自适应LED路灯控制器设计毕业论文

1、xx大学学士学位论文自适应led路灯控制器设计摘要 自适应led路灯控制器是针对在城市照明上所存在的的能源消耗而设计出的新型节能控制器,它从半导体照明及自适应控制两方面共同实现节能，是将集稳压控制、软起动功能、自动起停、智能调光控制于体的路灯控制装置。pwm（脉冲宽度调制信号）调光和智能路灯控制系统相结合是该控制装置的主要特点，利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制，通过调节脉冲信号的占空比，从而达到改变led路灯亮度的效果，以实现路灯的自适应功能。 本文对自适应led路灯控制系统的研制进行了深入分析和研究。讨论了自适应路灯控制系统的构思、设计方案，介绍了该装置的系统设计、工作原理，对大功

2、率led、单片机at80c51及路灯控制器进行了详细的介绍，分析了以at80c51单片机为主控单元的硬件电路，对电路的主程序进行了软件设计，采用了时间控制，环境参数控制以及手动控制相结合的控制策略。 mcs-51系列单片机无pwm输出功能，所以采用定时器配合软件的方法共同实现。通过本文的研究，设计完成了具有实用性的自适应led路灯控制器。并为产品化设计提供依据。关键词自适应控制；led；路灯控制器；pwmadaptive controller design for led street lampsabstract adaptive controller for led street lamps

3、 is the new 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 s

4、treet lamp 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

5、 of change 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 depth discussed the idea and schematic design of adaptive street lamp control system, introduced the system design

6、and working 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

7、 of the software 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

8、, design completed practical adaptive led lamp controller. and for prod design provides the basis.keywords adaptive controll;led ;street lamp control; pwm;不要删除行尾的分节符，此行不会被打印-i-目录摘要iabstractii第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1 课题研究的背景11.1.2 课题研究的意义21.2 国内外大功率led控制技术的发展21.2.1 国外大功率led控制技术的发展21.2.2 国内大功率led控制技术的发展3

9、1.3 大功率led的路灯的发展趋势41.4 论文研究内容6第2章 路灯控制系统设计技术基础72.1 自适应控制72.2 大功率led路灯82.2.1 led82.2.2 led光源的特点92.2.3 led分类92.2.4 大功率led路灯102.3 单片机at80c51112.3.1 80c51的基本特性112.3.2 80c51的基本结构122.4 a/d转换器adc0809132.5 本章小结14第3章 系统硬件设计153.1 系统的总体方案设计153.1.1 系统的结构模型及功能分析153.1.2 路灯控制器的方案选择163.1.3 系统硬件设计163.2 声光信号采集173.2.1

10、 声音信号采集173.2.2 光照信号采集183.3 控制器的设计以及基本外围电路193.3.1 单片机控制器的设计193.3.2 a/d转换电路203.3.3 开关量输入/输出电路223.3.4 人机交互模块设计233.3.5 电源电路设计243.4 本章小结25第4章 系统软件设计264.1 软件结构设计264.2 主程序设计264.3 自适应照明控制综合策略284.3.1 时间控制策略284.3.2 组群控制策略304.3.3 环境参数与辅助控制策略304.4 本章小结31结论32致谢33参考文献34附录a35附录b41附录c46- iii -第1章 绪论1.1 课题背景1.1.1 课题

11、研究的背景城市路灯的功能日益突出。众所周知，城市公用路灯对美化城市、改善投资环境、推动社会经济发展和保障人民生活安全及道路交通安全等方面起着不容忽视的重要作用。特别是改革开放以来，随着我国经济建设的逐步发展，城市道路建设的发展速度的逐步提高，社会和人民群众对亮灯率和城市形象要求越来越高。因此，对作为城市建设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。为了适应这发展的需要，提高城市道路照明的管理水平，就必须加快城市道路照明的科技进步和现代化建设进程1，用现代化的智能路灯系统来替代原来较为落后、繁琐的路灯运行方式，将有限的人力和机构节约下来，得以发挥其应有的作用，创造更好的社会效益和更多的

12、经济效益。道路照明对于降低夜间的交通事故发生率有着重要的影响，几年来各国所作的相关研究表明，良好的道路照明可减少约30%的夜间交通事故。另外城市电力供应的日趋紧张，对城市公共照明节电尤其是道路照明节电提出了要求。城市公共照明(主要是道路照明和景观照明)在我国照明耗电中占大约30%的比例，所以城市道路照明的节电潜力很大，为此建设部和国家发改委专门就城市照明节电问题发出通知，明确提出城市照明要向“高效、节能、环保、健康”的“绿色照明”方向发展。道路照明的安全和节能问题已经引起了照明科技领域众多研究机构和企业的高度重视2。我国大部分城市路灯都采用“全夜灯”的方式进行照明，普遍存在的问题有两点:方面，

