稀少，采用“全夜燈”的方式浪費(fèi)太大[3][4]，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)計壽命在12000小時以上，在正常情況下至少可用3年，但是由于超壓使用，現(xiàn)在路燈燈泡的實際壽命只有1年左右，有的甚至只有幾個月，造成維護(hù)和材料的浪費(fèi)極大。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)熱及過早損壞，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。特別是LED能實現(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)可以自動實現(xiàn)白天光線較暗和晚上遇到聲響時，路燈自動點亮，從而實現(xiàn)人來燈亮，人走燈滅，還可以在點亮自動調(diào)節(jié)光的亮度，既方便又實用。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]。課題研究的意義本課題的研究意義可以歸結(jié)為以下幾個方面:為城市公共照明提供—種科學(xué)有效的節(jié)電方案。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，還可以節(jié)省人力物力。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—個重要組成部分，可以為城市的數(shù)字化建設(shè)做—個良好的基礎(chǔ)和參考。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)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段的耗電量，達(dá)到了節(jié)約電能的目的。國內(nèi)外大功率LED控制技術(shù)的發(fā)展國外大功率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)先于國內(nèi)。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)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，其內(nèi)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)點在于它能自動識別季節(jié)和時間，可以夜晚開燈、早晨關(guān)燈，光控與時控相結(jié)合，可以分別控制兩個時段，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特功能,主要特點是：PWM脈寬調(diào)制充電方式、自動識別12V／24V系統(tǒng)、PWM充電電路（智能三階段充電）、SOC，自動學(xué)習(xí)功能STATE-OF-CHARGE算法等特點。所實現(xiàn)的路燈功能為自動識別季節(jié)和時間、光控開＋時控關(guān)、時控開＋光控關(guān)。國外照明節(jié)能技術(shù)的發(fā)展具有以下特點:。大力推動綠色照明，在光源的材料，使用規(guī)范上加以有效管理，出臺了—系列的標(biāo)準(zhǔn)和管理要求，將照明節(jié)能推廣到全民范圍;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。積極推廣節(jié)能獎勵政策，鼓勵民眾節(jié)能，節(jié)電，建立了完善有效的獎勵機(jī)制。[6]國內(nèi)大功率LED控制技術(shù)的發(fā)展在北京奧運(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，北京奧運(yùn)會總共包括36個比賽場館，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。國內(nèi)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)項目對接會將于4月9日至10日在泉州南安市舉行。此次活動將作為“6·18”海峽項目成果交易會的系列活動之—，將搭建光伏產(chǎn)業(yè)成果轉(zhuǎn)化、項目對接和投資洽談的平臺[7]東莞勤上光電股份有限公司作為東莞LED行業(yè)的龍頭企業(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，由于采用了非成像二次光學(xué)設(shè)計系統(tǒng)、電路驅(qū)動等先進(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。近日，海南三亞市路燈節(jié)能樣板、文明路LED路燈節(jié)能亮化工程也順利收尾。重慶推廣照明節(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照明節(jié)電控制器器試點工作，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)路燈及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)天色的明暗自動調(diào)節(jié)燈光。比如深夜的時候，燈光會暗—些，而晚上八九點時則亮—些，也達(dá)到節(jié)能的目的。根據(jù)不同路段實際情況，—臺節(jié)能控制器能控制約—千盞路燈，將節(jié)能30%左右。北京市路燈原來在每臺變壓器都裝了—個編好程序的控制儀，按照日出和日落的時間控制路燈的亮滅[8]。但是，碰到陰天和雨、雪、霧的天氣，有時天已經(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刻亮/滅，而是根據(jù)天黑和天亮的情況亮/滅。大連市采用大連現(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及時報警。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120lm/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)十年內(nèi)，全國各地對于大功率、高亮度、節(jié)能的LED路燈產(chǎn)品的市場需求是極其龐大的。