13、后半夜行人稀少，采用“全夜灯”的方式浪费太大34，因此，有的地方采取前半夜全亮，后半夜全灭的“半夜灯”照明方式;有的地方在后半夜采取“亮隔”或“亮隔二”的节电措施，此种方式虽然节约了电费支出，却带来了社会治安和交通安全问题，不利于城市形象。另方面，在后半夜因行人稀少，而应该降低路灯的照度，以避免光源污染，影响居民的晚间休息。但是，由于后半夜是用电低谷期，电力系统电压升高，路灯反而比白天更亮了。这不仅造成能源浪费，还大大影响了设备和灯具的使用寿命。目前，路灯照明广泛使用高压钠灯，其设计寿命在12000小时以上，在正常情况下至少可用3年，但是由于超压使用，现在路灯灯泡的实际寿命只有1年左右，有的甚

14、至只有几个月，造成维护和材料的浪费极大。较高的电压不仅不能让负载设备更有效地工作，而且会引起发热及过早损坏，还会产生不必要的电费开支。随着城市市政建设日新月异，宽阔的街道，各种各样的路灯给城市带来了光明的同时也增添了城市夜间的魅力。但是由于道路、路灯众多，传统的人工管理模式已经和快速、现代化的城市建设不相适应。而自高亮度白光led问世后，在照明应用上受到重视，它具有发光效率高节电效果好，并且无污染、寿命长的特点。特别是led 能实现较完美的调光功能，这使得城市路灯照明系统的节能改造成为可能。led可以通过单片机实现自适应控制，特别是自适应型led路灯控制系统可以自动实现白天光线较暗和晚上遇到声

15、响时，路灯自动点亮，从而实现人来灯亮，人走灯灭，还可以在点亮自动调节光的亮度，既方便又实用。不仅节约了电能，而且使用寿命长，可广泛应用于公路、隧道、生活小区等的照明控制。自适应控制的道路照明系统为我们带来了全新的照明控制概念5。1.1.2 课题研究的意义本课题的研究意义可以归结为以下几个方面:1. 为城市公共照明提供种科学有效的节电方案。2. 提高城市路灯管理水平，在改善城市道路照明质量的同时，还可以节省人力物力。3. 从国家的城市公共事业建设策略上来说，网络化的公共照明系统也是数字化城市的个重要组成部分，可以为城市的数字化建设做个良好的基础和参考。4. 提高了城市基础设施管理水平，有利于提高

16、城市形象。路灯是我国经济发展和国家建设中必需的用电设备，它在我国的整体用电量中所占比例巨大，如果通过节能装置对其进行有效控制，就能够降低电力损耗，达到节约能源，降低生产安装成本，有助于我国经济的快速发展。本文研究的自适应led路灯控制器是在路灯的启停和运行过程中，通过不同的照明控制策略来调节led路灯的输出脉冲宽度，控制led路灯的照明亮度，从而改变了其在不同时段的耗电量，达到了节约电能的目的。1.2 国内外大功率led控制技术的发展1.2.1 国外大功率led控制技术的发展国外led照明控制器的发展一直领先于国内。德国生产的steca太阳能路灯控制器，有12v和24v两种，可以自动识别，可满

17、足绝大多数太阳能照明系统使用，它采用脉冲调制技术，不仅能有效的保护蓄电池，防止过充电现象的发生。它还能快速、平稳的为蓄电池充电，其内置温度补偿装置，充电过程完全符合iu曲线，slx系列充电控制器最大的优点在于它能自动识别季节和时间，可以夜晚开灯、早晨关灯，光控与时控相结合，可以分别控制两个时段，使太阳能路灯系统更加智能化。德国steca太阳能路灯控制器具有的独特功能,主要特点是：pwm脉宽调制充电方式、自动识别12v24v系统、pwm充电电路（智能三阶段充电）、soc，自动学习功能state-of-charge算法等特点。所实现的路灯功能为自动识别季节和时间、光控开时控关、时控开光控关。国外照