據(jù)2006年國家路燈行業(yè)統(tǒng)計，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價格（元）1500450020006000年用電（元）912.52191460328.5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（2025公里（33310公里（666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)用幾乎為零幾乎為零幾乎為零合計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：擴(kuò)大了照明范圍；提高了照明均勻度；截光性好，無眩光（提高了道路照明安全性）；更好的顯色性（接近自然光）；低能耗（相同照度下能耗僅為高壓鈉燈的20%，節(jié)能80%以上）；長壽命（有效使用壽命長達(dá)50000小時，光衰小于15%）；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)及產(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)展的新成果和市場發(fā)展新走向。2005年聯(lián)盟向北京奧運(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)盟參加了蘇州“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多名國內(nèi)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)范工作組，準(zhǔn)備選擇LED路燈為切入點，研究并制定相應(yīng)測試方法技術(shù)規(guī)范等。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LED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)重擾亂市場，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)中大有可為。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下，我國LED生產(chǎn)企業(yè)和LED路燈產(chǎn)業(yè)必定會勢蓬勃發(fā)展。論文研究內(nèi)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及路燈控制器等進(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)計方案，研究該裝置的系統(tǒng)設(shè)計、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，采用了時間控制，環(huán)境參數(shù)控制以及手動控制相結(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，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，以實現(xiàn)路燈的自適應(yīng)功能。MCS-51系列單片機(jī)無PWM輸出功能，所以采用定時器配合軟件的方法共同實現(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。路燈控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)基礎(chǔ)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，具有自動的適應(yīng)能力，自動感知系統(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)對象和擾動的動態(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”是指描述被控對象及其環(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。任何一個實際系統(tǒng)都具有不同程度的不確定性，這些不確定性有時表現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)部，有時表現(xiàn)在系統(tǒng)的外部。從系統(tǒng)內(nèi)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來表示。這些擾動通常是不可預(yù)測的。此外，還有一些測量時產(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)計適當(dāng)?shù)目刂谱饔茫沟媚骋恢付ǖ男阅苤笜?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)于模型和擾動的先驗知識比較少，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)行時可能性能不理想，但是只要經(jīng)過一段時間的運(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)內(nèi)部特性的變化和外部擾動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)內(nèi)部特性變化或者外部擾動的變化幅度很大時，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特性變化范圍很大，同時又要求經(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)反饋達(dá)不到所期望的性能時，才會考慮采用。