18、明节能技术的发展具有以下特点:。1 大力推动绿色照明，在光源的材料，使用规范上加以有效管理，出台了系列的标准和管理要求，将照明节能推广到全民范围;2 不断提高功率器件性能要求，主要体现在镇流装置上技术提高。通过对镇流器技术改进来提高照明设备的功率因素。3 积极推广节能奖励政策，鼓励民众节能，节电，建立了完善有效的奖励机制。61.2.2 国内大功率led控制技术的发展在北京奥运会上，led照明技术在奥运历史上首次大规模使用并获得成功。据官方统计，北京奥运会总共包括36个比赛场馆，其照明产品需求就达5亿元左右，这还不包括奥运村、奥运花园等其他公共照明设施市场。 led照明除了比用常规照明至少节能6

19、0%以外，还拥有长寿命、易集成、快响应、利环保、光分布易于控制、色彩丰富等优势。以“水立方”为例，仅使用led灯的“水立方”景观照明工程，预计全年可比传统的荧光灯节电74.5万度，节能达70%以上。国内不少城市已经开始纷纷采用各种技术对城市公共照明系统进行了集中管理改造，基本实现了对全市路灯的遥控、遥测、遥信。全国各地积极推进led节能照明，我国南方部分政府和企业都已经纷纷大力推广led路灯用作道路照明。福建省政府新闻办召开发布会宣布，2009年福建省光伏产业项目对接会将于4月9日至10日在泉州南安市举行。此次活动将作为“618”海峡项目成果交易会的系列活动之，将搭建光伏产业成果转化、项目对接

20、和投资洽谈的平台7。 东莞勤上光电股份有限公司作为东莞led行业的龙头企业，大功率led节能路灯就是勤上光电众多产品中的“拳头”产品之。这产品技术上使用了具有企业自主知识产权的无线控制系统，可对灯具实现远程控制，既可对灯具进行远程开、关和调光，又能远程采集灯具工作时的电量、温度等数据，还能节省大量人工维护成本。节能也是这产品的显着特点，由于采用了非成像二次光学设计系统、电路驱动等先进系统和材料，其相较传统的高压纳灯节能60%以上，还具备着稳定和光衰小、无污染的特点。近日，海南三亚市路灯节能样板、文明路led路灯节能亮化工程也顺利收尾。 重庆推广照明节能控制器调节路灯明暗可节能30%。在现有路灯

21、线路上加个节电控制器器，可节能30%。，目前多家科技公司正在我市推行智能型照明节电控制器器试点工作，通过改变电压控制灯光明暗，为主城道路公共照明设施节能。目前主城区路灯及灯饰工程耗电量很大，仅以高新区为例，每年电费就要200万元。智能型照明节电器可通过电脑对控制器进行设定，从而根据天色的明暗自动调节灯光。比如深夜的时候，灯光会暗些，而晚上八九点时则亮些，也达到节能的目的。根据不同路段实际情况，台节能控制器能控制约千盏路灯，将节能30%左右。北京市路灯原来在每台变压器都装了个编好程序的控制仪，按照日出和日落的时间控制路灯的亮灭8。但是，碰到阴天和雨、雪、雾的天气，有时天已经很黑了，路灯却没有亮。

22、改造以后的路灯不是在每天固定的时刻亮/灭，而是根据天黑和天亮的情况亮/灭。大连市采用大连现代高技术发展公司研制的城市路灯监控管理系统，其基本功能是通过光控和时控技术对接触器进行控制，可检测到每条路段的亮灯率9，可有效控制全夜或半夜灯，可对供电变压器(电流或电压)线路短或开路等事件及时报警。1.3 大功率led的路灯的发展趋势道路照明与人们生产生活密切相关，随着我国城市化进程的加快，绿色、高效、长寿命的led路灯逐渐进入应用领域。目前，大功率led照明技术日趋成熟，大功率led光源功效已经达到120 lm/w，城市led路灯照明节能改造成为发展趋势。表1-1是传统路灯与led路灯对比。就以路灯为

23、主的大功率led产品市场而言，已经有部分led企业在 2005 年下半年研发成功led路灯产品，并逐步推向市场，替代原有传统的路灯产品。中国是目前全球城市化进程最快的国家之一，可以预料在未来的数十年内，全国各地对于大功率、高亮度、节能的led路灯产品的市场需求是极其庞大的。据2006年国家路灯行业统计，我国城市道路照明共有1500万只以上的路灯，近几年的增长率在20%以上。照此估算，全国每年照明 路灯的市场规模不低于50亿元，如使用led路灯，每年可节电20亿度以上10。表1-2是传统路灯与led路灯五年总体费用的比较。表1-1 传统路灯与led路灯对比杆高7米9米光源高压钠灯led高压钠灯l