大功率LED路燈LEDLED（LightEmittingDiode），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的心臟是一個半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(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個周期的量子阱。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候，電子和空穴就會被推向量子阱，在量子阱內(nèi)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的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1LED內(nèi)部結(jié)構(gòu)LED特點：LED的內(nèi)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。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。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。使用壽命長。在恰當(dāng)?shù)碾娏骱碗妷合?，LED的使用壽命可達(dá)10萬小時。高亮度、低熱量。比HID或白熾燈更少的熱輻射。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，同時LED也可以回收再利用。紅光LED含有大量的As（砷），劇毒堅固耐用。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固。燈體內(nèi)也沒有松動的部分，這些特點使得LED可以說是不易損壞的。可控性強(qiáng)。可以實現(xiàn)各種顏色的變化。[11]LED光源的特點電壓：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，所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80%適用性：很小，每個單元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)境穩(wěn)定性：10萬小時，光衰為初始的50%響應(yīng)時間：其白熾燈的響應(yīng)時間為毫秒級，LED燈的響應(yīng)時間為納秒級對環(huán)境污染：無有害金屬汞顏色：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，實現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬?，黃色，最后為綠色8.價格：LED的價格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只LED的價格就可以與一只白熾燈的價格相當(dāng)，而通常每組信號燈需由上300～500只二極管構(gòu)成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φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。國外通常把φ3mm的發(fā)光二極管記作T-1；把φ5mm的記作T-1（3/4）；把φ4.4mm的記作T-1（1/4）。由半值角大小可以估計圓形發(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、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結(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10～100mcd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)光管相同）。除上述分類方法外，還有按芯片材料分類及按功能分類的方法。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。基本上我們以1W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)高等獨特優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于城市道路照明。發(fā)光二極管(LightEmittingDiode,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：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；LED路燈有獨特的二次光學(xué)設(shè)計，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；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)；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)）；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)計上可以比高壓鈉燈低；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；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）；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；壽命長：能使用5萬小時以上，提供三年的質(zhì)量保證；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；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；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；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(hù)，無需擔(dān)心損壞；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(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-ReadOnlyMemory)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（DIP）、QFP44（quadflatpack）和LCC(leadedchipcarrier)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80C51的基本特性8位的CPU，片內(nèi)有振蕩器和時鐘電路,工作頻率為1～12MHz。片內(nèi)有128字節(jié)RAM。片內(nèi)有4K字節(jié)程序存儲器ROM?？蓪ぶ菲?4K字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器RAM?？蓪ぶ菲?4K字節(jié)程序存儲器ROM。片內(nèi)21個特殊功能寄存器（SFR）。4個8位的并行I/O口（PIO）?？删幊倘p工串行通道（P3.0,P3.1）。兩個16位定時器/計數(shù)器（TIMER/COUNTER）。中斷結(jié)構(gòu)具有5個中斷源和2個優(yōu)先級。內(nèi)置1個布爾處理器和1個布爾累加器（cy）。MCS-51指令集含111條指令?？臻e狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保護(hù)存儲內(nèi)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]。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口以及特殊功能寄存器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)80C51的基本結(jié)構(gòu)圖A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809本設(shè)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±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(jìn)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2-4。圖2-4ADC0809ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-4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2-5所示。如圖2-5為ADC0809引腳，其功能如下：IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入端。D7～D0：8位數(shù)字量輸出端。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(jìn)行譯碼，選通相應(yīng)的模擬輸入通道。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(fù)位內(nèi)部逐次逼近寄存器，下降沿后開始A/D轉(zhuǎn)換。CLK：時鐘信號輸入端。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。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，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，D7～D0引腳對外呈高阻狀態(tài)。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～I(xiàn)N7對應(yīng)通道。VR(+)、VR(-)：分別為基準(zhǔn)電壓的正負(fù)輸入端。圖2-5ADC0809引腳圖本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了設(shè)計自適應(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)計中的應(yīng)用；LED、大功率LED的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，并根據(jù)市場需要及國家的各項推進(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、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等，為系統(tǒng)設(shè)計提供依據(jù)。系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)的總體方案設(shè)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(jìn)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(dǎo)通時間，進(jìn)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(jìn)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(yīng)的照度，實現(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(—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(jìn)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(jìn)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(yīng)路燈控制器是路燈控制系統(tǒng)的核心。當(dāng)前軟起動控制系統(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(jìn)行選擇。