24、ed功率（w）2506040090价格（元）1500450020006000年用电（元）912.52191460328.5年电费（元）912.52191460328.5年维护费（元）20002500年节约运行费用（元）893.51381.5表1-2 传统路灯与led路灯五年总体费用比较表公里数3公里（202盏）5公里（333盏）10公里（666盏）传统路灯led路灯传统路灯led路灯传统路灯led路灯光源费用30300090900049950014985009990002997000电缆设备费用360000360009000001250003600000600000五年的电费921625221

25、19015193153646353038625729270变压器的费用无无无五年维护费用几乎为零几乎为零几乎为零合计158462511661902918815198813576376254326270节省费用4184359306803311355led路灯与现有高压钠灯路灯相比，大功率led路灯具有以下特点：1 扩大了照明范围；2 提高了照明均匀度；3 截光性好，无眩光（提高了道路照明安全性）；4 更好的显色性（接近自然光）；5 低能耗（相同照度下能耗仅为高压钠灯的20%，节能80%以上）；6 长寿命（有效使用寿命长达50000小时，光衰小于15%）；7 智能控制，免维护，环保无污染等。近年来

26、，国家半导体照明工程研发及产业联盟针对led城市道路照明做了大量的调研工作，了解行业技术发展的新成果和市场发展新走向。2005 年联盟向北京奥运场馆业主单位推荐了太阳能led路灯，100余盏太阳能led路灯在奥运村现场展示。日前，联盟参加了苏州“2007中国道路照明论坛”，论坛以“道路照明节能应用技术”为主题，近200多名国内道路建设单位的代表和道路照明的专家学者参会，led光源在道路照明中的应用成为本次会议的热点议题。针对目前led路灯标准不能快速出台的局面，联盟正在筹建技术规范工作组，准备选择led路灯为切入点，研究并制定相应测试方法技术规范等。 尽管我国的led道路照明已经取得相当大的进

27、展，但是仍存在着一些问题亟待解决。诸如led道路照明产品标准的缺位，不同显色指数的高压钠灯的照度标准不适合led光源；劣质产品对市场推广产生消极影响，以次充好的led产品严重扰乱市场，造成主管部门对led的可靠性持怀疑态度；大功率led路灯的初次购入成本较高，大约是传统路灯的2-3倍，这给led路灯道路照明产品的市场应用带来压力。但是由于led是半导体器件，采用直流电、低电压、低电流，不用逆变器和调压变压系统，是节能、低损耗、科学合理的照明系统。如果用于6m以下led路灯、步道灯、庭院灯等，与普通铺电线市电路灯造价相差不大，特殊地形或地段还会便宜，在城乡一体化建设中大有可为。未来led产业的良

28、性发展还须大力进行新产品研发，加强企业自主创新能力，形成整体竞争力，相信在国家政策的大力推动下，我国led生产企业和led路灯产业必定会势蓬勃发展。1.4 论文研究内容 本文主要是要对自适应led路灯的控制系统进行深入分析和研究。在对大功率led、单片机80c51及路灯控制器等进行详细的了解后，讨论自适应路灯控制系统的构思、设计方案，研究该装置的系统设计、工作原理，分析以80c51单片机为主控单元的硬件电路，对电路的主程序进行了软件设计，采用了时间控制，环境参数控制以及手动控制相结合的控制策略。pwm（脉冲宽度调制信号）调光和智能路灯控制系统相结合是该控制装置的主要特点，利用微处理器的数字输出

29、来对模拟电路进行控制，通过调节脉冲信号的占空比，从而达到改变led路灯亮度的效果，以实现路灯的自适应功能。mcs-51系列单片机无pwm输出功能，所以采用定时器配合软件的方法共同实现。使用者可以根据需要进行自行编程调节所要达到的路灯亮度。第2章 路灯控制系统设计技术基础2.1 自适应控制所谓适应性，是指系统能够灵活的配置，根据环境和用户的要求改变系统的大小，适应不同的需要，而且这种变化不需要重新开发或修改软件程序。所谓自适应，是指这种适应性不需人工参与，具有自动的适应能力，自动感知系统应用环境和设备工作状态的变化，使系统适应环境，并保持在最好的状态。在日常生活中，所谓自适应是指生物能改变自己的