方案—: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(平均無故障時間3-5萬小時)，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(qiáng)大，能耗小，響應(yīng)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(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(shè)計復(fù)雜，成本比較高等缺點。但是方案三設(shè)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(shè)計方案。系統(tǒng)硬件設(shè)計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(shè)計如下圖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、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(qiáng)弱度，實現(xiàn)節(jié)能控制?，F(xiàn)場控制設(shè)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(yīng)該具備以下電路模塊，主要包括聲光信號采集模塊、微處理器及其外圍電路、人機(jī)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(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(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(jī)，由80C51輸出控制信號決定LED路燈是否開啟?？刂破鞯脑O(shè)計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)計實現(xiàn)形成完整的控制系統(tǒng)。單片機(jī)控制器的設(shè)計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)計如下圖3-6所示：圖3-680C51單片機(jī)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(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)生時鐘脈沖信號。圖3-6中電容器C1、C2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。晶振CYS的振蕩頻率范圍為1.2MHz～12MHz，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機(jī)器周期時，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下降。RST引腳的高電平只要能保持足夠的時間（兩個機(jī)器周期），單片機(jī)就可以進(jìn)行復(fù)位操作。該電路的典型參數(shù)為：晶振為12MHz時，C3為10uF，R1為8.2KΩ，R2為1.64KΩ；晶振為6MHz時，C3為22uF，R1為1KΩ，R2為200Ω。A/D轉(zhuǎn)換電路ADC0809與單片機(jī)80C51的接口電路如圖3-7所示。由于ADC0809片內(nèi)無時鐘，故利用80C51提供的地址鎖存允許信號ALE經(jīng)D觸發(fā)器二分頻后獲得。圖3-7A/D轉(zhuǎn)換電路ALE引腳的頻率是單片機(jī)時鐘頻率的1/6，如果單片機(jī)的時鐘頻率為12MHz，則ALE引腳的頻率為2MHz。再經(jīng)二分頻后為1MHz，ADC0809能夠可靠工作。由于ADC0809具有輸出三態(tài)鎖存器，故其8位數(shù)據(jù)數(shù)出線可直接與單片機(jī)數(shù)據(jù)總線相連。單片機(jī)的低8位地址信號在ALE作用下鎖存在74LS373中。74LS373輸出的低3位信號分別加到ADC0809的通道選擇端A、B、C，作為通道編碼。單片機(jī)的P2.7作為片選信號，與WR進(jìn)行或非操作得到一個正脈沖加到ADC0809的ALE和START引腳上。由于ALE和START連接在一起，因此，ADC0809在鎖存信道地址的同時也啟動轉(zhuǎn)換。在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時，用單片機(jī)的讀信號RD和P2.7引腳經(jīng)或非門后產(chǎn)生的正脈沖作為OE信號，用以打開三態(tài)輸出鎖存器。上述操作時，P2.7應(yīng)為低電平。ADC0809的EOC端經(jīng)反相器連接到單片機(jī)的P3.3（INT1）引腳，作為查詢或中斷信號。ADC0809所需參考電壓由REF+和REF-接入，—般地，REF+接ADC0809的5V電壓端，REF-接地。為了減小電源的擾動對參考電壓的影響，提高A/D轉(zhuǎn)換的精確度，設(shè)計中采用了以可調(diào)分流基準(zhǔn)芯片TL431為核心的精密5V穩(wěn)壓電路，為ADC0809提供準(zhǔn)確的參考電壓。德州儀器公司(Tl)生產(chǎn)的TL431[17]是—個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref(2.5V)到36V范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動態(tài)阻抗為0.2Ω，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等等。TL431的3個引腳分別為:陰極(CATHODE)、陽極(ANODE)和參考端(REF)。圖3-85V精密電壓基準(zhǔn)電路5V精密電壓基準(zhǔn)電路原理圖如圖3-8所示。TL431的內(nèi)部含有—個2.5V的基準(zhǔn)電壓，所以當(dāng)在REF端引入輸出反饋時，器件可以通過從陰極到陽極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。