30、习性以适应新的环境的一种特征。因此，直观地说，自适应控制器应当是这样一种控制器，它能修正自己的特性以适应对象和扰动的动态特性的变化。自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统，这里所谓的“不确定性”是指描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。任何一个实际系统都具有不同程度的不确定性，这些不确定性有时表现在系统内部，有时表现在系统的外部。从系统内部来讲，描述被控对象的数学模型的结构和参数，设计者事先并不一定能准确知道。作为外部环境对系统的影响，可以等效地用许多扰动来表示。这些扰动通常是不可预测的。此外，还有一些测量时产生的不确定因素进入系统。面对这些客

31、观存在的各式各样的不确定性，如何设计适当的控制作用，使得某一指定的性能指标达到并保持最优或者近似最优，这就是自适应控制所要研究解决的问题。自适应控制和常规的反馈控制和最优控制一样，也是一种基于数学模型的控制方法，所不同的只是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少，需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐步完善。具体地说，可以依据对象的输入输出数据，不断地辨识模型参数，这个过程称为系统的在线辩识。随着生产过程的不断进行，通过在线辩识，模型会变得越来越准确，越来越接近于实际。既然模型在不断的改进，显然，基于这种模型综合出来的控制作用也将随之不断的改进。在这个意义下，控制系

32、统具有一定的适应能力。比如说，当系统在设计阶段，由于对象特性的初始信息比较缺乏，系统在刚开始投入运行时可能性能不理想，但是只要经过一段时间的运行，通过在线辩识和控制以后，控制系统逐渐适应，最终将自身调整到一个满意的工作状态。再比如某些控制对象，其特性可能在运行过程中要发生较大的变化，但通过在线辩识和改变控制器参数，系统也能逐渐适应。常规的反馈控制系统对于系统内部特性的变化和外部扰动的影响都具有一定的抑制能力，但是由于控制器参数是固定的，所以当系统内部特性变化或者外部扰动的变化幅度很大时，系统的性能常常会大幅度下降，甚至是不稳定。所以对那些对象特性或扰动特性变化范围很大，同时又要求经常保持高性能

33、指标的一类系统，采取自适应控制是合适的。但是同时也应当指出，自适应控制比常规反馈控制要复杂的多，成本也高的多，因此只是在用常规反馈达不到所期望的性能时，才会考虑采用。2.2 大功率led路灯2.2.1 ledled（light emitting diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。led的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由三部分组成，一部分是p型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是n型半导体，在这边主要是电子，中间通常是1至5个周期的量子阱。当电流通过导线作用于

34、这个晶片的时候，电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是led发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成p-n结的材料决定的。led的内部结构如图2-1所示。图2-1 led内部结构led特点：led的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途。1 体积小。led基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻。2 耗电量低。led耗电非常低，一般来说led的工作电压是2-3.6v。工作电流是0.02-0.03a。这就是说：它消耗的电不超过0.1w。3 使用寿命长。在恰当的电流和电压下，led的使用

35、寿命可达10万小时。4 高亮度、低热量。比hid或白炽灯更少的热辐射。5 环保。led是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时led也可以回收再利用。红光led含有大量的as（砷），剧毒6 坚固耐用。led是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的部分，这些特点使得led可以说是不易损坏的。 7 可控性强。可以实现各种颜色的变化。112.2.2 led光源的特点1 电压：led使用低压电源，供电电压在6-24v之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。2 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少 80% 3 适用性

36、：很小，每个单元led小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境 4 稳定性： 10万小时，光衰为初始的50% 5 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级， led灯的响应时间为纳秒级 6 对环境污染：无有害金属汞 7 颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的led，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色 8. 价格：led的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只led的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300500只二极管构成 2.2.3 led分

37、类1、按发光管发光颜色分按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管和达于做指示灯用。2、按发光管出光面特征分 按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm及20mm等。国外通常把3mm的发光二极管记作t-1；把5mm的记作t-1（3/4）；把4.4mm的记作t-1（1/4）。

38、由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。3、按发光二极管的结构分 按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。4、按发光强度和工作电流分按发光强度和工作电流分有普通亮度的led（发光强度100mcd）；把发光强度在10100mcd间的叫高亮度发光二极管。一般led的工作电流在十几ma至几十ma，而低电流led的工作电流在2ma以下（亮度与普通发光管相同）。除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。 2.2.4 大功率led路灯大功率led广义上说就是单颗led光源功率大于0.35w(含0.35w)的。基本上我们以1w的为主。 大功率l