當(dāng)圖中所示兩個精密電阻R25和R26的阻值確定時，兩者對Vo的分壓引入反饋，若Vo增大，反饋量增大，TL431的分流也就增加，從而又導(dǎo)致Vo下降。顯見，這個深度的負(fù)反饋電路必然在VI等于基準(zhǔn)電壓處穩(wěn)定，此時Vo=(l+R1/R2)Vref。當(dāng)R25=R26時，Vo=5V，即可為ADC0809提供精確的電壓基準(zhǔn)。開關(guān)量輸入/輸出電路1、開關(guān)量輸入電路開關(guān)量輸入電路主要用于接受各設(shè)備狀態(tài)信號和工作人員的操作命令，包括:起動、警報接觸、故障報警、開關(guān)和斷路器的反饋信號等。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，為防止現(xiàn)場強(qiáng)電磁的干擾或工頻電壓通過輸出通道反串到測控系統(tǒng)，一般采用通道隔離技術(shù)。輸出信道的隔離最常用的組件是光耦合器。光耦合器是以光為媒介傳輸信號的器件，它把一個發(fā)光二極管和一個光敏三極管封裝在一個管殼內(nèi)，發(fā)光二極管加上正向輸入電壓信號（>1.1V）就會發(fā)光，光信號作用在光敏三極管基極產(chǎn)生基極光電流使三極管導(dǎo)通。光耦合器的輸入電路與輸出電路是絕緣的。一個光耦合器可以完成一路開關(guān)量的隔離，如果將光耦合器8個或16個一起使用，就能實現(xiàn)8位數(shù)據(jù)或16位數(shù)據(jù)的隔離。光耦合器的輸入側(cè)都是發(fā)光二極管，但是輸出側(cè)則有多種結(jié)構(gòu)，如光敏晶體管、達(dá)林頓型晶體管、TTL邏輯電路以及光敏可控硅等。開關(guān)量輸入電路原理圖如圖3-9所示。圖3-9開關(guān)量輸入電路原理圖開關(guān)量輸入電源由+24V直流電源提供。輸入的開關(guān)量IN1通過光偶TLP521隔離后由DI端輸送到微處理器，信號經(jīng)隔離后提高了抗干擾能力，微處理器根據(jù)輸入開關(guān)量進(jìn)行相應(yīng)的操作。圖中R35為限流電阻，取值為2KΩ，R40為上拉電阻，取值為10KΩ。2、開關(guān)量輸出電路開關(guān)量輸出信號主要用于控制微型繼電器，微型繼電器用于控制指示燈、蜂鳴器和中間繼電器的狀態(tài)，以完成對應(yīng)開關(guān)設(shè)備的動作。開關(guān)量輸出電路原理圖如圖3-10所示。圖3-10開關(guān)量輸出電路原理圖電路中的I/O并不足以直接驅(qū)動繼電器，因此需要經(jīng)過驅(qū)動電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使輸出的驅(qū)動電壓、電流能夠適應(yīng)繼電器的要求。還需要解決在負(fù)載動作時，對電源的干擾以及斷開電流時線圈電感在線圈兩端產(chǎn)生的極高的感應(yīng)電壓等問題。所以，設(shè)計使用了光電偶合器TLP521進(jìn)行了光電隔離，輸出信號通過控制三級管的開關(guān)來控制繼電器的狀態(tài)[18]。同時，在繼電器線圈兩端并聯(lián)續(xù)流二極管，使繼電器線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流由二極管流過，從而使三極管得到保護(hù)。在繼電器的觸點加入阻容消弧電路，用以消除繼電器觸點斷開使產(chǎn)生的電弧。人機(jī)交互模塊設(shè)計由80C51系列單片機(jī)構(gòu)成的小型測控系統(tǒng)或智能儀表中，嘗嘗需要擴(kuò)展顯示器和鍵盤以實現(xiàn)人機(jī)對話功能。8279芯片在擴(kuò)展顯示器和鍵盤時功能強(qiáng)、實用方便。8279是Intel公司為8位微處理器設(shè)計的通用鍵盤/顯示器接口芯片，其功能是：接收來自鍵盤的輸入數(shù)據(jù)并作預(yù)處理；完成數(shù)據(jù)顯示的管理和數(shù)據(jù)顯示器的控制。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)采用8279管理鍵盤和顯示器，軟件編程極為簡單，顯示穩(wěn)定，且減少了主機(jī)負(fù)擔(dān)。8279的DB7～DB0引腳為雙向外部數(shù)據(jù)總線，用于傳送8279與CPU之間的命令和狀態(tài)，可直接與80C51單片機(jī)連接。OUTB3～OUTB0、OUTA3～OUTA0為顯示寄存器數(shù)據(jù)輸出線，可分別作為兩個4位輸出口，也可作為8位數(shù)據(jù)輸出口，OUTB0為最低位，OUTA3為最高位。RL7～RL0為鍵盤回送線，是矩陣式鍵盤或傳感器矩陣的列（或行）信號輸入線，平時被內(nèi)部拉成高電平，當(dāng)某一鍵閉合時，相應(yīng)的回送線會被拉成低電平。SL3～SL0為掃描輸出線，用于對鍵盤和顯示器進(jìn)行掃描（位切換），可以編碼輸出，也可以譯碼輸出。該人機(jī)交互模塊中選用的顯示器為8位7段LED數(shù)碼管，將陰極連接在一起，用高電平驅(qū)動。鍵盤采用矩陣式，按鍵設(shè)置在其矩陣行列的交點上。在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，將鍵盤和顯示電路合并考慮，可以使接口芯片的利用率提高，簡化系統(tǒng)的設(shè)計。圖3-11為8279鍵盤和顯示接口電路。圖3-118279鍵盤和顯示接口電路電源電路設(shè)計電源電路目的：給控制電路及其它電路提供電源。信號調(diào)理電路中的運(yùn)算放大器需要+5V直流供電，A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543需要+5V直流供電。微處理器等芯片均使用+5V直流，這部分電路工作電流較小，對于各直流電壓提供最大1A電流即可滿足要求。+5V電壓也是利用三端穩(wěn)壓集成電路得到的，是7805芯片[20]。其用法和431差別不大，如圖3-12示，7805的—端是電源的輸入端，2端是輸出端，3端是接地端。圖3-127805三端穩(wěn)壓電源+12V提供給微處理器。因為AT80C51芯片需要+5V直流電壓，所以使用了LM2575-5開關(guān)穩(wěn)壓集成電路完成+l2V/5V的電壓轉(zhuǎn)換。相對于78xx系列線性穩(wěn)壓器件，LM2575具有很多優(yōu)點。其轉(zhuǎn)換效率達(dá)到75%—88%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于78xx的30%—50%;發(fā)熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于線性穩(wěn)壓器件;最大輸出電流為1A，足以滿足—般微處理器電路的需求。LM2575-5的+5V輸出電路原理圖如圖3-13所示。圖3-13LM2575+12V轉(zhuǎn)換成+5V電路信號通過LM2575-12降壓為+l2V提供給運(yùn)算放大器，+l2V電壓再經(jīng)7805轉(zhuǎn)換為+5V提供給A/D轉(zhuǎn)換器[21]。本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件設(shè)計的各個部分原理圖，先從主控制器最小系統(tǒng)，使用的是AT80C51單片機(jī)以及最小控制系統(tǒng)，A/D轉(zhuǎn)換電路采用的是ADC0809芯片，開關(guān)量輸入/輸出電路，等各個部分的電路原理圖，這些部分搭建起了自適應(yīng)路燈控制器的硬件部分。照明控制策略采用了時間環(huán)境參數(shù)以及手動的相結(jié)合的控制策略。系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計該控制軟件所要完成的任務(wù)就是系統(tǒng)初始化，定時對信號采樣，對采樣結(jié)果分析和輸出控制信號。其中初始化包括對定時器，計數(shù)器的初始化，還有對A/D轉(zhuǎn)換器的初始化，而初始化的工作就是確定工作方式，輸入控制字，裝入數(shù)據(jù)等。使用者在使用此自適應(yīng)路燈控制器時可根據(jù)需要自行編寫各個子程序和PWM調(diào)光程序。軟件結(jié)構(gòu)圖如下圖4-1所示。圖4-1軟件結(jié)構(gòu)圖由圖中我們可以很清楚的看到數(shù)據(jù)的流向以及主要的—些程序，主程序和定時中斷程序，主程序又包括數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理子程序還有延遲程序。聲光信號通過轉(zhuǎn)換得到計算機(jī)所需要的數(shù)據(jù)。由定時中斷程序負(fù)責(zé)對聲光數(shù)據(jù)的采集開關(guān)，由數(shù)據(jù)采集子程序采集后送到數(shù)據(jù)處理子程序，數(shù)據(jù)處理子程序?qū)λ蛠淼臄?shù)據(jù)采集后進(jìn)行處理然后輸出，并在延遲后告知主程序，主程序再次啟動定時程序，再由定時中斷程序負(fù)責(zé)對聲音數(shù)據(jù)的采集，然后如此循環(huán)下去。主程序設(shè)計該路燈控制系統(tǒng)主程序流程圖如下圖4-2所示：圖4-2主程序流程圖自適應(yīng)照明控制綜合策略在沒有人為干預(yù)的情況下，照明區(qū)域控制器按照預(yù)設(shè)的照明控制策略完成自主的現(xiàn)場照明控制。本設(shè)計中采用了時間控制(時控)、環(huán)境參數(shù)輔助控制和手動控制相結(jié)合的照明控制策略。環(huán)境參數(shù)輔助控制為可選功能，禁止使用時，為時控和手控相結(jié)合。三種控制方式的優(yōu)先級遵循以下原則：1.手動控制優(yōu)先級最高，手動控制時，時控和環(huán)境參數(shù)輔助控制被屏蔽。2.當(dāng)手動控制取消后，環(huán)境參數(shù)輔助控制、時控恢復(fù)正常使用，如果處于時控有效期內(nèi)，系統(tǒng)按照時間控制策略維持/更新運(yùn)行狀態(tài);如果處于時控有效期外，則根據(jù)環(huán)境狀況進(jìn)行控制。3.系統(tǒng)退出手動控制模式時，由照明區(qū)域控制器判斷當(dāng)前所屬時段，決定各交流接觸器是否打開或關(guān)閉。時間控制策略時間控制主要包括每天的開關(guān)燈控制和夜間按照道路交通流量分時段進(jìn)行的調(diào)光控制。這些控制操作不僅應(yīng)該能夠取得明顯的節(jié)電效果，還應(yīng)該能夠提高道路照明質(zhì)量。模擬日照曲線確定開關(guān)燈時間盡管對于某—城市來說，完全可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐娜照涨€確定出每個月份大致的開關(guān)燈時間，但是由于地球上每—點的地理位置不同，其對應(yīng)的日出日落時間也不相同;并且由于地球的自轉(zhuǎn)軸相對于地球和太陽的平面是傾斜的，再加上地球的公轉(zhuǎn)作用，因此即使是同—地區(qū)其每天的日出日落時間也不是完全相同的。所以為了實現(xiàn)精確的開關(guān)燈控制，更為合理方法應(yīng)該是根據(jù)城市所處的經(jīng)緯度計算出當(dāng)?shù)孛刻斓拈_關(guān)燈時間[22]。夜間分時段多樣化控制夜間的路燈照明控制主要是根據(jù)道路夜間交通流量變化規(guī)律進(jìn)行分時段控制，盡管在—條道路上每天夜間不同時刻的交通流量會略有差異，但就—段時間(—個月或幾個月)的統(tǒng)計規(guī)律來看，這種變化的波動并不很大，所以完全可以按照平均交通流量變化規(guī)律把—年的照明周期劃分成若干照明季節(jié)。表4-1給出的是某路段—年內(nèi)的照明季節(jié)劃分情況。表中各劃分點既是本季節(jié)的起始日期，也是上個季節(jié)的終止日期。在每個照明季節(jié)內(nèi)每天都按照同樣的時段劃分進(jìn)行自動的照明控制。照明季節(jié)內(nèi)的控制時段主要是根據(jù)對特定路段在該照明季節(jié)內(nèi)每天不同時段的交通流量統(tǒng)計規(guī)律進(jìn)行劃分。表4-2給出的是某路段在照明季節(jié)三內(nèi)的夜間控制時段劃分情況。表中各劃分點既是本時段的起始時間，也是上個時段的終止日期。表4-1某時段照明季節(jié)劃分季節(jié)一季節(jié)二季節(jié)三季節(jié)四季節(jié)五季節(jié)六劃分日期1月11號3月12號5月12號7月13號9月12號11月8號表4-2某路段照明季節(jié)夜間控制時段劃分時段二時段三時段四劃分區(qū)間21：3023：3002：