39、ed路灯，顾名思义是单颗功率大于1w以上，采用新型led半导体光源的路灯。大功率led路灯与常规高压钠灯路灯不同的是，大功率led路灯的光源采用低压直流供电、由gan基功率型蓝光led与黄色荧光粉合成的高效白光二极管，具有高效、安全、节能、环保、寿命长、响应速度快、显色指数高等独特优点，可广泛应用于城市道路照明。发光二极管(light emitting diode,简写为led)是基于半导体pn结形成的用微弱的电能就能发光的高效固态光源，在一定的正向偏置电压和注入电流下，注入p区的空穴和注入n区的电子在扩散至有源区后经辐射复合而发出光子，将电能直接转化为光能。与传统路灯照明相比，led路灯具有

40、以下优点：1 led路灯本身的特性光的单向性，没有光的漫射，保证光照效率；2 led路灯有独特的二次光学设计，将led路灯的光照射到所需照明的区域，进一步提高了光照效率，以达到节能目的；3 led的光源效率目前已达100lm/w，而且还有很大的发展空间，理论值达250lm/w。而高压钠灯的发光效率是随功率增加才有所增加，因此，总体光效led路灯比高压钠灯强；4 led路灯的光显色性比高压钠灯高许多，高压钠灯显色指数只有23左右，而led路灯显色指数达到75以上，从视觉心理 角度考虑，达到同等亮度，led路灯的光照度平均可以比高压钠灯降低20%以上，（参照英国道理照明标准）； 5 led路灯的光

41、衰小，一年的光衰不到3%，使用10年仍达到道路使用照度要求，而高压钠灯光衰大，一年左右已经下降30%以上，因此，led路灯在使用功率的设计上可以比高压钠灯低；6 led路灯有自动控制节能装置,能实现在满足不同时段照明要求情况下最大可能的降低功率，节省电能；7 led是低压器件，驱动单颗led的电压为安全电压，系列产品单颗led功率都为1瓦，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所（例如：路灯照明、厂矿照明、汽车照明、民用照明等）；8 每个单元led小片只有很小体积，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境；9 寿命长：能使用5万小时以上，提供三年的质量保证；10 光

42、效高：采用100lm以上的芯片，相对于传统高压钠灯能节能75%以上；11 安装简便：无需加埋电缆无需整流器等，直接将路灯灯头安装于灯杆接上或者将光源嵌套原有灯壳；12 散热控制出色：夏天温度控制在45度左右，并采用被动散热方式；13 质量可靠：电路电源全部采用高质量元器件，每颗led都有单独过流保护，无需担心损坏；14 光色均匀：不加透镜，不以提高亮度而牺牲均匀光色，从而保证无光圈光色均匀。综合上述原理，大功率led路灯的节能效果显著，代替高压钠灯可节电60%以上12。2.3 单片机at80c5180c51是种低功耗、高性能的含有4k字节掩膜只读存储器(rom-read only memory

43、)的8位chmos微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与80c51指令系统和引脚完全兼容。80c51系列单片机采用双列直插式（dip）、qfp44（quad flat pack）和lcc(leaded chip carrier)形式封装。这里选用的是总线型dip40封装，其引脚如图2-2所示。图2-2 单片机80c51引脚图2.3.1 80c51的基本特性1 8 位的cpu，片内有振荡器和时钟电路,工作频率为112mhz。2 片内有128字节ram。3 片内有4k字节程序存储器rom。4 可寻址片外64k字节数据存储器ram。5 可寻址片外64k字节程序存储器rom。6 片内 21个

44、特殊功能寄存器（sfr）。7 4个8位的并行i/o口（pio）。8 可编程全双工串行通道（p3.0,p3.1）。9 两个16位定时器/计数器（timer/counter）。10 中断结构具有5个中断源和2个优先级。11 内置1个布尔处理器和1个布尔累加器（cy）。12 mcs-51指令集含 111条指令。13 空闲状态维持低功耗和掉电状态保护存储内容。80c51的存储器配置方式与其他常用的微机系统不同，它采用哈佛结构，把程序存储器和数据存储器分开，各有自己的寻址系统、控制信号和功能。程序存储器用于存放程序和表格常数，数据存储器用于存放程序运行数据和结果13。2.3.2 80c51的基本结构80

45、c51单片机由微处理器（含运算器和控制器）、存储器、i/o口以及特殊功能寄存器sfr等构成。80c51的基本结构图如下2-3 所示。图2-3 单片机80c51的基本结构图2.4 a/d转换器adc0809本设计中采用的a/d转换器是adc080916。adc0809是cmos、8位逐次逼近式a/d转换器。其主要性能为：分辨率为8位；adc0809精度小于1lsb；单+5v供电，模拟输入电压范围为0v5v；具有锁存控制的8路输入模拟开关；可锁存三态输出，输出与ttl电平兼容；功耗为15mw；不必进行零点和满度调整；转换速度取决于芯片外接的时钟频率，时钟频率范围为10khz1280khz。典型值为

46、时钟频率640khz时，转换时间约为100s。adc0809的内部结构如图2-4。图2-4 adc0809adc0809的内部结构如图2-4 所示。片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可对8路输入模拟信号分时转换，具有多路开关的地址译码和锁存电路、8位a/d转换器和三态输出锁存器等。adc0809引脚图如图2-5所示。如图2-5为adc0809引脚，其功能如下：1 in0in7：8路模拟量输入端。2 d7d0：8位数字量输出端。3 ale：地址锁存允许信号输入端。通常向此引脚输入一个正脉冲时，可将三位地址选择信号a、b、c锁存于地址寄存器内并进行译码，选通相应的模拟输入通道。4 start：启

47、动a/d转换控制信号输入端。一般向此引脚输入一个正脉冲，上升沿复位内部逐次逼近寄存器，下降沿后开始a/d转换。5 clk：时钟信号输入端。6 eoc：转换结束信号输出端。a/d转换期间eoc为低电平，a/d转换结束后eoc为高电平。7 oe：输出允许控制端，控制锁存器的三态门。当oe为高电平时，转换结果数据出现在d7d0引脚。当oe为低电平时，d7d0引脚对外呈高阻状态。8 c、b、a：8路模拟开关的地址选通信号输入端，3个输入端的信号为000111时，接通in0in7对应通道。9 vr(+)、vr(-)：分别为基准电压的正负输入端。图2-5 adc0809引脚图2.5 本章小结本章详细介绍了

48、设计自适应led路灯控制器所需要的部分基础知识，为下一步的硬件设计奠定了技术基础。其中包括自适应控制的概念及在该路灯控制器设计中的应用；led、大功率led的国内外发展状况，并根据市场需要及国家的各项推进政策对led路灯未来的发展趋势进行了预估；简单介绍了单片机at80c51和a/d转换器adc0809的主要特性、内部结构等，为系统设计提供依据。第3章 系统硬件设计3.1 系统的总体方案设计3.1.1 系统的结构模型及功能分析该系统的节能方法是通过控制器对输出脉冲宽度进行控制，其中的“宽度”，就是脉冲的高电平的时间。pwm信号调节led亮度时，信号频率是不变的，改变的是脉冲的高电平的时间，即l

49、ed的导通时间，进而操控脉冲的高电平的时间，通过改变路灯的光照来实现节能。此方法利用了人眼夜晚行进时对光照要求不敏感的特点改变了led路灯的亮、灭时间，在不同的时段根据际要求获得相应的照度，实现路灯亮度的自适应调节。其自适应控制器控制框图如图3-1所示。图3-1 自适应led路灯控制器系统框图其工作过程为:首先，通过对光照信号的采集，由自适应led路灯控制器判断路灯照明系统是否需要开启，如需要运行则由功率单元来完成路灯的软启动(般情况下是由数十、甚至上百盏路灯组成条街道的照明系统)。led路灯打开后，根据路面安装的声学传感器采集到的路面车流量与行人流量所发出的声信号由路灯控制器来发出控制信息，

50、如果实时车辆与行人的流量较大，即需要路灯的照度较高，系统根据需求自动对led路灯进行调光控制；如果实时车辆与行人的流量较小，即路灯的照度不需要很高，系统就会自动调宽脉冲信号的宽度，降低路灯的亮度。智能控制器作为整套系统的核心部分其控制方式选取的为模糊控制算法，采集的外部信号通过放大、转换后输入到控制器的微处理器中，这里我们采集的信号为光信号与声音信号两种，其中光信号用来控制整套系统的启停，而声音信号则用来实时反映外部环境的要求，通过模糊控制的方式将采集的数据进行处理比对，选取最优化的控制信号加以输出。3.1.2 路灯控制器的方案选择自适应路灯控制器是路灯控制系统的核心。当前软起动控制系统中，通

51、常采用plc进行控制，随着嵌入式技术的发展，采用微处理器设计的软起动控制器也大量出现。路灯控制器方案的选择，主要是对plc方案和微处理器方案进行选择。方案:采用上位、下位机(pc-plc)的控制系统。方案二:选用ti公司dsp控制器或者使用arm嵌入式系统作为控制系统。方案三:微控制器选用atmel公司的at80c51单片机的控制系统。plc抗干扰性能好，可靠性高(平均无故障时间3-5万小时)，编程简单，通用性强，适用于需要大量开关控制的场合。但如果使用plc进行复杂程序编写，其程序的编写难度、可读性和可维护性都不尽人意，并且plc在进行大量数据运算方面存在不少困难。同时plc价格高昂，对于低

52、端产品降低成本造成了较大困难。采用dsp控制器或者arm嵌入式系统作为控制系统的最大优势是功能强大，能耗小，响应时间快，但外接硬件电路较多，体积将会增加，在系统安装上有些不便，相比之下成本要有所增加，其价格是单片机的五倍。考虑到如果要使用大规模的在路灯上使用，成本会迅速增加。at80c51是4k字节的掩膜rom高性能微处理器，其外围接口电路简单，具有很高的性价比，成本低因而是种功能强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了个高度灵活有效的解决方案14。综合以上比较，方案和方案二在数据实时控制和大规模的数据处理方面有很大的优势，但是设计复杂，成本比较高等缺点。但是方案三设计简单，体积很小，在成

53、本节约方面有很大的优势。所以，本论文选择的是方案三作为本系统的研究设计方案。3.1.3 系统硬件设计硬件主要是由声音传感器、光敏传感器、运算放大器、a/d转换器、单片机等组成15。光信号通过光电传感器，转变成电信号，电信号经过放大后，送给开头电路，作为路灯的的开关。声音信号通过声音传感器变成电压信号，电压信号再经过放大器送给a/d模数转换器，a/d转换器就可以把前面送来的电压信号转换成频率脉冲信号，根据声音大小的不同，就可以得到不同的频率脉冲数据，从而也就可以判别声音的大小。将转变成频率信号的声音数据送到单片机，单片机通过系列的计算，就可以得到控制信号，然后将数据输出到led显示以及送到led

54、路灯，即被控对象。其系统硬件电路的结构设计如下图3-2所示：图3-2 系统硬件原理框图自适应控制系统硬件主要由声学传感器、光学传感器、信号放大器、微处理器、a/d转换器等组成。硬件系统的工作原理为:光信号通过光电传感器转变成模拟信号，经放大器放大后输入至a/d转换器，实现系统的开启和关闭。声音信号通过声音传感器转变成电信号，通过实时处理声、光信息，动态调节灯光强弱度，实现节能控制。现场控制设备功能的实现是软硬件的结合。为了实现上述功能，照明区域控制器在硬件上应该具备以下电路模块，主要包括声光信号采集模块、微处理器及其外围电路、人机交互接口等。3.2 声光信号采集3.2.1 声音信号采集本系统选

55、用传声器作为路面声音信号的采集装置。传声器(microphone)俗称话筒，是将声源通过空气振动产生的声波转换成电信号的换能设备，是一种重要的电声器件。传声器作为音频系统的第一环节，应具备结构坚固、性能稳定的品质。这里选用的传声器为驻极体传声器为声音信号的采集装置。声电转换的关键元件是驻极体的振动膜。它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜。然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。驻极体传声器bm接收到声波信号时，传声器内的电容膜片就会随声波而振动，

56、膜片两端的静电场也随着变动，这就把声音转换成了电信号。图3-4为由驻极体构成的声音传感器。图3-4声音传感器器3.2.2 光照信号采集光照信号采集其实就是利用了一个光电式传感器。所谓光电式传感器是能将光能转换为电能的一种器件，简称光电器件。它的物理基础是光电效应，而光电效应是指物体内部的导电电子因吸收辐射而发生运动状态的改变，从而导致电学特性改变的现象。它在现代测量与控制系统中，应用非常广泛。光电传感器一般由光源、光电转换电路和光电元件3部分组成。其基本原理是以光电效应为基础，把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。图3-5 光敏传感器如图3-5为光敏传感器，主要是用于光信号转换电信号再送入单片机处理,由一个光敏二极管、一个npn三极管和两个电阻构成。其工作过程为：有光照在光敏二极管上时，光敏二极管将光信号转变为电信号，电信号再经三极管放大后，输出到a/d转换器，将模拟信号转换为数字信号，再输入80c51单片机，由80c51输出控制信号决定led路灯是否开启。3.3 控制器的设计以及基本外围电路自适应路灯控制器采用单片机为核心控制器件，以单片机为控制核心，结合外围电路设计实现形成完整的控制系统。3.3.1 单片机控制器的设计80c51单片机最小系统由单片机、复位电路、晶振电路极其基本外围电路